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

Poliep-robot 'pakt' vervuiling uit het water

Poliep-robot 'pakt' vervuiling uit het water

Aan de Universiteit van Warwick is een robot gemaakt die is geïnspireerd op koraalpoliepen en…

Instructievideo ASML: Toonaangevend in productiviteit

Instructievideo Additive Industries: Toonaangevend in productiviteit

Additive Industries wordt vaak uitgedaagd om de grenzen te verleggen van wat mogelijk is in…

ASML wint Semi Americas Award voor EUV-lithografie

ASM-topman over de geschiedenis van EUV

ASML heeft de Semi Americas Award gekregen voor de inspanningen van het bedrijf op het gebied van…

Twee mega-bliksemschichten verbreken wereldrecords

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

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

Meer videos »

Laatste nieuws

James Dyson Award: elektrisch instelbare lens

James Dyson Award: elektrisch instelbare lens voor de kleinste behuizingen

Scope zijn elektrisch instelbare lenzen die zoom- en compactcamera's met hogere beeldkwaliteit en lagere kosten mogelijk maken voor smartphones, AR / VR, Lidar-scanning, machine vision, microscopen en meer.

James Dyson Award: OFlow reinigt rioolwater van microplastics

James Dyson Award: OFlow reinigt rioolwater van microplastics

OFlow gebruikt biologisch afbreekbare houders die zijn ingeënt met P. Fluorescens-bacteriën om ongefilterde microplastics op te vangen in waterzuiveringsinstallaties, voordat ze in de rivieren worden geloosd.

James Dyson Award: Oled-scherm toont situatie naast bus en vrachtwagen

James Dyson Award: Oled-scherm toont situatie naast bus en vrachtwagen

Als je naast een groot voertuig rijdt, is het nu onmogelijk om te zien wat er aan die kant in het verkeer gebeurt. Oledscherm Aved zorgt door doorzicht.

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Encoder WDGR - de incrementele redundantie

Het hoeft niet altijd SIL te zijn ... de incrementele redundante encoder WDGR.

Agenda

22 september 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

22, 23, 29, 30 september 202

23 september 2020, online

FHI Online Kennisweken: Predictive Maintenaince

Met praktijk ervaringen van onder andere Tata Steel en ProRail.

24 september 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

24 september en 1 oktober 2020 (avond) 1 dag of 2 avonden 09.00-16.00 uur incl. lunch of 17.00-21.30...

Meer agendapunten »