Sensoren op machines: Vlaamse spitstechnologie laat ze draadloos functioneren

Ook in de voedingsindustrie worden machines almaar intelligenter. Allerhande sensoren zorgen hierbij voor realtime procesmetingen of voor conditiebewaking van de machines zelf. Vlaamse spitstechnologie zorgt er nu voor dat deze sensoren niet alleen draadloos kunnen communiceren, maar ook draadloos en onderhoudsvrij hun energie kunnen ontvangen. En dat heeft zo zijn voordelen...

Waarom draadloze sensoren?
Het aantal sensoren in machines en mechatronische systemen neemt gestaag toe. Sommige verzamelen informatie over procesparameters, andere over de 'gezondheidstoestand' van de machines zelf. Deze laatsten worden steeds meer en meer ingezet voor het voorspellen van fouten. Dikwijls bevinden deze sensoren zich op mobiele onderdelen van de machine. Maar daar knelt het schoentje. Want traditioneel worden sensoren van kabels voorzien voor zowel data- als energieoverdracht en dit kent heel wat nadelen:

• De kabels zijn onderhevig aan slijtage (door de hoge versnellingen en krachten die erop inwerken)
• De vereiste, regelmatige herinstallatie van de kabels is erg tijdrovend en duur
• Voor bepaalde mechanische bewegingen zijn bedrade oplossingen a priori uitgesloten

Draadloze technologieën kennen daarentegen een groeiend potentieel in de machinebouw vanwege verschillende voordelen:

• Minder onderhevig aan slijtage
• Verhoogde betrouwbaarheid van de machine
• Gereduceerde 'downtime' van de machine
• Eenvoudig te installeren ('plug & play')
• Verhoogde flexibiliteit bij herconfiguratie
• Biedt oplossingen voor toepassingen waarbij bedrading niet mogelijk is

Met draadloze technologie voor zowel datacommunicatie als voor vermogensoverdracht worden bovendien compleet nieuwe toepassingen mogelijk, zoals het gebruik van mobiele sensoren op bewegende onderdelen van machines of de onderlinge coördinatie tussen bewegende machines.

Huzarenstukje
Naast de standaard uitdagingen van draadloze sensoren brengt hun toepassing op machines nog een aantal extra vereisten met zich mee, inzake:

• Communicatievertraging
• Beschikbaarheid van het netwerk (omgevingsstoringen, intersysteeminterferenties)
• Foutenrate ('Packet Error Rate')
• Energievoorziening (zoals communicatie eveneens draadloos)
• Bandbreedte (beperkte radiogolffequentie range)
• Robuustheid (bestand tegen hoge temperaturen, vocht, olie, stof, ...)
• Veiligheid (gegarandeerde noodstop)
• Kostprijs

Specifiek voor draadloze energieoverdracht duiken er problemen op zoals:

• Rendementsverlies
• Verstrooiing van de magnetische veldlijnen
• Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
• Toelaatbare frequentie
• Uitvoeringsvorm (gewicht en afmetingen)

Deze uitdagingen kunnen beantwoordt worden met volgende oplossingen:

• Uitbreiden van draadloze standaarden met 'Quality-of-Service' die prioriteiten toevoegt aan de communicatie en de bandbreedte afstemt op incidentele, maximale behoeften
• Gebruik van meerdere antennes ('Multi-antenna Multi-input Multi-output' communicatie)
• Gebruik van 'Ultra Wide Band' communicatie op kritieke momenten, wat toelaat om in één keer een grote hoeveelheid informatie door te sturen zonder storingen in de omgeving te veroorzaken
• Energie opwekking met een stabiele oscillator die werkt op de vrij bruikbare frequentieband van 27 MHz
• Energie ontvangst op basis van een op 27 MHz afgestemde spoel
• Energie opslag in zogenaamde 'supercaps' (in plaats van batterijen)

Vlaamse spitstechnologie

 Bovenstaande uitdagingen evenals de geformuleerde oplossingen werden aangepakt en aangebracht door het Flanders' Mechatronics Technology Centre (FMTC), in samenwerking met zijn industriële partners, IMEC-NL, Sirris en de Katholieke Hogeschool Brugge Oostende in het kader van het 'mobiele sensors' onderzoeksproject.

Eén van de partners binnen het hoger vernoemde onderzoeksproject , Sirris (het vroegere WTCM), maakt deel uit van de stuurgroep van het TIS project 'Intelligence For Food' dat Flanders' FOOD samen met IMEC uitvoert.

Concrete realisaties

 Het onderzoeksproject resulteerde in prototype platformen die draadloze communicatie en energievoorziening van sensoren mogelijk maken. Met de WiMedia-gebaseerde radio-oplossingen is het mogelijk 'latencies' (conversietijden tussen analoog en digitaal) te bereiken die qua magnitude één grootteorde beter zijn dan de huidige state-of-the-art-radiotechnologieën. Het prototype voor onderhoudsvrije, inductieve energieoverdracht bestaat uit een oscillator, een vermogenversterker en een afgestemde spoel enerzijds en een secundaire afgestemde kring met gelijkrichtercircuit en spanningsconditioneringscircuit anderzijds. Deze demonstratoren laten toe om de functionaliteit aan te tonen voor een breed gamma aan industriële toepassingen. Het gaat hier immers over universeel inzetbare principes die ook voor vele andere toepassingen gebruikt kunnen worden.

Interessante links:

Sirris adviseert en begeleidt bedrijven bij het invoeren van technologische innovaties. Sirris heeft o.a. een uitgebreide expertise opgebouwd rond productontwerp en machinebouw. De experten systeemontwerp helpen bij het definiëren van het globaal concept, bij de keuze van de verschillende elementen van een mechatronisch systeem en bij de integratie en optimalisatie van deze elementen. Hiervoor werkt Sirris onder andere samen met Flanders' Mechatronics Technology Centre.

Bronnen:

- Techniline 06-01-2008 en 25-01-2008

- Ludo Somers (Sirris): Ludo.somers@sirris.be 

- Frederic Petré (FMTC): frederik.petre@fmtc.be

(steven.vancampenhout@flandersfood.com)

Artikel verschenen in de Foodgate STW nieuwsbrief.