Tingkatkan melalui pemantauan nirkabel

Kegagalan mekanis motor, penggerak, dan peralatan elektromekanis vital lainnya adalah salah satu alasan paling umum untuk penghentian produksi. Untungnya, kemajuan terbaru dalam pemantauan getaran dan analisis data telah menghasilkan sistem pemantauan kondisi yang dapat secara akurat mendeteksi masalah sebelum kegagalan, sehingga mengurangi penghentian mesin yang mahal dan memaksimalkan hasil produksi.

Sistem ini dipasang pada peralatan yang dipantau dan biasanya dihubungkan kembali ke jaringan komputer pusat untuk analisis data dan pemberitahuan alarm. Karena mesin mungkin berada di lokasi terpencil di mana infrastruktur jaringan tidak tersedia, atau pada platform bergerak di mana konektivitas jaringan kabel tidak praktis, komunikasi nirkabel adalah alternatif jaringan yang menawarkan penghematan biaya pemasangan, penyebaran lebih cepat, dan keandalan yang ditingkatkan dalam situasi tertentu. .

Gambar 1. Bentuk gelombang urutan langsung.

PERTANYAAN DAN MASALAH
Bagi banyak industri, pembelian sistem pemantauan kondisi mudah dibenarkan dengan perhitungan laba atas investasi (ROI) yang sederhana. Untuk biaya yang relatif nominal, alat berat vital dapat dipasang kembali dengan pemantauan kondisi untuk mengurangi kegagalan pengoperasian. Namun, ada biaya tambahan yang perlu dipertimbangkan ketika infrastruktur jaringan tidak tersedia atau tidak praktis. Biaya tambahan ini dapat mencakup pemasangan kabel serat optik, rekayasa/pemasangan saluran, pembuatan parit antar gedung, penyewaan saluran telepon untuk lokasi terpencil, dan pemasangan cincin pengikat atau slip ring untuk peralatan bergerak. Biaya tambahan ini dapat mendorong ROI melampaui apa yang akan diterima manajemen.

Gambar 2. Saluran urutan langsung 802.11b.

Jika mesin yang dipantau berada di lokasi yang jauh di dalam pabrik di mana infrastruktur jaringan tidak tersedia, pemasangan kabel diperlukan. Biaya pemasangan kabel di pabrik industri dapat sangat bervariasi berdasarkan jenis pabrik dan konfigurasi fisik. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa pemasangan kabel rata-rata di pabrik kimia adalah $40 per kaki ($120 per meter), sedangkan pemasangan kabel di dalam pembangkit listrik tenaga nuklir bisa mencapai $2.000 per kaki ($6.000 per meter). Biaya kabel sebenarnya tergantung pada lokasi mesin relatif terhadap infrastruktur jaringan yang ada, jenis kabel yang dibutuhkan (misalnya serat optik), teknik saluran (jika diperlukan), tarif biaya tenaga kerja dan jika penggalian diperlukan.

Jika mesin berada di lokasi yang jauh beberapa mil (kilometer) atau lebih jauhnya, maka perlu menyewa saluran telepon untuk komunikasi. Biaya saluran telepon yang disewa biasanya mencakup biaya aktivasi/instalasi awal dan biaya bulanan berdasarkan kecepatan layanan. Karena pemantauan getaran terus menerus dan biasanya intensif data, layanan saluran telepon harus mendukung kecepatan yang cukup tinggi untuk pemantauan terus menerus. Layanan saluran telepon ke lokasi terpencil seperti stasiun pompa juga rentan terhadap kegagalan komunikasi karena kualitas saluran yang buruk, dan keandalan mungkin menjadi perhatian. Layanan seluler nirkabel terkadang menjadi pilihan untuk situs jarak jauh, tetapi tergantung pada ketersediaan layanan dan kecepatannya terbatas. Biaya berlangganan data seluler mungkin juga mahal.

Gambar 3. Saluran 802.11b yang tidak tumpang tindih.

Jika alat berat berada pada platform bergerak (seperti derek di atas kepala, mobil transfer, atau sistem konveyor), maka menghubungkan sistem pemantauan kondisi ke jaringan pabrik merupakan tantangan tersendiri. Tergantung pada kecepatan dan jarak yang dilalui platform, metode pemasangan kabel tradisional seperti festooning dapat dilakukan. Namun, memperhiasi dapat mengalami keausan, dan itu sendiri merupakan masalah keandalan karena kabel dapat putus. Untuk platform pemintalan, cincin slip dengan dukungan ethernet tersedia tetapi mahal dan memerlukan perawatan berkala. Beberapa mesin mungkin bergerak sangat cepat sehingga satu-satunya metode komunikasi praktis adalah frekuensi radio nirkabel (RF).

Mengingat tantangan sistem pemantauan kondisi jaringan, komunikasi nirkabel menawarkan biaya pemasangan yang lebih rendah (waktu ROI yang dipersingkat), menghilangkan saluran telepon, dan memantau mesin dari jarak jauh yang sebelumnya tidak praktis. Namun, teknologi dan peralatan nirkabel sangat bervariasi dalam kinerja dan keandalan dalam instalasi industri. Merancang jaringan nirkabel yang sukses memerlukan pemeriksaan penggunaan nirkabel saat ini, jalur RF, dan tantangan lingkungan pabrik industri.

Gambar 4. Saluran frekuensi hopping.

TEKNOLOGI NIRKABEL
Pendekatan yang paling umum untuk ethernet nirkabel adalah transmisi RF di pita spektrum tersebar. Secara global, pita 2,4 dan 5,8-gigahertz (GHz) tersedia untuk penggunaan bebas lisensi di sebagian besar negara.

Spread spectrum secara harfiah berarti menyebarkan energi RF ke seluruh (atau sebagian besar) spektrum. Teknik ini memungkinkan komunikasi berkecepatan relatif tinggi saat dirancang untuk beroperasi di lingkungan yang bising di mana terdapat banyak sistem RF. Ada dua metode utama penyebaran energi RF:urutan langsung dan frekuensi hopping. Kedua metode memiliki kelebihan dan kekurangan untuk komunikasi nirkabel industri.

Urutan langsung menggunakan saluran lebar di dalam pita untuk secara bersamaan memodulasi pola bit yang sangat dikodekan (lihat Gambar 1.)

Urutan langsung menawarkan kecepatan data spektrum penyebaran tercepat, karena saluran lebar memungkinkan transmisi skema modulasi kompleks. Modulasi domain frekuensi ortogonal (OFDM) adalah teknik modulasi kompleks yang mampu menghasilkan kecepatan data yang cepat dan digunakan secara luas dalam standar IEEE 802.11g, mendukung kecepatan data RF hingga 54 megabit per detik (Mbps).

Urutan langsung adalah metode yang digunakan oleh semua standar Wi-Fi terbuka yang populer saat ini, termasuk IEEE 802.11b, 802.11g (keduanya mentransmisikan dalam pita 2,4 GHz) dan 802.11a (mentransmisikan dalam pita 5,8 GHz). Sementara modulasi pita lebar menawarkan kecepatan tinggi, itu juga membuat sistem RF lebih rentan terhadap masalah kebisingan saat beberapa sistem beroperasi dalam jarak dekat. Misalnya, IEEE 802.11b memiliki 13 saluran yang tersedia (hanya 11 saluran di beberapa negara), tetapi hanya tiga saluran yang tidak tumpang tindih (lihat gambar 2 dan 3).

Karena saluran yang tumpang tindih dan popularitas sistem Wi-Fi di pabrik, band yang terlalu padat dan saturasi RF dapat menyebabkan kinerja nirkabel yang buruk. Frekuensi hopping adalah teknik yang sangat populer untuk sistem industri karena memiliki teknik kekebalan kebisingan yang luar biasa. Tidak seperti urutan langsung, frekuensi hopping menggunakan banyak saluran yang lebih kecil dalam spektrum dan dengan cepat mengubah saluran, atau "melompat-lompat", dari saluran ke saluran (lihat Gambar 4). Dengan menggabungkan teknik koreksi kesalahan, frekuensi hopping menawarkan kesempatan terbaik untuk transmisi data yang sukses sebagai pemancar akan mengirim paket berulang kali menggunakan saluran yang berbeda sampai pengakuan diterima. Kelemahan dari frequency hopping adalah lebih lambat dari direct sequence dan memiliki data latency yang lebih lama. Kebanyakan sistem frekuensi hopping terbatas pada 1 Mbps atau kurang kecepatan data RF. Tetapi jika kecepatan data cukup cepat untuk aplikasi tersebut, keandalan lompatan frekuensi sulit dikalahkan, terutama jika lebih banyak sistem RF akan ditambahkan di masa mendatang.

Modem pelompat frekuensi adalah hak milik, artinya setiap pabrikan menggunakan teknik mereka sendiri, dan Vendor X biasanya tidak akan berkomunikasi dengan Vendor Y. Meskipun hal ini berpotensi merugikan sistem komersial, hal ini dapat diinginkan untuk sistem industri karena dua alasan:keamanan dan isolasi dari sistem teknologi informasi nirkabel. Karena teknik frequency hopping tidak didasarkan pada standar terbuka, pabrikan dapat menggunakan proses otentikasi yang unik dan teknik enkripsi yang canggih.

Sementara keamanan telah meningkat secara signifikan dalam sistem Wi-Fi dengan standar WPA dan WPA2, peretas akan terus mencari celah. Banyak produsen Wi-Fi industri sekarang menyertakan opsi untuk menyembunyikan titik akses dengan tidak mentransmisikan suar SSID-nya. Teknik ini efektif untuk menyembunyikan titik akses dari peretas potensial.

Frekuensi hopping juga menawarkan manajer pabrik kemampuan untuk mengoperasikan jaringan nirkabel mereka sendiri yang terpisah dari departemen TI. Karena popularitas teknologi 802.11 untuk akses jaringan nirkabel, sistem kode batang gudang, dan pengawasan video, sistem frekuensi berpemilik mungkin menjadi pilihan terbaik untuk sistem industri dan menjaga perdamaian di antara manajer departemen.

Gambar 5. Aplikasi menara pendingin nirkabel.

INTEGRASI PEMANTAUAN NIRKABEL DAN KONDISI
Sebagian besar sistem pemantauan kondisi memiliki opsi komunikasi ethernet untuk konektivitas jaringan. Ethernet adalah antarmuka nirkabel yang paling mudah beradaptasi jika dua pertimbangan diperhatikan:kecepatan data (bandwidth) dan latensi data. Pertimbangan ini terutama berperan ketika beberapa mesin jarak jauh dipantau. Penting untuk merancang jaringan RF yang secara efektif menjangkau semua situs jarak jauh sambil mempertahankan kecepatan data yang memadai. Jika jumlah mesin jarak jauh tinggi, mungkin yang terbaik adalah memasang sistem RF terpisah untuk memaksimalkan kinerja setiap sistem. Lokasi mesin dan struktur bangunan akan menentukan penempatan antena dan mungkin menjadi alasan lain untuk mempertimbangkan beberapa sistem RF. Banyak sistem industri juga mendukung pengulangan paket untuk membantu propagasi sinyal RF sambil juga menciptakan jerat penyembuhan sendiri. Terakhir, sangat penting bagi peralatan nirkabel untuk dirancang secara khusus untuk instalasi industri. Spesifikasi utama yang harus diperiksa adalah keluaran daya RF (lebih tinggi biasanya lebih baik), suhu pengoperasian, diagnostik internal, sertifikasi berbahaya (jika perlu), dan, mungkin yang paling penting, tingkat pengetahuan jaringan industri staf pendukung.

APLIKASI NIRKABEL
Pemantauan kondisi jarak jauh dapat menguntungkan hampir setiap industri di mana mesin elektromekanis sangat penting untuk produksi. Beberapa aplikasi di mana pemantauan kondisi nirkabel sangat efektif termasuk pemantauan pompa di instalasi pengolahan air limbah, drive yang digunakan pada rig pengeboran minyak/gas, drive di jalur perakitan di pabrik otomotif dan overhead crane di pabrik logam panas.

Salah satu aplikasi yang sangat menarik adalah pemantauan kipas pendingin pembangkit listrik.

Sebuah pembangkit listrik tenaga batu bara ingin memantau kipas pendingin mereka yang terletak di dasar menara pendingin mereka. Kipas pendingin dipasang di area yang sangat keras di mana uap panas selalu ada. Ketika kipas akan gagal, menara harus dimatikan untuk memungkinkan teknisi memperbaikinya, sehingga mengurangi output daya pembangkit, terkadang selama periode permintaan puncak. Dengan memasang sistem pemantauan kondisi, pabrik dapat menjadwalkan perbaikan kipas selama non-peak shutdown.

Sistem pemantauan kondisi relatif mudah dipasang, kecuali menara tersebut kekurangan infrastruktur jaringan ethernet. Biaya penarikan kabel serat optik diperkirakan lebih dari $100.000 dan akan memakan waktu lebih dari enam bulan untuk dipasang. Pembangkit listrik diselidiki menggunakan ethernet nirkabel dan menemukan bahwa biaya hanya sebagian kecil dari serat, dan dapat dipasang dalam waktu tiga minggu. Instalasi berjalan lancar dan sistem telah beroperasi dengan andal selama lebih dari lima tahun (lihat Gambar 5.)

RINGKASAN
Kemajuan dalam analisis getaran telah menghasilkan sistem pemantauan kondisi modern yang dapat meningkatkan produksi pabrik secara signifikan. Sayangnya, biaya jaringan perangkat ini bisa sangat tinggi atau tidak praktis. Teknologi nirkabel industri menawarkan alternatif untuk jaringan berkabel dan dapat menghasilkan biaya yang lebih rendah dan keandalan yang lebih baik. Perawatan harus diambil, meskipun, untuk memilih teknologi terbaik dan perangkat keras nirkabel untuk memastikan sistem yang sukses.