Pierwsze kroki z czujnikami ELA. Bezprzewodowe zbieranie danych w praktyce

Teoretycznie proste zadania, jak rejestrowanie temperatury czy identyfikacja stanu pracy maszyny, w praktyce nie zawsze okazują się takie proste. Czasem bywa tak, że monitorowanie pracy dużych linii czy maszyn wyposażonych w sterowniki PLC nie jest dużym wyzwaniem, natomiast poważnym kłopotem stają się prostsze i starsze maszyny. W przeszłości często okazywało się, że „oczujnikowanie” takich maszyn to zadanie skomplikowane i drogie. Dziś tego rodzaju problemy to przeszłość – dzięki inteligentnym czujnikom ELA Innovation.

Na to, co nazywamy Przemysłowym Internetem Rzeczy (Industrial Internet of Things – IioT), składają się m.in. technologie bezprzewodowe, nowe protokoły komunikacyjne oraz autonomiczność urządzeń.  Wszystkie te cechy posiadają czujniki firmy ELA Innovation, która od ponad 20 lat projektuje i produkuje czujniki do szerokiego zakresu zastosowań. W ofercie znajdują się czujniki temperatury, wilgotności, ruchu i drgań, a także zaawansowane gatewaye, umożliwiające komunikację z czujnikami z wykorzystaniem wielu rodzajów połączeń i protokołów.

Sprawdź ofertę czujników ELA Innovation
w Sklepie ASTOR

Dlaczego warto zastosować czujniki ELA?

Czujniki ELA mogą bezpiecznie pracować w najtrudniejszych warunkach środowiskowych. Kompaktowa obudowa o średnicy 32 mm wykonana z odpornego tworzywa DELRIN, które dodatkowo jest certyfikowane do kontaktu z żywnością. Wszystkie czujniki spełniają normy szczelności na poziomie IP 68. Czujnik ruchu i drgań (model MOV) może pracować w temperaturach od -40^oC do 85^oC, a więc może być zastosowany niemal wszędzie.

Czujniki ELA są bardzo łatwe w montażu. Do każdego egzemplarza dołączany jest uchwyt montażowy, który można przykleić do dowolnej płaskiej powierzchni. Czujniki można przyklejać, przykręcać, montować w dedykowanych kieszonkach lub na wszystkie trzy sposoby równocześnie, zarówno na wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków.

Bardzo ważną cechą czujników ELA jest wbudowane niewymienne zasilanie bateryjne. Dzięki niemu sensory działają zupełnie autonomicznie i są pozbawione jakichkolwiek przewodów – co dodatkowo ułatwia montaż urządzeń. Zastosowanie technologii Low Energy i specjalnego zarządzania zużyciem prądu sprawia, że bateria wbudowana w sensor jest w stanie pracować nawet do 14 lat.

Żywotność baterii została zobrazowana na powyższym wykresie. Zależy ona przede wszystkim od mocy nadawania oraz częstotliwości komunikacji, które możemy konfigurować wg potrzeb. Zależy też od trybu pracy (połączony/niepołączony) oraz temperatury otoczenia.

Producent zapewnia również recykling czujników, dając możliwość wymiany zużytego sensora na nowy na preferencyjnych warunkach.

Komunikacja bezprzewodowa z czujnikami ELA

Czujniki ELA komunikują się z wykorzystaniem częstotliwości wolnej w paśmie 2,4 GHz. W tym artykule będziemy się koncentrować na modelach wykorzystujących standard Bluetooth, natomiast dostępne są również czujniki pracujące w tym samym paśmie z wykorzystaniem technologii MESH oraz AOA (Angle of Arrival). Takie czujniki są wykorzystywane w systemach RTLS jako identyfikatory zwiększające dokładność pozycjonowania.

Zastosowanie czujników Bluetooth umożliwia komunikację z każdym urządzeniem wspierającym standard BLE 4.0/4.2. W aplikacjach przemysłowych rekomendowane jest zastosowanie gatawaya BLE, który spełnia wszelkie standardy przemysłowe, a zewnętrzna antena BLE pozwala na zdecydowane zwiększenie zasięgu. Transmisja danych może być szyfrowana w celu zapewnienia całkowitego bezpieczeństwa.

W czujnikach ELA możemy skonfigurować moc nadawania do maksymalnie 4 dBm – w takim przypadku zasięg wynosi (w idealnych warunkach na otwartej przestrzeni) nawet 500 m. Oczywiście w rzeczywistości mamy do czynienia z zakłóceniami radiowymi, odbiciami i stratami wynikającymi z przeszkód na drodze fal radiowych. Dlatego realnie możemy mówić o zasięgach rzędu kilkudziesięciu metrów, co i tak stanowi bardzo atrakcyjną opcję w porównaniu z ciągnięciem przewodów sygnałowych i zasilania w przypadku czujników konwencjonalnych.

Konfigurowanie sensorów ELA odbywa się poprzez interfejs NFC. Można je wykonać z poziomu aplikacji uruchomionej na dowolnym urządzeniu wyposażonym w NFC (smartfon, tablet), z systemem operacyjnym iOS czy Android. Można także użyć powszechnie dostępnych czytników (programatorów) NFC podłączanych przez port USB do komputera z systemem Windows.

Zestaw startowy ELA

Przygotowaliśmy zestaw startowy, który ułatwi rozpoczęcie przygody z czujnikami ELA. Składa się on ze wszystkiego, co niezbędne do uruchomienia podstawowego systemu, a więc:

• gateway GATX10 – przemysłowy, zaawansowany gateway z obsługą BLE zintegrowany w obudowie IP68 z anteną, dzięki któremu skomunikujemy wszystkie czujniki i połączymy je z chmurą, bądź systemem SCADA
• dwa czujniki temperatury i wilgotności BLUE PUCK RHT,
• dwa czujniki ruchu i drgań BLUE PUCK MOV.

Zestaw startowy pozwoli zbudować pierwszą aplikację, która może realizować zadania takie, jak:

• Monitoring parametrów środowiskowych (temperatura i wilgotność) na hali produkcyjnej
• Monitoring parametrów środowiskowych (temperatura i wilgotność) w rozproszonych obiektach jak kontenery czy studnie.  
• Monitorowanie temperatury w sterowniach, trafostacjach czy rozdzielniach.
• Monitorowanie temperatury pracy zasobów akumulatorowych (np. czy wózek akumulatorowy przebywa w ujemnych temperaturach).
• Monitorowanie pracy maszyn poprzez analizę drgań.
• Zabezpieczenia wartościowego majątku przed kradzieżą czujnikiem drgań.
• Rejestrowanie temperatury w przemyśle spożywczym lub farmacji sensorem spełniającym wymogi normy EN12830.
• Monitorowanie temperatury pracy paneli fotowoltaicznych.
• Rejestrowanie drgań wentylatorów etc.
• Rejestrowanie wychylenia kiperów w wywrotkach.

Oczywiście w razie potrzeby do każdego systemu można dodawać kolejne czujniki. 

Zbieranie danych z czujników do systemów nadrzędnych

Wszelkie informacje zbierane przez czujniki mogą być udostępniane z wykorzystaniem protokołu MQTT. Odpowiada za to gateway GATX10/11, który pracuje jak MQTT-BROKER. Dane może odbierać dowolny odbiorca, obsługujący MQTT, np. sterownik PLC, aplikacja HMI czy przemysłowa baza danych. Dzięki temu informacje z czujników można łatwo dostarczyć do już istniejącego w przedsiębiorstwie systemu informatycznego.

Integracja czujników ELA w 5 krokach

Sensory ELA Innovation są kompatybilne z każdym urządzeniem, które obsługuje technologię BLE od wersji 4.0. Oznacza to, że w roli gatewaya możemy wykorzystać również urządzenia innych firm, zgodne z tym standardem. Zobaczymy to na przykładzie gatewaya Teltonika RUTX11, za pośrednictwem którego połączymy czujnik ELA z oprogramowaniem przemysłowym AVEVA.

Krok 1 to włączenie i skonfigurowanie czujnika. Realizujemy to za pomocą aplikacji Device Manager, uruchomionej na smartfonie z obsługą NFC. Aplikację Device Manager pobieramy z Apple App Store lub Google Play.

W trakcie konfiguracji wybieramy moc nadawania sensora oraz częstotliwość. Możemy też skonfigurować nazwę własną czujnika.

Krok 2 to sparowanie czujnika z gatewayem Teltonika RUTX11 po BLE, z wykorzystaniem aplikacji konfiguracyjnej routera. Uruchamiamy usługę Bluetooth na routerze RUTX11, a następnie wykonujemy skanowanie otoczenia routera w poszukiwaniu sensorów (przycisk SCAN). Dostępne czujniki będą rozpoznane po nazwie sensora oraz adresie MAC. Można też sprawdzić siłę sygnału RSSI. Za pomocą przycisku PAIR możemy sparować wybrane sensory z routerem. Cała operacja przypomina dodawanie dowolnego urządzenia BLE do komputera czy telefonu.

Krok 3 to uruchomienie Brokera MQTT w gatewayu RUTX11. W tym celu konfigurujemy usługę DATA TO SERVER. Należy zwrócić uwagę w szczególności na wybór odpowiedniego formatu JSON, który jest obsługiwany przez aplikację kliencką. W naszym przypadku będzie to „%b”.

Następnie definiujemy ustawienia brokera: unikalną nazwę Topic, nazwę brokera (jest to adres IP naszego routera) oraz częstotliwość nadawania – najlepiej tożsamą z częstotliwością nadawania sensora BLE.

Ze względu na charakterystykę programu komunikacyjnego AVEVA OI.GATEWAY czynność dodawania kolejnych obiektów DATA TO SERVER trzeba powtórzyć dla każdego sensora. Dzięki temu łatwiej będzie powiązać dane ze zmiennymi w AVEVA Historian.

Działanie Brokera MQTT można przetestować za pomocą narzędzia MQTT Explorer.

Krok 4 to konfiguracja komunikacji MQTT w programie komunikacyjnym AVEVA OI.Gateway. W tym celu wystarczy podanie adresu IP oraz numer portu Brokera MQTT.

Krok 5, ostatni, to utworzenie zmiennych w Aveva Historian. Należy tu zwrócić szczególną uwagę na odpowiednią składnię w polu Item Name. Musi ona mieć postać:

topic.atrybut

gdzie „topic” to nazwa topica, którą zdefiniowaliśmy w kroku 3, natomiast atrybut to nazwa atrybutu – danej udostępnianej przez sensor. Można ją sprawdzić w programie MQTT Explorer. W naszym przypadku dla czujnika PT 801260 Item Name będzie miała postać: SENSOR260.temperature.

Teraz zbierane dane możemy już bez przeszkód analizować za pomocą standardowych narzędzi klienckich AVEVA, takich jak np.: AVEVA Trend.

Powyższy przykład pokazuje, jak prosta i szybka jest konfiguracja czujników ELA Innovations. Nie należy tu jednak zapominać o odpowiednim przemyśleniu niektórych ustawień. Wspominałem już o tym, że żywotność baterii czujnika zależy m.in. od częstotliwości odświeżania pomiarów oraz mocy nadajnika. Trzeba więc te parametry dobrać w taki sposób, aby zapewnić bezproblemowe działanie urządzenia, a jednocześnie zapewnić jak najbardziej ekonomiczną pracę.

Serdecznie zapraszamy do kontaktu z nami. Chętnie pomożemy dobrać i odpowiednio skonfigurować czujniki ELA tak, aby pracowały długo i niezawodnie.

Sprawdź ofertę czujników ELA Innovation
w Sklepie ASTOR