EO

The show must go on

26 maart 2020 om 11:50 uur

De hele wereld is op het moment van schrijven in de ban van de Covid-19 crisis. Wellicht is het daarom goed om een voorbeeld te geven van hoe men eventueel om kan gaan met deze situatie. Uiteraard put ik hier uit mijn eigen ervaringen op de Universiteit Twente. In deze blog wil ik dan ook ingaan op het op afstand werken, en dat zelfs gebruikmakend van meetapparatuur die aangesloten is op de Universiteit.

 

Door: Niek Moonen, Universiteit Twente 

 

Er zijn vele methodes om op afstand te werken en zo dus ook vele oplossingen voor het mogelijk stilvallen van onderzoek of arbeid. Een van de meest voorkomende oplossingen zal waarschijnlijk een Virutal Private Network (VPN) zijn, waarmee men eigenlijk zijn computer registreert op het ‘lokale netwerk' vanaf ergens anders ter wereld. Mocht er meetapparatuur zijn aangesloten op het lokale netwerk en de toegang van buitenaf is geblokkeerd, dan is deze nu adresseerbaar.


Organisaties en hun ICT afdeling - als ze die al hebben - zien nu (tijdelijk) een gigantische toename aan VPN connecties. Hier is de data infrastructuur vaak niet op ingericht, wat kan leiden tot trage verbindingen en uiteindelijk tot grote frustratie bij gebruikers. In het geval van een organisatie als een universiteit staat er een aantal servers ter beschikking om dataverkeer te verwerken en dus als doorgeefluik te fungeren, maar hoe te meer gebruikers, des te meer data.

 

USB-aangesloten oscilloscopen

Een alternatief voor een VPN is daadwerkelijk fysiek een computer in het netwerk te hebben en deze van afstand te besturen. In het voorbeeld waarbij we gebruik maken van USB-aangesloten oscilloscopen, maken we onderscheid met betrekking tot rekenkracht. In het eerste voorbeeld zullen we de oscilloscoop verbinden via een Raspberry Pi (RP4) en het tweede voorbeeld een remote desktop-verbinding (RDP) met een lokale (krachtige) computer.


Maar voordat we verdergaan op de meetopstellingen een korte uitleg over de context waarin deze ontwikkelingen plaatsvinden. Zoals al in een eerdere blog is uitgelegd, zijn Scent en Etopia [dezevl projecten hebben financiering gekregen van het EU Horizon 2020 programma onder de Marie Sklodowksa Curie Grant Agreement nummer 812391 en 812753] bezig met het begrijpen en ontwikkelen van nieuwe meettechnieken die storingen in een nieuw daglicht plaatsen. Met de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen is het aantal meldingen van elektrische storingen in huishoudens en bedrijven toegenomen, zoals tijdens het PhD traject van Roelof Timens naar voren kwam. De volgende sectie zal een casus behandelen met daarin het cumulatieve storingsgedrag van een groot aantal apparaten in een gebouw.

 

Conducted EMI

In Figuur 1 (rechtsboven) is het relatief nieuwe gebouw van de Universiteit Twente te zien, waar een meting is uitgevoerd voor en na ingebruikname.

2 Figuur 2: De drie fases gemeten voor (links) en na (rechts) ingebruikname van het gebouw

 

In Figuur 2 is hiervan het resultaat te zien, en wat direct opvalt is de verstoring van de spanningskwaliteit. Deze vermindering van Power Quality (PQ) is een typisch fenomeen dat optreed in het domein van Conducted EMI. Deze kwaliteitsvermindering wordt al enkele jaren geobserveerd, maar directe oplossingen ter verbetering zijn lastig te vinden, waarbij Figuur 3 laat zien waarom dit lastig is.

3Figuur 3: De oorsprong van een storing is over een groot netwerk lastig te lokaliseren en de uitdaging ligt dan ook in niet repetitieve storingen.

 

Net als bij de meting van Figuur 2, observeert men vaak alleen aan het begin van het netwerk dit gedrag, terwijl de origine van de storingen verder down the line liggen. Door systematisch metingen uitvoeren, kan men repetitieve storingen traceren en lokaal oplossingen aanbieden. De nadruk ligt hier op repetitief, omdat de storing moet optreden in elk van de nieuwe metingen en dus op verschillende momenten in tijd.

4Figuur 4: a) voltage dip; b) voltage surge; c) voltage fluctuation; d) harmonic voltage distortion; e) Transient voltage; f) voltage unbalance (three phase voltage system)

 

In Figuur 4 is een korte samenvatting gegeven van veel voorkomende Conducted EMI fenomenen. Hieraan is duidelijk te zien dat ze variëren over tijd, en dus niet direct repetitief zijn, maar deze storingen veroorzaken wel vele problemen. De systemen die in de volgende secties zijn beschreven, zijn dan ook ontwikkeld met het oog op het meten van dit tijd variërende gedrag van deze storingen.

 

Etopia - Raspberry Pi

In het geval van de Raspberry Pi (RP4), is er een mogelijkheid gecreëerd om (relatief) goedkoop vele meetpunten gedistribueerd in een complex systeem op te zetten (Figuur 5).

5Figuur 5: Flexibel meetsysteem inzetbaar op vele locaties tegelijk


De data-infrastructuur is hier goedkoop gehouden, maar dat betekent ook dat de rekenkracht (en dus de online dataverwerking) zeer gelimiteerd zijn. Tijdens langdurige of continue metingen is een enkele RP4 node tot net onder zijn maximale rekenmogelijkheid belast door het acquisitie systeem en de datadistributie.


De data die vergaard wordt met dit systeem wordt in ruwe vorm doorgestuurd via de TCP/IP protocollen en verzameld op de Master node, wat over het algemeen een standaard computer is. Hier komen dus meerdere datastromen tegelijkertijd binnen met zeer gedetailleerde tijdsindicatoren. Achteraf, via zogenaamde post-processing, kan dan informatie vergaard worden over (in ons geval) storingen die aanwezig zijn in grote en complexe energiedistributienetwerken. Een van de mogelijke applicaties is dus het achterhalen van een locatie van een onbekende stoorbron. Denk hierbij bijvoorbeeld aan een groot gebouw met zeer veel parallelle aftakkingen die niet allemaal op dezelfde locatie zijn geplaats. Dit komt bijvoorbeeld voor in ziekenhuizen, scholen, bedrijfspanden, etcetera.


Deze ontwikkeling van een gesynchroniseerd, gedistribueerd meetsysteem is onderdeel van het Etopia project. Het is mooi om te zien dat door deze op afstand bestuurbare meetmethode er geen vertraging in de ontwikkeling van het project plaatsvindt. Een meer gedetailleerde omschrijving, en voorlopige resultaten van dit meetsysteem zullen later gepubliceerd worden. In het kader van ‘the show must go on' wordt hier alleen de mogelijkheid gepresenteerd. Nadruk ligt dan ook op het gebruik van goedkope single board computers (SBC's) als netwerk interface, die wellicht afwezig is op de meeste meetapparatuur. Het zorgt ook voor een verlichting van de druk op de VPN servers, aangezien deze belasting nu verdeeld wordt op elke individuele SBC.


Lezers die bekend zijn met de RP4 zullen misschien terecht opmerken dat men ook een SBC kan gebruiken om een persoonlijke VPN verbinding op te zetten. Uiteraard ook een goed alternatief, maar wellicht lastig goed te beveiligen of niet toegestaan door de organisatie. Een RDP of een secure shell connectie (SSH) is daarentegen veelal wel geoorloofd. In het volgende stuk ga ik verder in op een verbinding met een RDP, wat in dit geval een laptop is die fysiek op de Universiteit Twente aanwezig is.

 

Scent - Remote Desktop

In deze op-afstand-werken oplossing, wordt er ook gebruik gemaakt van de rekenkracht van de aangesloten computer. Acquisitie van golfvormen en de digitale signaal verwerking hiervan kan asynchroon plaatsvinden, wat eigenlijk betekend dat er real-time een verwerking kan plaatsvinden. Real time verwerking is bijvoorbeeld nodig als men power quality(PQ) wil analyseren met behulp van een oscilloscoop over meerdere dagen zonder een gigantische hoeveelheid aan data op te slaan, om achteraf post-processing te doen.

 

Figuur 6 laat zien hoe op dit moment een test opstelling is gebouwd. Vanuit het thuiskantoor (de keukentafel) wordt via internet een verbinding gemaakt met de laptop op de Universiteit. Hierop draait een instantie van Matlab, die via de USB interface commando's naar de USB oscilloscoop kan sturen. Er staan 3 processen centraal:

  1. De Arbitrary Waveform Generator
  2. De analoog naar digitaal omzetting van het aangesloten kanaal
  3. De Realtime processing van het digitaal verkregen signaal

6 Figuur 6: Remote Desktop en Real time processing test opstelling


De AWG heeft zoals elke andere signaal generator een aantal standaard opties. Sinusvormen, driehoek golven, rechthoekige golfvormen en de mogelijkheid om zelf gedefinieerde signalen te generen. Een van onze favorieten is het Batman signaal (Figuur 7). Voor het voorbeeld hier, generen we echter een sinusvormig signaal, dat langzaam van frequentie verandert. Er is hier gekozen voor een zwaai van 1 kHz tot 300 kHz met een amplitude van 500 mV, en de meeting wordt uitgevoerd met 1 Msampl/sec.

7
Figuur 7: Het batman signaal, puur ter illustratie van een AWG


In Matlab is een applicatie geprogrammeerd dat de gemeten data direct streamt naar de computer . De oscilloscoop heeft een buffer die zich asynchroon laat uitlezen t.o.v. het vullen. Hierdoor komt het dus voor dat met elke uitlezing van de databuffer, de hoeveel meetpunten variëren. Voor het Real-time verwerken, kan dit logistiek gezien problemen opleveren. Stel je maar eens voor een Fourier transformatie uit te voeren nadat een lees operatie is voltooid, het resulterende spectrum zal elke keer een andere spectrale resolutie hebben. Een oplossing hiervoor, is een first in first out (FIFO) buffer te maken in Matlab. Dat betekent dus dat elke keer de buffer van de oscilloscoop gelezen wordt, alle meetpunten toegevoegd worden aan deze Matlab buffer. Daarna kan deze buffer uitgelezen worden door Matlab met een vast aantal meetpunten. Bij FIFO is dan ook een bijkomstigheid, dat zodra deze verwerkt zijn ze meteen gedumpt kunnen worden, waardoor het werkgeheugen van de computer direct weer wordt vrijgemaakt.


In Figuur 3 is het resultaat te zien van het de real-time Fast Fourier Transform. Elke kleur is een verwerking die plaats heeft gevonden. Alleen in het spectrale domein is zoiets vrij lastig weer te geven, vandaar dat er in Figuur 4 een soort boven aanzicht is weergegeven. De gele lijnen hierin zijn de over tijd verplaatsend pieken zoals ze te zien zijn in Figuur 3. Wat goed te zien is, is dat de frequentie die door de AWG is gegenereerd inderdaad met stapjes veranderd over tijd tussen 1 kHz en 300 kHz.
Ter vergelijking en controle is ook voor dit voorbeeld de ruwe data opgeslagen en via een post-processing algoritme verwerkt. Dat is weergegeven in de onderstaande grafiek in Figuur 4. Het komt aardig overeen met de resultaten in de bovenstaande grafiek van Figuur 4. Het verschil zit voornamelijk in het aantal meetpunten dat verwerkt wordt en de overlap, maar dit zijn details voor een volgende blog. Het is namelijk zo dat je bij post-processing alle vrijheid hebt om hierin te variëren en dus precies de details van je signaal kan weergeven zoals nodig zijn. In het geval van real-time processing moet vooraf een keuze gemaakt worden.

8Figuur 8: Superpositie van alle real-time verwerkte spectra
9Figuur 9: Tijd en frequentie domein.


Ook hier is het onderzoek nog gaande. Wat zijn de juiste keuzes, en wat zijn de mogelijkheden van het hebben van de real time FFT ontvanger. Wellicht zijn naast de FFT-operaties andere verwerkingsprocessen mogelijk en brengen deze het storingsgedrag van apparaten in complexe systemen beter aan het licht.


Zoals deze twee voorbeelden van systemen laten zien, zitten we niet bij de pakken neer en gaat het onderzoek, al dan niet op afstand, gewoon door. In het geval van het RP4 systeem, kan op afstand de spannings- en stroomkwaliteit gemonitord worden. Mede dankzij de internet interface, kan dit dus overal ter wereld, mits er maar een Masterpunt is dat verbonden is met verschillende meetpunten en het wereld wijde web. In parallel, wordt het onderzoek voortgezet hoe deze data lokaal te verwerken is en dus doormiddel van datareductie de resultaten terug te voeren. Met andere woorden: The party continues!

 

Video's

Twee mega-bliksemschichten verbreken wereldrecords

Twee mega-bliksemschichten verbreken wereldrecords

De in Genève gevestigde Wereld Meteorologische Organisatie (WMO) heeft twee ‘megaflash…

Slimme bezorg-drones pakken de bus (video)

Een slimme bezorg-drone pakt de bus (video)

Het vervoer van pakketjes door de lucht kan helpen om het aantal verkeersopstoppingen in…

Een robot die groeit als een plant

Een robot die groeit als een plant

De ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een robot ontwikkeld die…

MX3D 3D-print robotarm naar digital twin

MX3D 3D-print robotarm naar digital twin

MX3D en Altair hebben samen een industriële robotarm ontworpen en 3D-geprint voor een ABB-robot…

Deense robot neemt speekselmonsters af

Deense robot neemt speekselmonsters af

Aan de Deense universiteit SDU is een robot ontwikkeld die speekselmonsters kan afnemen bij potenti…

Meer videos »

Laatste nieuws

Beter begrip van het gedrag van elektronen in plasma's

Beter begrip van het gedrag van elektronen in plasma's

Promovendus Bart Platier van de TU/e heeft een nieuwe op plasma gebaseerde productietechniek ontwikkeld voor belichtingsdiffusors, met behulp van plasma’s op lage temperatuur en onder atmosferische druk.…

Nieuwe scanmethode keert objecten razendsnel binnenstebuiten

Nieuwe scanmethode keert objecten razendsnel binnenstebuiten

Live meekijken met een CT-scan in plaats van achteraf de beelden pas te analyseren. Als het aan de Leidse wiskundige Jan-Willem Buurlage ligt, is dat binnenkort realiteit. Hij ontwikkelt methodes om de algoritmes achter…

Zonnig Coronanieuws: grotere opbrengst zonnepanelen door schone lucht

Zonnig Coronanieuws: grotere opbrengst zonnepanelen door schone lucht

Een onverwachte uitkomst van de Covid-19-pandemie is een vermindering van de luchtverontreiniging. In sommige steden in China lagen de sterftecijfers gedurende de lock-down zelfs lager dan ervoor: wetenschappers…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Nieuwe kleine transponderschakelaar CTM

De nieuwe CTM is heel klein en is geschikt voor elke radius vanaf slechts 15cm. Toch is het een volwaardige PL e - Cat....

Agenda

14 juli 2020, online

Hannover Messe Digital Days

Een digitaal overzicht van actuele ontwikkelingen op het gebied van industrie, energie en logistiek en...

11 augustus 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

11, 12 , 18, 19 augustus 2020

19 augustus 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

Meer agendapunten »