Teollisten IoT-mittausten hyödyntäminen kunnonvalvonnassa ja datankeruussa ydinlaitoksilla

Abstract

Teollisen esineiden internetin (engl. Industrial Internet of Things, IIoT) mittaukset eivät vielä ole ydinlaitoksilla yleisessä käytössä, vaikka ne ovat jo käytössä muussa teollisuudessa. Työssä tarkasteltiin pääasiassa kirjallisuuskatsauksena, miten IIoT-mittauksia voidaan hyödyntää kunnonvalvonnassa ja datankeruussa ydinlaitoksilla. Työn tavoitteena oli selvittää minkälaisia teknologioita IIoT-järjestelmissä on käytössä ja voisivatko ne soveltua käytettäväksi ydinlaitoksiin. Ydinlaitosten vaatimukset IIoT-järjestelmien suhteen vaihtelevat merkittävästi ydinlaitoksittain. Esimerkiksi Posivan loppusijoituslaitoksessa yli 400 metriä maanpinnan alla tunneleissa on erilaiset ominaisuusvaatimukset IIoT-järjestelmille kuin perinteisissä ydinvoimalaitoksissa. Ydinlaitoksia koskee paljon tiukempi lainsäädäntö verrattuna muuhun teollisuuteen. Ydinenergialakia ylläpitää Työ- ja elinkeinoministeriö ja sen käytännön soveltamista valvoo Säteilyturvakeskus. Säteilyturvakeskus on laatinut ydinlaitosten käyttöön liittyvät ydinturvallisuus- ja valmiusohjeet sekä määrännyt luotavaksi turvallisuustekniset käyttöehdot laitosyksikkökohtaisesti. Kunnossapidon apuna voidaan käyttää kunnonvalvontaa ja monitorointia. Kunnonvalvonnassa pyritään selvittämään kohteen käyttökuntoisuutta analyysien avulla. Monitoroinnilla kerättyä mittadataa voidaan hyödyntää kunnossapidon lisäksi myös muissa analyyseissa ja tietojohtamisessa. Esineiden internetissä suurimpana muutoksena Olkiluodon nykyisiin mittausjärjestelmiin verrattuna on tiedonsiirron langattomuus. Ydinlaitoksilla ydinturvallisuusohjeiden mukaisesti langattomuus ei ole sallittua turvallisuustoiminnoissa, eikä muissakaan toiminnoissa langattomuus ole lähtökohtaisesti sallittua. Langattomuudessa ongelmana on tiedonsiirron luotettavuus ja sen mahdollisesti aiheuttamat häiriöt muihin laitteisiin. Langattomuus voidaan tapauskohtaisesti sallia käytettäväksi ydinlaitoksissa. Työssä tutkittiin langattomien sensoriverkkojen sekä 4G- ja 5G-teknologioiden ominaisuuksia IoT-käytössä. LoRa-teknologialla 868 MHz:n taajuudella ongelmaksi muodostui toimintasuhderajoitus, joka rajoittaa kuinka usein sitä käyttävillä laitteilla on sallittua lähettää. IEEE 802.15.4 -standardia hyödyntävät ZigBee- ja WirelessHART-teknologiat osoittautuivat erittäin potentiaalisiksi teknologioiksi kunnonvalvonnan käyttöön. ZigBee-teknologia 868 MHz:n taajuudella mahdollistaa hyvän kuuluvuuden pienellä tehonkulutuksella, eikä siihen kohdistu toimintasuhderajoitusta, kun se hyödyntää LBT- (engl. Listen Before Talk) ja AFA- (engl. Adaptive Frequency Agility) tekniikoita. 2,4 GHz:n taajuudella toimivan ZigBee- ja WirelessHART-teknologioiden kuuluvuutta parantavat niiden käyttämä mesh-verkkotopologia, jossa laitteet välittävät verkon sisällä toisten laitteiden viestejä eteenpäin. 4G- ja 5G-teknologioista tutkittiin erityisesti mahdollisuutta hyödyntää privaatteja mobiiliverkkoja. Niiden kanssa lähettimien lisäksi ei tarvita erillisiä yhdyskäytäviä, vaan hyödynnetään mobiiliverkkojen omia vastaanottimia. LTE-radioteknologiaa tukevien mobiiliverkkojen kanssa on mahdollista hyödyntää NB-IoT- ja LTE-M-teknologioita, joiden välillä valinta riippuu vaaditusta tiedonsiirtonopeudesta ja muista ominaisuuksista. 5G NR -verkkoa tukevien mobiiliverkkojen kanssa voidaan käyttää RedCap-teknologiaa. Mobiiliverkkojen ulkopuolella 5G-teknologioista voidaan hyödyntää DECT-2020 NR -standardin mahdollistamaa itsenäistä mesh-verkkoa.

Industrial Internet of Things (IIoT) measurement systems are not yet in widespread use at nuclear facilities even though they are already in use in other industries. This study primarily took the form of a literature review to examine how IIoT measurements can be utilized for condition monitoring and data collection at nuclear facilities. The objective of the study was to determine what types of technologies are used in IIoT systems and whether they could be suitable for use at nuclear facilities. The requirements for IIoT systems at nuclear facilities vary significantly from one facility to another. For example, at Posiva’s final disposal facility, located more than 400 meters below ground in tunnels, the requirements for the IIoT system differ from those at traditional nuclear power plant units. Nuclear facilities are subject to much stricter regulations than other industries. The Nuclear Energy Act is administered by the Ministry of Economic Affairs and Employment, and its practical application is overseen by the Radiation and Nuclear Safety Authority. The Radiation and Nuclear Safety Authority has issued nuclear safety and emergency preparedness guidelines for the operation of nuclear facilities and has mandated the establishment of safety technical specifications for each plant unit. Condition monitoring and continuous monitoring can be used to support maintenance. Condition monitoring aims to determine the operational condition of an asset through analysis. The measurement data collected through monitoring can be utilized not only for maintenance but also for other analyses and data-driven decision-making. The biggest change brought about by the Internet of Things compared to the current measurement systems at Olkiluoto is the use of wireless data transmission. At nuclear facilities, in accordance with nuclear safety guidelines, wireless technology is not permitted in safety functions, nor is it generally permitted for other functions either. The main concerns regarding wireless technology are the reliability of data transmission and the potential interference it may cause to other devices. Wireless technology may be permitted for use at nuclear facilities on a case-by-case basis. This study examined the characteristics of wireless sensor networks and 4G and 5G technologies in IoT applications. With LoRa technology at the 868 MHz frequency, a problem arose with the duty cycle limit, which restricts how often devices using it can transmit. ZigBee and WirelessHART technologies that utilize the IEEE 802.15.4 standard proved to be highly promising for condition monitoring applications. ZigBee technology at the 868 MHz frequency enables good coverage with low power consumption, and it is not subject to duty cycle limitations when using LBT (Listen Before Talk) and AFA (Adaptive Frequency Agility) techniques. The coverage of ZigBee and WirelessHART technologies operating at 2.4 GHz is improved by the mesh network topology they use in which devices relay messages from other devices within the network. Regarding 4G and 5G technologies, the study focused specifically on the possibility of private mobile networks. With these networks, no separate gateways are required in addition to the transmitter, as the mobile network’s own base stations are utilized. Mobile networks supporting LTE radio technology can utilize NB-IoT and LTE-M technologies depending on the required data transfer speed and other characteristics. RedCap technology can be used with mobile networks that support the 5G NR standard. Outside of mobile networks, 5G technologies can be utilized through the autonomous mesh networks enabled by the DECT-2020 NR standard.