Wireless mesh network for manufacturing floor monitoring

Abstract

As the demand for higher quality and decrease in production costs and maintenance downtime increases, Condition Based Maintenance (CBM) has become an attractive practice in the manufacturing industry, which in turn calls for the monitoring of machinery to predict the time to failure. Furthermore, as micro electro-mechanical systems (MEMS) technology has advanced in recent decades, the cost of designing and building sensor nodes greatly, making it less expensive than ever to embed data acquisition infrastructure into manufacturing equipment. Wireless Sensor Networks is one such technology that has benefited from these advances and now stands as a viable solution to manufacturing equipment monitoring due to its adaptability and ease of installation. This thesis presents the design and implementation of a Wireless Sensor Network tailored to a manufacturing floor environment. The implemented network uses Zigbee Standard compliant radios to fully realize a mesh multi-hop multi-point to point network topology. Sensor nodes were designed using commercially available components. For the processing unit, an Atmel Atmega 328p microcontroller with the Arduino bootloader was used. For the radio unit, the Zigbee compliant Xbee Series 2 radio was used. Power was supplied using Lithium-ion Polymer batteries. The parameters observed using the Wireless Sensor Network were temperature and humidity on an injection molding machine, as well as a solder rework oven., as well as product tracking via counting using an infrared range sensor. Finally, a node measuring equipment vibration was used as a diagnostic tool. The designed Wireless Sensor Network was deployed at the University of Puerto Rico, Mayagüez Campus, Manufacturing Laboratory on the Mechanical Engineering building. Using a three node setup. A second deployment was performed using four nodes at the Industrial Engineering Manufacturing line. In both deployments the base station nodes were a laptop computer running a data acquisition program written to parse and save the incoming sensor data. The work and results presented in this thesis show that Wireless Sensor Network technology can be integrated seamlessly into a manufacturing environment without severe interruptions of work and a relatively low cost. These sensor nodes operated for a given amount of time without failure and a packet loss of 0% due to the robustness of the Zigbee Standard. No extra infrastructure was needed to embed the sensor nodes, representing an attractive option for equipment monitoring in the manufacturing industry.

Según la demanda por mayor calidad y disminución de costos y tiempo de mantenimiento aumentan, el Mantenimiento Basado en Condición se ha convertido en una práctica atractiva para la industria de la manufactura, haciendo un enfoque en el monitoreo del equipo usado para la predicción al tiempo de falla. Además, según la tecnología de sistemas micro electro-mecánicos ha avanzado, el costo de diseñar y construir nodos de sensores ha disminuido considerablemente, haciendo más barato que nunca incorporar infraestructura de adquisición de data in equipo de manufactura. Las Redes Inalámbricas de Sensores es una tecnología que se ha beneficiado por estos avances y ahora se proyecta como una solución viable al monitoreo de equipo de manufactura por su adaptabilidad y facilidad de instalación. Esta tesis presenta el diseño e implementación de una Red Inalámbrica de Sensores aplicada a un ambiente de piso de manufactura. La red implementada usa módulos de radios del Estándar Zigbee para realizar de lleno una arquitectura de red de malla multi-brincos multi-punto a punto. Los nodos de sensores fueron diseñados usando componentes comercialmente disponibles. Para la undad de procesamiento, el microcontrolador Atmel Atmega328p con el bootloader de Arduino fue utilizado. Para la unidad de radio, el Xbee Serie 2 fue seleccionado por su capacidad de usar el Estándar Zigbee. Potencia para los nodos fue suplida por una batería Lithium-ion Polymer. Los parámetros observados usando la red inalámbrica fueron temperatura y humedad en una máquina de moldeo por inyección, además de un horno de soldadura. Además, se hizo conteo de producto en la línea usando un sensor de distancia infrarrojo. Finalmente, un nodo midiendo vibración fue usado como herramienta diagnóstica. La Red Inalámbrica de Sensores fue desplegada en el laboratorio de manufactura del Departamento de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Puerto Rico, Campus de Mayagüez, iv usando un arreglo de tres nodos. Un segundo despliegue fue realizado en la línea de maufactura del Departamento de Ingeniería Industrial. En ambos despliegues la estación base fueron una computadora corriendo un programa de adquisición de data escrito para interpretar y guardar la data de los sensores. El trabajo y resultados presentados en esta tesis muestran que la tecnología de Redes Inalámbricas de Sensores puede ser integrada a un ambiente de manufactura sin interrupciones severas en el trabajo y a un costo relativamente bajo. Estos nodes operaron por una cantidad dada de tiempo sin fallas y una pérdida de paquetes de data de 0%, dado cuan robusto es el Estándar Zigbee. Ninguna infraestructura adicional fue necesaria para instalar los nodos de sensores, representando una opción muy atractiva para monitoreo de equipo en la industria manufacturera.