Artikel – Draadloze sensoren nog niet zaligmakend
De fabriek van de toekomst ziet er wellicht totaal anders uit dan de huidige fabrieken, als we de beloftevolle berichtgevingen mogen geloven. Denk bijvoorbeeld aan intelligente zelfsturende systemen die communiceren via minuscule draadloze sensoren die zichzelf voorzien van energie. Sensoren die efficiënter, slimmer, sneller, betrouwbaarder én goedkoper worden. Moeten we met z’n allen investeren in draadloze technologie of toch nog even wachten? Voor PT Industrieel Management sprak ik met professor Electrical Engineering Peter Baltus van de TU Eindhoven. Als het aan hem ligt, kun je beter niet kiezen voor draadloos als het niet hoeft.
Zoekt u een journalist/tekstschrijver/redacteur voor uw medium? Neem gerust vrijblijvend contact op om de mogelijkheden te bespreken.
Draadloze sensoren nog niet zaligmakend
Als je naar snelheid, functionaliteiten en betrouwbaarheid van sensoren kijkt – en daarbij draadloze sensoren in het bijzonder – is er de afgelopen jaren veel vooruitgang geboekt. ‘En de horizon reikt nog veel verder dan we nu kunnen zien’, stelt Peter Baltus, professor Electrical Engineering aan de TU Eindhoven. Hij is naast professor ook directeur van het CWTe, wat staat voor Center for Wireless Technology Eindhoven. Onlangs opende het CWTe een aantal nieuwe laboratoria waar onder meer onderzoek wordt gedaan naar sneller, goedkoper en zuinigere wifiverbindingen, en minuscule, goedkope draadloze sensoren die weinig tot geen stroom nodig hebben.
‘Als je kijkt naar waar we tien jaar geleden stonden met draadloze technologie, en waar we nu staan, dan hebben we al een enorme sprong voorwaarts gemaakt’, stelt Baltus. ‘Sensoren waren groot, traag, duur en bijna altijd met draadjes verbonden. Afhankelijk van de toepassing begon geleidelijk aan de intrede van eenvoudige draadloze sensoren die bijvoorbeeld buiten de temperatuur konden meten terwijl het weerstation binnen stond. Ook industriële toepassingen met draadloze sensoren kwamen geleidelijk op de markt, zij het met een beperkte reikwijdte, niet zo betrouwbaar en vooral enerverend traag.’
Traag is geen optie meer voor de huidige producerende industrie, vindt Baltus. ‘Door de opkomst van Internet of Things neemt niet alleen het gebruik van sensoren toe, ook de functie ervan is gewijzigd. Ze zijn niet louter meer informatieverstrekkers maar worden steeds vaker onderdeel van een compleet systeem waarbij de informatie van een sensor wordt gebruikt om iets te regelen of besturen. Vanaf het moment dat niet de mens, maar een machine de informatie moet verwerken en actie dient te ondernemen, is snelheid – en daarnaast ook de stabiliteit – veel en veel belangrijker geworden.’ Baltus geeft een voorbeeld: ‘Neem schokdempers in auto’s, een onderzoek waar we momenteel mee bezig zijn. Om deze zo effectief mogelijk te laten functioneren, moeten gegevens over de beweging van de wielen bliksemsnel worden doorgegeven aan de dempers die hierop moeten reageren, nog vóór de volgende kuil in de weg volgt. Dit is nog een eenvoudig voorbeeld. Productiebedrijven werken vaak met veel complexere systemen zoals productielijnen die snel draaien en daarbij trillingen genereren die heel snel moeten worden gedetecteerd en opgevangen om de ongewenste beweging te compenseren. Informatie moet met andere woorden in heel korte tijd – dan praten we over duizendsten van seconden – worden doorgegeven om daar nog iets mee te kunnen.’
Snel sneller snelst
De snelheid ligt momenteel op pakweg een aantal milliseconden reactietijd: een paar duizendsten van seconden is haalbaar. ‘Dit moet nog veel sneller. In het laboratorium hebben we inmiddels snelheden behaald tot 50 microseconden, 50 miljoenste deel van een seconde. Dat is de richting die het met sensoren uitgaat en ook uit moet gaan. Voor mensen maakt het niet uit of het signaal in 2000ste of 10.000ste seconden aankomt – hersenen hebben meer tijd nodig om de informatie te verwerken – maar als onderdeel van een groter besturingssysteem bij producerende bedrijven levert snelheid ook meteen geld op.’
Eindig
Allemaal over op draadloos? Absoluut niet, stelt Baltus. ‘Zaligmakend zijn de huidige draadloze sensoren nog niet, dus als het niet hoeft, kies dan voorlopig nog voor een oplossing aan een draadje.’ Hij legt uit waarom: ‘We krijgen, hoe je het ook wendt of keert, steeds meer draadloze systemen en sensoren, een trend die definitief lijkt door te zetten. Deze systemen gebruiken allemaal dezelfde lucht om radiogolven doorheen te sturen. Hoe meer draadloze systemen, hoe groter de kans dat deze systemen elkaar zouden kunnen gaan storen. Daarnaast willen we allemaal snellere systemen. Hogere snelheden vergen meer bandbreedte en gebruiken dus een groter gedeelte van het radiokanaal dat niet oneindig is. Wederom kans op storingen.’ Als dat nog niet genoeg is, kunnen ook de machines zelf voor het nodige ongemak zorgen. Baltus geeft een voorbeeld uit de praktijk: ‘Een bedrijf met een machine die heel snel en nauwkeurig moet bewegen en daardoor draadloze sensoren had geïmplementeerd, klopte bij ons aan. Informatie moest van een sensor naar het bewegende deel van de machine worden overgebracht en omgekeerd, maar voortdurend traden storingen op. Na onderzoek bleken niet de sensoren, maar de machine zelf de storingen te veroorzaken. Machines die onder grote stromen of hoge spanningen staan, zenden soms onbedoeld radiosignalen uit. Als de signalen groter zijn dan de signalen die de sensoren uitzenden en opvangen, wordt het heel lastig om dit betrouwbaar te kunnen uitvoeren. Dat is een probleem dat in de toekomst nog veel vaker zal optreden. In de maakindustrie worden steeds meer systemen elektrisch bestuurd en dat zal ook leiden tot meer storingen.’
Kopzorgen
Voor dit probleem bestaat momenteel nog geen eenvoudige oplossing. ‘Fabrikanten zijn er nog niet op ingesteld om kwantitatief aan te geven hoeveel storingen hun machines eigenlijk veroorzaken terwijl toeleveranciers van sensorsystemen evenmin uitblinken in het kwantificeren hoeveel storingen hun sensorsysteem kan verdragen. Het gaat langzaam de goede kant uit, maar er zijn nog enorme stappen te maken. Het is op dit moment gewoonweg nog niet goed te voorspellen wat er gebeurt als je een hypermodern draadloos sensorsysteem wil implementeren in je productie. Het kan perfect werken, maar het kan ook een hoop kopzorgen met zich meebrengen voor diegene die dat wil inbouwen en werkend wil krijgen.’
Alarm
Hoe kun je hier dan het beste mee omgaan? Baltus: ‘Zoals eerder gezegd, kies niet voor draadloos als het niet hoeft. Is er geen andere optie door bijvoorbeeld wrijving, snelheid en dus snelle slijtage van bedrading, doe gedegen vooronderzoek. Er zijn laboratoria die aanbieden om storingen die machines genereren, te meten. Er wordt dan getest op verschillende frequenties waarbij wordt gemeten hoeveel storingen er gemiddeld op bepaalde frequenties worden gegenereerd op een bepaalde afstand van het apparaat. Sensorsystemen werken op een bepaalde frequentie, dus vooraf kan men alvast meten of er daadwerkelijk interferenties zullen zijn. Let wel, het gaat hier om gemiddeldes. Genereert een machine af en toe pieken en daarnaast weinig of geen storingen, dan kan de realiteit nog steeds heel anders uitpakken. Stel dat sensoren juist worden gebruikt om te voorkomen dat bepaalde grenzen worden overschreden en om de drie seconden zorgt de machine voor een piek. Dan slaat het systeem voortdurend onnodig alarm waardoor productie niet mogelijk is.
Het is wellicht geen reclame voor mijn business, maar bedrade sensoren zijn niet alleen goedkoper, maar ook veel betrouwbaarder dan de huidige draadloze technologie.’
Drie richtingen
Voorlopig althans. De onderzoeksgroep van Baltus doet er alles aan om de situatie om te buigen in het voordeel van draadloos. ‘Er zijn een aantal verschillende technologieën die we onderzoeken. Ten eerste gaan we na of hogere frequenties een optie zijn. In het algemeen is de frequentie waarop een radioverbinding wordt gemaakt aan de bovenkant beperkt door de technologie en elektronica die we hebben om zenders en ontvangers te maken. Die elektronica wordt steeds beter waardoor we ook op steeds hogere frequenties radiozenders en ontvangers kunnen maken. Die hogere frequenties zijn vaak minder gebruikt of niet gebruikt, dus dat is een voor de hand liggende richting om meer en sneller te communiceren.’
Een tweede mogelijke oplossing is om de afstanden kleiner te maken tussen de zenders en ontvangers. ‘In plaats van één basisstation in een gebouw te plaatsen, kan voor iedere ruimte of iedere machine een basisstation worden geplaatst. Dit verkleint de afstand waarover moet worden gecommuniceerd en verlaagt de kans op storingen tussen de verschillende draadloze systemen.
De derde richting waarnaar de TU/e kijkt, is het bundelen van radiosignalen. ‘Tot nog toe is het heel gebruikelijk bij draadloze sensoren om signalen alle kanten uit te sturen omdat we niet weten waar ze exact heen moeten. Dat is in feite een enorme verspilling. Het signaal dat aankomt, is ten eerste heel zwak waardoor het niet mogelijk is om er heel veel informatie in te coderen. Ten tweede zendt de zender ook signalen uit naar systemen die helemaal niet geïnteresseerd zijn in wat er wordt uitgezonden en die dit als hinder ervaren. Door de radiosignalen te bundelen – denk aan hoe je licht in een zaklamp bundelt – en die bundel de goede kant op te richten, kun je beide problemen oplossen: Een sterker signaal bij de ontvanger die minder storing genereert. Het is daarbij wel nog de uitdaging om dit te realiseren in een omgeving die mogelijk verandert, waarbij de ontvanger niet statisch is of waar obstakels – mensen bijvoorbeeld – tussen zender en ontvanger kunnen staan.’
Millimeters
Het onderzoek is nog volop gaande. Hoewel er momenteel nog een aantal bottlenecks is, ziet Baltus veel potentieel in draadloze sensortechnologie. ‘De weerzin om kabels te trekken die alle systemen in de productieomgeving verbinden, groeit. Men wil graag snel kunnen installeren en de flexibiliteit behouden om opstellingen eenvoudig te kunnen veranderen. En we werken er natuurlijk hard aan om ervoor te zorgen dat draadloze sensoren dichter in de buurt komen van bedrade sensoren voor wat betreft betrouwbaarheid en kosten.’
‘Een van onze onderzoeksgebieden – dat bijdraagt aan het terugvoeren van de kosten – richt zich op het ontwikkelen van systemen waarbij de draadloze sensoren hun energie via het draadloze signaal krijgen zodat er geen batterij meer aan te pas komt. Hoe dit kan? Snellere verbindingen zenden meer energie uit en daar willen we op een slimme manier gebruik van maken. We zijn nog in de onderzoeksfase, maar technologieën zoals het bewust oversturen van energie – eventueel zonder informatie – in een heel smalle, goed gerichte bundel, en een “scheve” verhouding tussen de tijd dat een sensor energie ontvangt (bijvoorbeeld 1 milliseconde) en uitzendt (bijvoorbeeld 0.1 microseconden), kunnen er wellicht voor zorgen dat sensoren op termijn zonder batterijen kunnen functioneren. Ze functioneren dan puur op het radiosignaal dat ze ontvangen. En als dat kan – wellicht over tien jaar – zijn er geen batterijen meer nodig, vergen ze minder onderhoud, worden ze ontzettend goedkoop én veel kleiner, tot een ordegrootte van enkele millimeters. De betrouwbaarheid blijft een uitdaging, maar ook daar zijn nog stappen te maken. Als dat lukt, dan zal draadloze technologie exponentieel toenemen.’