Wireless Sensor Networks Status og fremtid. Niels Aakvaag Mobil IKT i prosessindustrien Stavanger. ABB Corporate Research - 1

Transkript

1 Mobil IKT i prosessindustrien Stavanger Wireless Sensor Networks Status og fremtid Niels Aakvaag ABB Corporate Research - 1

2 Plan ABB Corporate Research - 2 ABB Corporate Research Trådløst i olje og gass Status Visjoner Erfaring med ZigBee Boliden test Teoretisk studie Statiske fade og interferens Utvikling av wireless HART Hva er HART? Hvorfor trådløs HART? Integrasjon i kontroll systemet Hvilke problemer har vi? Mulighetene Konklusjon

3 ABB investerer årlig USD 930M i R&D Order-related development Product development ABB Corporate Research - 3 Research 95

4 Global Labs and Locations 6 Sites in Europe Oslo Vaasa Västerås 2 Sites in USA Wickliffe Raleigh Ladenburg Baden-Dättwil Krakow Bangalore Beijing/ Shanghai 2 Sites in Asia ABB Corporate Research - 4 Automation Technologies CH, SE, US W, DE, NO, IN Power Technologies CH, SE, US R, PL, FI, (CN)

5 Plan ABB Corporate Research - 5 ABB Corporate Research Trådløst i olje og gass Status Visjoner Erfaring med ZigBee Boliden test Teoretisk studie Statiske fade og interferens Utvikling av wireless HART Hva er HART? Hvorfor trådløs HART? Integrasjon i kontroll systemet Hvilke problemer har vi? Mulighetene Konklusjon

6 Wireless Sensor Networks (WSN) - hva er nytt? Multihopp Alle noder kan rute Trenger ingen fast infrastruktur Dekning lenger enn et enkelt radio-hopp Ingen nettverksplanlegging Rask utrulling av store nettverk Selvrettende / rekonfigurerende Tåler å miste enkeltnoder ABB Corporate Research - 6 Nettverk er relativt statisk Nettverkets levetid viktig parameter Rettferdighet mindre viktig Topologien er ofte en logisk stjerne

7 Olje og gass Typisk off-shore 2000 temperatur 1000 trykk 500 nivå 500 flow Typisk on-shore tags ABB Corporate Research - 7 Sensicast / B&B survey, august % av de spurte undersøker muligheter for wireless 53% planlegger installasjon i løpet av 12 måneder

8 Sensicast / B&B survey Applikajsonsområder Funksjonalitet ABB Corporate Research - 8

9 Muligheter i åpen sløyfe Applikasjonsområder i industriell automasjon: Tilstandsovervåking. Detektere slitasje på utstyr Holde styr på inventar Benchmarking Fieldbus Control room Andre områder: Sensor Sensor Sensor Monitorering av miljø Forsvar Bygningsautomasjon ABB Corporate Research - 9 Generelle krav: Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate Lite effekt (batteridrift) Removable Sensor Sensor Fieldbus Removable Sensor Off-line processing and optimisation Sensor Control room

10 Utfordringer i åpen sløyfe Dette er mulig! Lage tidsstempling og store-and-forward Produkter er allerede tilgjengelig/underveis Accutech i flere år Honeywell second source fra Accutech Emerson Q2-06 ABB?? Non real-time Non real-time Processing of off-line wireless sensor data ABB Corporate Research - 10 Control system Actuation Wired sensor output Plant Sensors Wireless sensor output

11 Muligheter i lukket sløyfe Applikasjonsområder: Metall Papir Olje og gass Petrokjemisk (temp, trykk, nivå, ) Generelle krav: Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate ABB Corporate Research - 11 Lite effekt Kort latenstid Garanti for at pakke kommer frem Control System Wireless Actuation Wireless Sensing Plant Sensors

12 Utfordringer i lukket sløyfe Mye mer komplekst Energisensitivitet Adaptiv effektstyring (Stanford) Cluster head management Hot-spots og tømming av sentrale noder Latens garantier over multihop nettverk Interessant arbeid på medium aksess nivå (MAC), f.eks ikke-uniform back-off, skedulert transmisjon, Quality of service (QoS) i rutingalgoritmer ABB Corporate Research - 12 Robuste kontrollalgoritmer Kalman filtrering med manglende data sampler Cross layer optimalisering

13 Plan ABB Corporate Research - 13 ABB Corporate Research Trådløst i olje og gass Status Visjoner Erfaring med ZigBee Boliden test Teoretisk studie Statiske fade og interferens Utvikling av wireless HART Hva er HART? Hvorfor trådløs HART? Integrasjon i kontroll systemet Hvilke problemer har vi? Mulighetene Konklusjon

14 Boliden demonstrator desember 2004 ZigBee basert implementasjon, med noder fra Ember Nettverk synkroniserings algoritme for å redusere effektforbruk Syv sensorer i prosessen Simulert data, én pakke/min ABB Corporate Research - 14 En node er gateway til OPC server/client for integrasjon i ABB kontrollsystem Sleep Timing Data Sleep Timing

15 Resultater Boliden Dekning mer enn 50m, selv uten LOS Effektforbruk ~3mW Gjennomsnitt 30 sek latens ABB Corporate Research - 15 Våken 3 sekunder per minutt 1.5 sekund for å synkronisere nettverk 1.5 sekund for utveksle data

16 Resultater Boliden Ikke-stasjonær karakteristikk Latenstid er tidsvarierende Kjenner igjen Gaussisk pdf Støtter multihop Tilsvarende test med samme resultater på Statoils testlab på Rotvoll 100 Moving Average of Node2 Time Offset 7000 Histogram of Node2 Time Offset Time Offset [ms] Frequency ABB Corporate Research Sample Number x Time Offset [ms]

17 Multihop CSMA simulering ABB Corporate Research - 17 Throughput, bps/node number of transmitters Bekrefter teori om følsomhet for nodetetthet Ved øket last mistes mye kapasitet til kollisjoner og retting av ødelagte ruter Simulert AODV over MAC/PHY med NS2 Areal 100 x 100m Pakkefeilrate 2% Dekning 40m En GW Statisk nettverk En pakke hvert: 15 sek (blå) 30 sek (rosa) 50 sek (gul)

18 Multihop CSMA simulering Hva skjer egentlig? Pakketap pga hidden terminal linker brytes mer trafikk for link reparasjon flere pakketap flere brutte linker mere trafikk ABB Corporate Research - 18

19 Interferens og statiske fades ZigBee har valgt statisk kanal Enkel infrastruktur Lav effekt på endenoder Forutsetter batteridrift av ruternoder Interfererende kilder i 2.4GHz WLAN Bluetooth Annen lisensfri transmisjon DECT (i USA) ABB Corporate Research - 19

20 Interferens og statiske fades Statiske fades Kommer av destruktive kombinasjon av multipath Vil variere veldig sakte Har båndbredde som tilsvarer flere ZigBee kanaler ZigBee kan endre kanal, men ikke raskt ABB Corporate Research - 20 Problem: muligheter for at transmisjon blir blokkert

21 Konklusjon til ZigBee Fungerer fint til lav effekt, lav kostnad, open loop systemer med lav tetthet Ideell for enkle installasjoner Men vi har tre fundamentale problemer: Batteridrift i ruternoder synkronisert søvn. Søvn av ruternoder skalerer throughput ned Kapasitet går ned når det er mange noder. Kommer av CSMA/CA og ruting algoritmen. Kan bare løses ved kollisjonsfri MAC Statiske fades og interferens. Trenger frekvenshopping ABB Corporate Research - 21 For closed loop kontroll trenger vi: Kollisjonsfrie transmisjoner Frekvenshopp

22 Plan ABB Corporate Research - 22 ABB Corporate Research Trådløst i olje og gass Status Visjoner Erfaring med ZigBee Boliden test Teoretisk studie Statiske fade og interferens Utvikling av wireless HART Hva er HART? Hvorfor trådløs HART? Integrasjon i kontroll systemet Hvilke problemer har vi? Mulighetene Konklusjon

23 HART HART Highway Addressable Remote Transmitter Brukt for instrumenter i prosessindustrien Overlagrer informasjon på 4-20mA sløyfe Enkel trådbundet grensesnitt på 1200 bps Standardisert 1980 tallet Har 95% av markedet for intelligente instrumenter Profibus 2.5% Foundation Fieldbus 2.5% ABB Corporate Research - 23 Alle de største produsentene av instrumenter er med

24 HART Planlegger å ha trådløs standard ferdig i løpet av 2006 Basert på PHY i første utgave Eget MAC lag for kollisjonsfri aksess Frekvenshopp for å unngå interferens og fades Potensielle problemer Trenger sentral kontroller. Den kommer til å bli dyr! Må definere profiler ABB Corporate Research - 24

25 HART Bidradgsytere på wireless Dust networks Corolis Sensicast Alle har Frekvenshopp Multihopp Lavt effektforbruk ABB Corporate Research - 25 Skiller ved Data rate Topologi MAC lag

26 Plan ABB Corporate Research - 26 ABB Corporate Research Trådløst i olje og gass Status Visjoner Erfaring med ZigBee Boliden test Teoretisk studie Statiske fade og interferens Utvikling av wireless HART Hva er HART? Hvorfor trådløs HART? Integrasjon i kontroll systemet Hvilke problemer har vi? Mulighetene Konklusjon

27 Dagens HART integrering ABB Corporate Research - 27

28 Trådløs for felt instrumenter 2005 Prototype av kommunikasjonskort Trådløst instrument Blir neppe produkt Seriell kontakt Radio CC2420 Mikro kontroller AtMega64L Effekt Begrenset effekt tilgjengelig over seriell kontakt Reset dersom trekker for mye Latens Prototype med statisk effekt håndtering Designforslag for dynamisk ABB Corporate Research - 28 Kommunikasjon med eksternt device Fast kanal Point-to-multipoint nettverk PCB antenne Effekt styring

29 System 800xA - Integrering av WFD Mål: Mulige løsninger: WFD fullt tilgjengelig innen system 800xA for alle brukere og applikasjoner PROFINET Proxy Server Wired/Wireless S800 remote I/O Minimal modifisering av eksisterende arbeidprosesser ABB Corporate Research - 29 Ønsker gjenburkbare komponenter uavhengig av trådløs protokoll Gateway eller Proxy teknologi?

30 Proxy Server for Ethernet, e.g. Profinet IO Feltbuss devicer sett som autonome Beskytter eksiterende installasjoner: hele feltbussen representert på Profinet, ABB Corporate Research - 30 Proxy Server for Profinet IO del av PNO standardiseringsprosess

31 Proxy Server Fordeler Ulempe Proxy vil følge standardisert prosedyre Integrering av for eksempel Profinet i 800xA vil trenge proxy Potensielt vanskelig å implementere ved remote I/O (prosessering, minnestørelse,..)? ABB Corporate Research - 31 Fremtidige applikasjoner for intelligent proxy server for adhoc trådløse nettverk

32 Gateway Fordeler Ulemper Point-to-point link til instrumentet gir enkel aksess (billigere enn proxy) Enkelt å implementere Ikke standard, proprietær løsning øker kostnad Enkel gateway utilstrekkelig for trådløse nettverk (trenger i det minste cache) ABB Corporate Research - 32

33 Konklusjon Store muligheter for WSN i prosessindustri ZigBee passer til små, ikke-kritiske applikasjoner Wireless HART løser mange av ZigBees problemer ABB Corporate Research - 33 Integrasjon inn i ABB kontroll systemer under planlegging

34 ABB Corporate Research - 34