Zastosowanie technologii bezprzewodowej, a bezpieczeństwo personelu w zakładach przemysłowych

Transkrypt

1 Zastosowanie technologii bezprzewodowej, a bezpieczeństwo personelu w zakładach przemysłowych Wprowadzenie W dzisiejszych czasach zakłady przemysłowe wprowadziły wiele strategii poprawy bezpieczeństwa pracy i ochrony środowiska, dzięki czemu wypadki stały się, na szczęście, rzadkością. Niemniej jednak, nawet w dzisiejszej, względnie bezpiecznej, fabryce wymóg zapewnienia bezpieczeństwa całemu personelowi i wyprowadzenia go w przypadku niebezpiecznej awarii z terenu zagrożenia tak szybko jak to tylko możliwe jest kwestią priorytetową. W przypadku alarmu załoga musi przejść do wyznaczonych stref (zwanych punktami zbornymi ) i aż do niedawna metodami na kontrolę pracowników było podpisywanie list lub podbijanie kart. Metody ręczne zostały poprawione poprzez wprowadzenie kart z paskiem magnetycznym i czujników zbliżeniowych wykorzystujących pierwszą generację technologii RFID. Metody te są jednak jedynie elektronicznymi wersjami podpisywania listy i wciąż wymagają ręcznego meldowania się oraz odmeldowywania na terenie zakładu lub na placu zbiórki. Technologie RFID Do poradzenia sobie z problemem pamiętania o zgłoszeniu wejścia/wyjścia i do przyspieszenia zbiórki można użyć nowoczesnej technologii RFID. Wyróżniamy zasadniczo trzy typy dostępnych urządzeń RFID: Pasywne: Ten typ znacznika zazwyczaj pracuje w zakresie LF (niskiej częstotliwości) 125kHz, HF (wysokiej częstotliwości) 13,56 MHz lub UHF (ultrawysokiej częstotliwości) 868 MHz i nie posiada wewnętrznego źródła zasilania, ale prąd do zasilenia małego wbudowanego nadajnika radiowego indukuje dzięki polu elektromagnetycznemu. Znaczniki te przesyłają dane wyłącznie kiedy są odczytywane (w polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez czytnik) i nie pełnią żadnej innej funkcji, ponieważ są praktycznie bezprzewodowym kodem kreskowym. Warto jednak odnotować, że istnieją wersje umożliwiające również zapis na znaczniku. Typowy zasięg odczytu z tagu HF lub LF wynosi do kilkudziesięciu centymetrów, w zależności od użytych anten i mocy czytnika. Nowe znaczniki UHF wykonane w standardzie EPC Class 1 GEN2 można odczytać nawet z 6 metrów. Zaletą tych tagów jest niska cena oraz fakt, że nie wymagają konserwacji.

2 Rys. 1 Pasywne Tagi RFID Wspomagane pasywne: Ten typ znacznika wciąż jest technologią, w której nie istnieją żadne standardy międzynarodowe, choć pewna grupa firm dąży do ich stworzenia. Tag wyposażony jest w małą baterię pastylkową wspomagającą zasilanie nadajnika, co w teorii pozwala na osiągnięcie zasięgu do 50m, choć w praktyce większość urządzeń nie zbliża się nawet do tego wyniku. Znacznik wciąż ma bardzo ograniczone działanie i nie oferuje żadnych funkcji poza przesyłaniem swojego ID. Cena jest oczywiście wyższa niż urządzeń pasywnych, a sam tag musi być wymieniony po rozładowaniu baterii, ponieważ jest ona zamontowana na stałe. Aktywne: Ten typ znacznika jest dostępny w wielu wariantach i standardach, a typowe częstotliwości pracy wynoszą 868 MHz, 2,4 GHz lub 3 do 6 GHz. Zasilanie stanowi znacznie pojemniejsza bateria, zazwyczaj ogniwo litowo-jonowe co oznacza, że w znaczniku można umieścić wydajny mikroprocesor, który udostępni wiele nowych funkcji takich jak czujnik ruchu, pomiar temperatury czy przycisk alarmu. Ta dodatkowa moc dla transmitera oznacza, że tag może przesyłać dane na odległość do 200m w ustalonych odstępach czasowych lub w przypadku urządzeń jak Extronics itag100, zawierać odbiornik LF 125 khz, dzięki któremu znacznik może zostać zdalnie zmuszony do transmisji sygnału potwierdzającego obecność, kiedy znajdzie się w zasięgu odpowiedniego czytnika, zwanego wzbudnikiem. Zasięg odczytu znacznika wynosi w tym przypadku 6m od wzbudnika. Ten typ tagów musi mieć baterie wymieniane co jakiś czas, zależnie od liczby wykonanych transmisji, a ze względu na swoją rozszerzoną funkcjonalność kosztuje więcej. Żywotność baterii sięga 4 lat, ale może to być dużo mniej jeśli transmisje wykonywane są bardzo często.

3 Rys. 2 Aktywny itag WiFi (model itag100) Rys. 3 icite100 LF Exciter 100% niezawodność odczytu jest niezbędna w zastosowaniach ewakuacyjnych Przy wykorzystaniu technologii RFID do organizowania zbiórki po ewakuacji, najważniejszą cechą jest niezawodność odczytu. Nie ma sensu stosowanie systemu, w którym pewność nie będzie stuprocentowa, gdyż może to oznaczać, że któraś osoba omyłkowo zostanie uznana za zaginioną. Znaczniki pasywne oraz wspomagane nie są dostatecznie dokładne by móc je stosować w tych systemach. Spowodowane jest to tym, że moc czytnika nie jest wystarczająca, by fale radiowe spenetrowały ludzkie ciało, które składa się w ponad 70% z tłumiącej sygnał wody. Jest to spory problem zważywszy, że tagi mają być noszone właśnie przez ludzi. Istnieją możliwe rozwiązania, takie jak umieszczanie znacznika na ekwipunku ochronnym (np. na kaskach) i montowanie czytników na suficie, ponad czynnikami tłumiącymi. Nie jest to jednak rozwiązanie optymalne, a bardziej obchodzenie problemu, w dodatku i tak nie dające dostatecznie wysokiej niezawodności. Aktywne znaczniki z kolei mają o wiele mocniejsze nadajniki, umożliwiające przejście sygnału przez ciało i mogą być zaprogramowane do wysyłania więcej niż jednego zgłoszenia po znalezieniu się w zasięgu czytnika, osiągając tym samym niemal 100% niezawodność wymaganej w zautomatyzowanych systemach zbiórki. Stacje zbiórki i wejścia/wyjścia ze stref Stacja zbiórki zazwyczaj posiada jeden lub więcej czytników w strategicznych punktach wokół placu, na który personel udaje się w wypadku alarmu ewakuacyjnego. Użycie dwóch czytników lub anten umożliwia ustalenie kierunku ruchu osoby posiadającej znacznik, zatem pozwala na liczenie osób wchodzących w pewne obszary zakładu, takie jak wejścia i wyjścia ze strefy. Innymi zaletami tej technologii jest możliwość liczenia ludzi na łodziach ratunkowych lub przechodzących przez most na platformach przybrzeżnych.

4 Rys. 4 Stacja zbiórki korzystają z LF Exciter Zautomatyzowana zbiórka nie rozwiązuje wszystkich problemów Jeśli po zakończeniu zbiórki wszyscy będą obecni, to nie ma problemu. Ale jeśli wybuchnie pożar lub dojdzie do wycieku chemicznego, a ktoś nie stawi się w punkcie zbornym, służby ratunkowe muszą spróbować go odnaleźć. Gdzie więc szukać zaginionych pracowników? Rozwiązanie tego problemu jest obecnie kluczowym celem specjalistów BHP w zakładach przemysłowych. Najbardziej oczywistym rozwiązaniem jest zainstalowanie olbrzymiej liczby czytników, żeby móc ustalić pozycję osoby na podstawie ostatniego urządzenia obok którego przeszła. Ta technika często jest stosowana w kopalniach, gdzie tunele lub sekcje tuneli są jedynymi miejscami, w których mógł zaginąć dany człowiek. Jednak w zakładzie przemysłowym, takim jak rafineria lub fabryka chemiczna ta metoda jest niepraktyczna, ponieważ wymagałaby rozmieszczenia na całej powierzchni nieekonomicznej liczby czujników, gdyż ludzie mogą tam pójść w każdą stronę. Także rozdzielczość pozostawiałaby wiele do życzenia - w najlepszym wypadku można by było ustalić strefę lub obszar zakładu. Pragnienie dyrektorów zakładów, którzy chcieliby śledzić swoją siłę roboczą i znać ich położenie z dokładnością do kilku metrów, staje się coraz bardziej nieodparte, ze względu na rosnące wymagania prawne, mające na celu ochronę dobrobytu pracowników. Możliwość dokładnego wskazania położenia osoby, która nie dotarła do punktu zbiórki oznacza, że służby ratunkowe mogą zostać wysłane w konkretne miejsce i podjąć akcję ratunkową w najkrótszym możliwym czasie. Użycie tej technologii minimalizuje konieczne zasoby i ogranicza narażenie ekipy ratunkowej na niebezpieczeństwa, a tym samym zwiększa szansę powodzenia akcji. Rys. 5 Strefa wejścia i wyjścia monitorowana przez LF Exciter

5 Gdzie są zaginione osoby? Technologie bezprzewodowe istniejące od ponad dekady są obecnie dobrze rozwinięte i wystarczająco dojrzałe, by przeskoczyć ostatnią przeszkodę stojącą na drodze procedur ewakuacyjnych. Istnieje kilka technologii umożliwiających śledzenie położenia w czasie rzeczywistym, które można zastosować bazujące na jednej lub kilku zasadach lokalizacji, każda z pewnymi zaletami i wadami. Czy to konieczność stosowania sprzętu od jednego producenta, praca tylko na zewnątrz lub tylko wewnątrz pomieszczeń, dokładność zaburzana przez odbicia fal radiowych lub też wygórowana cena. Zazwyczaj żadna z technologii nie jest w stanie w pełni rozwiązać problemu. Zasady lokalizacji w czasie rzeczywistym Podstawowymi zasadami sterującymi działaniem systemów lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) są: wskaźnik mocy odebranego sygnału (RSSI) i różnica czasu odebrania (TDOA). Wskaźnik mocy odebranego sygnału podaje siłę sygnału urządzenia nadawczego mierzoną przez odbiornik. Rys. 6 Lokalizowanie tagów korzystając z zasady RSSI Wartość RSSI nadajnika jest mierzona przez odbiornik taki jak Access Point WiFi, a lokalizacja jest ustalana na podstawie stosunku siły sygnału do odległości. Jeśli RSSI mierzone jest przez co najmniej trzy odbiorniki, lokalizacja jest obliczana na podstawie skrzyżowania tych odległości od odbiorników (których położenie jest znane). Ze względu na to, że używana zależność jest nieliniowa, reguła RSSI może być efektywnie stosowana jedynie na krótszych dystansach. Dokładność może zostać zaburzona przez propagację wielościeżkową spowodowaną odbiciem fal od twardych powierzchni, takich jak struktury metalowe.

6 Tłumaczenie opisów na wykresie: Distance [m] Odległość [m], Doubling the distance is a charge of 6dB (open space) Dwukrotne zwiększenie odległości jest skutkiem wystąpienia 6dB (teren otwarty). Reszta zostaje. Rys. 7 Zależność RSSI odległość Inną często spotykaną metodą lokalizacji jest różnica czasu odebrania (TDOA), która polega na ustaleniu pozycji obiektu poprzez dokładne zmierzenie czasu, jaki zajmuje sygnałowi radiowemu (poruszającemu się z prędkością światła w danym ośrodku) podróż do odbiornika umieszczonego w znanym miejscu. Czas odebrania (TOA) sygnału nadajnika jest mierzony przez przynajmniej trzy zsynchronizowane odbiorniki. Pozycja nadajnika jest ustalana przez obliczenie TDOA sygnału tych odbiorników i użycie tego do triangulacji. Kiedy nadajnik wyśle sygnał, dociera on w nieco różnym czasie do dwóch oddalonych od siebie odbiorników. Dla danej lokalizacji dwóch odbiorników, cała seria lokalizacji nadajnika dałaby taką samą wartość TDOA. Przy znanych pozycjach dwóch odbiorników i znanym TDOA, możliwe lokalizacje urządzenia nadawczego tworzą hiperbolę. Odbiornik w trzecim miejscu zapewniłby drugą wartość TDOA i drugą hiperbolę możliwych położeń.

7 Tłumaczenie do rysunku: wszystkie Receiver na Odbiornik, Transmitting Device s Location na Położenie nadajnika. Reszta bez zmian Rys. 8 Krzywe hiperboliczne wskazujące możliwe różnice w odległościach. Załóżmy nieznany nadajnik X i znane odbiorniki A, B i C. TDOA między parami odbiorników wylicza się następująco: TDOA(B-A)= TB-TA TDOA(C-A)= TC-TA Krzywe hiperboliczne wyznaczają wszystkie możliwe punkty o stałej różnicy odległości od obu odbiorników. Przecięcie dwóch lub więcej hiperbol określa pozycję nadajnika. Reguła TDOA wykazuje dużo większą tolerancję na problemy wielościeżkowości napotykane w zakładach przemysłowych, ponieważ do tej metody da się zaaplikować zaawansowane algorytmy pomiarowe. Inną wartą wspomnienia metodą jest kąt odebrania (AOA), w której to lokalizacja jest ustalana przez pomiar kąta, pod którym sygnał dociera do położonego w znanej pozycji odbiornika. Metoda ta nie jest powszechnie używana, ponieważ nie oferuje żadnych realnych korzyści, których nie dawałyby TDOA i RSSI, wymaga specjalnych anten i całkowity koszt wymaganego osprzętu jest w niej generalnie wyższy. Technologie lokalizacji w czasie rzeczywistym Technologią lokalizacji z którą stykamy się na co dzień jest GPS, który na otwartej przestrzeni pozwala uzyskać niepewność pomiaru położenia wynoszącą mniej niż 10m, dzięki odbieraniu sygnałów z trzech satelitów i użyciu algorytmu różnicy czasu odebrania (TDOA). GPS nie działa niestety w budynkach, ponieważ sygnał radiowy nie jest dostatecznie mocny by spenetrować konstrukcję i potrzebuje jakiegoś rodzaju sieci bezprzewodowej by zaktualizować ostatnie znane położenie, gdyż satelity GPS są jedynie nadajnikami.

8 Rys 9 Lokalizowanie za pomocą systemu GPS. Na rynek wchodzą nowe produkty, takie jak telefony komórkowe z modułem GPS, czuwaki i przyciski alarmowe. Inną powszechną technologią jest WLAN lub WiFi, które większość z nas ma w domu lub biurze. Jeśli pewna liczba Punktów Dostępu zapewnia pokrycie sygnałem całego obszaru, możliwe jest użycie wskaźnika mocy odebranego sygnału (RSSI) do obliczenia pozycji znacznika dzięki zastosowaniu triangulacji podobnie jak w przypadku GPS, jedynie z wykorzystaniem siły sygnału. Ta metoda lokalizacji działa we wnętrzach z dokładnością do 5m oraz na zewnątrz, choć z dużo gorszą rozdzielczością. Przyczyną tego jest fakt, że stosunek między mocą sygnału WiFi a odległością powyżej 50m przyjmuje charakter wykładniczy, a koszt instalacji gęstej siatki Punktów Dostępu byłby zaporowy. Tak gęsta sieć jest ponadmiarowa i zupełnie zbędna dla większości mobilnych urządzeń czy aplikacji zliczających, gdzie umieszczenie Punktu Dostępu co metrów nie zapewni odpowiedniej funkcjonalności. Niektórzy producenci stworzyli również własne odbiorniki, wyposażone w funkcję TDOA, które pozwalają na pracę w otwartym terenie zapewniając dokładność poniżej 5m na dystansie do 200m. Jedyną wadą jest własna infrastruktura, która w przeciwieństwie do WiFi nie może zostać wykorzystana do innych celów, co oznacza, że zwrot kosztów inwestycji nastąpi po zdecydowanie dłuższym czasie niż w przypadku systemu opartego o WLAN.

9 Rys. 10 Telefony EX z systemem GPS Niektóre firmy wymagają systemu lokalizacji o rozdzielczości poniżej 5m do użytku w gęsto zabudowanym metalowym otoczeniu jakie występuje np. w rafineriach, gdzie niemożliwe jest dostrzeżenie osoby z odległości przekraczającej kilka metrów. W pomieszczeniu 100x50x50m pełnym metalowych rur, zaworów, kładek i schodów jedyną technologią zapewniającą ten poziom dokładności jest Ultra WideBand (UWB). Ta metoda (działająca na podobnej zasadzie co radar) potrafi zapewnić niepewność pomiaru nieprzekraczającą 1m, a w niektórych przypadkach nawet lepszą. Inną zaletą tej technologii jest (przy odpowiednim rozmieszczeniu odbiorników) możliwość lokalizacji w 3D. Stosuje do tego techniki TDOA i AOA. Jednakże wymagana gęstość rozmieszczenia odbiorników może sprawić, że wykorzystanie UWB na terenie całego zakładu będzie nieopłacalne. Zapewnienie ekonomicznego rozwiązania problemów zbiórek jest obecnie możliwe i bardzo praktyczne, ale jakie rozwiązanie pozwoli na ekonomiczną lokalizację i śledzenie pracowników w całym zakładzie? Trudno sobie wyobrazić firmy inwestujące olbrzymie pieniądze w możliwość ustalenia położenia pracownika z dokładnością do 1m, zwłaszcza jeśli nie jest to konieczne. Obecnie powszechnie przyjmuje się że WiFi jest dobrą inwestycją w przemyśle i może poprawić nawyki pracy, wydajność oraz bezpieczeństwo. Zakłady przemysłowe zaczynają dbać o pokrycie sygnałem WiFi głównie do celów transmisji danych i dźwięku. Użycie sieci WiFi jako podstawy systemu lokalizacji ma sens, ponieważ sieć już istnieje i jest wykorzystywana też do innych celów, więc inwestycja szybko się zwraca.

10 Rys. 11 Lokalizacja za pomocą sieci WiFi Rys. 12 Obudowa na Punkt Dostępu iwap103 Najnowocześniejsze znaczniki łączą w sobie technologie GPS i UWB z WiFi i LFR, zapewniając doskonałe rozwiązanie do lokalizacji na dużych obszarach. Tam, gdzie dokładność pomiaru z wykorzystaniem sygnału WiFi nie jest wystarczająca, jak na dużych otwartych obszarach zewnętrznych z małą gęstością siatki Punktów Dostępu, użyty zostanie moduł GPS. Tam, gdzie wymagana będzie rozdzielczość poniżej 1m (na przykład w działach przetwórstwa z masą rur, zaworów i kładek, które powodują konieczność dokładnego wskazania położenia osoby) można zainstalować odbiorniki UWB. Najbardziej praktycznym i rozsądnym finansowo podejściem do kwestii wyboru RTLS (systemu lokalizacji w czasie rzeczywistym) jest zastosowanie podejścia modułowego i dobranie metody wyznaczenia położenia do własnej oceny wymaganej w danym obszarze dokładności, co pozwoli utrzymać koszt całego systemu na minimalnym poziomie. Rys. 13 Tagi zliczające GPS, LFR i WiFi. Zaawansowane funkcje bezpieczeństwa Aktywne tagi z mocnymi mikroprocesorami pozwalają na dodanie zaawansowanych funkcji bezpieczeństwa do standardowych możliwości lokalizacyjnych. Czujnik ruchu jest używany do sygnalizacji omdlenia i uruchomi alarm, jeśli ruch nie zostanie wykryty przez określony czas. Przycisk umieszczony na znaczniku może pozwolić pracownikowi na wezwanie pomocy. Istnieją też

11 zaawansowane rozwiązania, takie jak wbudowane monitory funkcji życiowych SmartLife Technology, rejestrujące stale najważniejsze oznaki życia, takie jak EKG, oddech, tętno i temperatura ciała, a także zgłaszające alarm jeśli któraś z tych wartości przekroczy normę. Te nowoczesne technologie pozwalają na pracę samotnego pracownika tam, gdzie normalnie wymagany byłby kolega, ponieważ jego bezpieczeństwo jest nadzorowane z centrali. Zaawansowana ochrona pracownika oraz olbrzymia oszczędność pieniędzy to główne argumenty za inwestycją w systemy zautomatyzowanej zbiórki i lokalizacji personelu. Rys. 14 Kamizelka z systemem Smartlife dla monitoringu funkcji życiowych. KONTAKT Dacpol dacpol@dacpol.eu WWW: Tel: Fax: Adres: Puławska 34

12 Piaseczno