Sådan implementeres tilstandsbaseret overvågning ved hjælp af Single-Pair Ethernet

Inden for fabriksautomatisering og Industrial Internet of Things (IIoT) giver tilstandsbaseret overvågning (CbM) indsigt i aktivernes tilstand for at øge oppetiden og produktiviteten, reducere vedligeholdelsesomkostningerne, forlænge aktivernes levetid og sikre medarbejdernes sikkerhed. Mens forbedringer i sensorer, diagnostiske algoritmer, processorkraft og anvendelsen af kunstig intelligens (AI) og maskinlæringsteknikker (ML) gør CbM mere nyttigt, har manglen på passende infrastruktur begrænset dets rækkevidde på tværs af mange applikationer.

Udstyr i applikationer til minedrift, olie/gas, forsyningsselskaber og produktion er ofte placeret på steder, der mangler strøm eller datanetværk. Det kan være dyrt og upraktisk at trække nye strøm- og netværkskabler til disse fjerntliggende steder, især for CbM-applikationer, der kræver relativt høje strøm- og datahastigheder.

Trådløse alternativer kommer med kompromiser. For eksempel kan en batteridrevet sensor kun tilbyde begrænsede datahastigheder, hvilket gør disse opsætninger uegnede til CbM. For at bringe de nyeste CbM-funktioner til disse steder har ingeniører brug for alternative infrastrukturmuligheder, der leverer pålidelig strøm og netværk med høj båndbredde til en lav pris.

10BASE-T1L single-pair Ethernet (SPE) blev udtrykkeligt designet til at opfylde disse kriterier. Det leverer data og strøm over afstande på op til 1 kilometer (km), langt ud over begrænsningerne ved Industrial Ethernet. Med denne nye teknologi kan ingeniører anvende sofistikeret CbM-teknologi på steder, der tidligere var utilgængelige.

Denne artikel giver et overblik over CbM og virkningen af AI, før den skitserer fordelene ved SPE til fjerntliggende steder. Den fremhæver kritiske komponenter i SPE-baserede sensorer og giver retningslinjer for valg af dem. Endelig gennemgår artiklen det grundlæggende i at designe en kombineret data- og strømkommunikationsinterface, og den viser, hvordan man integrerer et SPE-baseret CbM-system i et bredere industrielt netværk.

CbM og virkningen af AI og ML

Mens mange faktorer driver væksten i CbM, er stigningen i AI og ML særligt bemærkelsesværdig. Disse teknologier udvider rækkevidden af CbM ud over roterende udstyr som pumper, kompressorer og ventilatorer til at omfatte et bredere spektrum af maskiner, der inkluderer CNC-maskiner, transportørsystemer og robotteknologi.

Disse fremskridt er mulige takket være AI- og ML-systemernes evne til at indlæse og fortolke utallige data, herunder vibrationer, tryk, temperatur og visuelle data. Med rige datasæt kan AI- og ML-systemer identificere unormal adfærd, som ældre teknologier måske har overset.

For at opnå disse fordele, skal der være adgang til data i høj kvalitet fra alt relevant udstyr, og derfor er det blevet afgørende for CbM-systemer at kunne levere edge-til-cloud-forbindelse til de fjerneste hjørner af en virksomhed (figur 1).

Figur 1: Moderne CbM-systemer skal forbinde fjerntliggende driftsteknologisk (OT) udstyr med informationsteknologiske (IT) systemer. (Billedkilde: Analog Devices)

Fordelene ved SPE i forhold til alternativerne

For at kunne betjene disse fjerntliggende lokationer har ingeniørerne brug for en IT-venlig måde at levere data og strøm på, som holder omkostningerne og det fysiske fodaftryk på et minimum. Industrielle Ethernet-løsninger er et oplagt valg, da de tilbyder en typisk databåndbredde på 100 megabit per sekund (Mbps) og Power over Ethernet (PoE) på op til 30 watt per port. Industrial Ethernet er dog begrænset til en afstand på 100 meter (m).

Her kommer SPE ind i billedet, der, som navnet antyder, giver Ethernet-forbindelse via et enkelt par snoede ledninger i stedet for to par til 100BASE-TX eller fire par til 10BASE-T. Det betyder, at SPE-kabler er mindre, lettere og billigere end tilsvarende Industrial Ethernet-kabler. På trods af det reducerede fodaftryk understøtter SPE strækninger på op til 1 kilometer (km), datahastigheder på op til 1 gigabit per sekund (Gbps), effekt på op til 50 watt og stik, der er klassificeret til IP67 til barske miljøer.

Det er værd at bemærke, at de maksimale klassificeringer for SPE er gensidigt udelukkende. For eksempel understøttes 1 Gbps-hastigheder kun for korte strækninger på op til 40 m. I modsætning hertil er datahastighederne begrænset til 10 Mbps ved den maksimale kabellængde på 1 km.

Sådan vælger du en Ethernet-MAC til brug i en SPE-applikation

Som alle Ethernet-forbindelser indeholder SPE-grænseflader et MAC-lag (Media Access Control) og et PHY-lag (Physical Access Control). MAC'en håndterer Ethernet-trafikken, mens PHY'en omdanner analoge bølgeformer fra kablet til digitale signaler.

Mange avancerede mikrocontrollerenheder (MCU'er) er udstyret med en MAC, og nogle inkluderer en PHY. Men de billige MCU'er med lavt strømforbrug, der bruges til kantsensorer, har ingen af disse funktioner. Løsningen ligger i 10BASE-T1L MAC-PHY, som implementerer begge elementer i en separat chip, så designerne kan vælge mellem forskellige processorer med ultralavt strømforbrug.

Et godt eksempel er ADIN1110CCPZ-R7 fra Analog Devices (figur 2). Denne single-port 10BASE-T1L transceiver er designet til 10 Mbps SPE-forbindelser med lang rækkevidde. ADIN1110 forbindes til værten via en 4-leder seriel perifer interface (SPI), en interface, der findes på de fleste moderne mikrocontrollere.

Figur 2: ADIN1110 er en single-port 10BASE-T1L transceiver, der forbindes til værtsprocessoren via et 4-leder SPI-interface. (Billedkilde: Analog Devices)

For at forbedre robustheden har ADIN1110 integreret spændingsforsyningsovervågning og power-on-reset (POR)-kredsløb. Desuden gør programmerbare transmissionsniveauer, eksterne termineringsmodstande og uafhængige modtage- og transmissionsben enheden velegnet til intrinsiske sikkerhedsapplikationer.

Design af en fælles kommunikationsinterface til data og strøm

SPE leverer strøm og data over de samme ledninger ved hjælp af en teknologi, der kaldes PoDL (Power over Data Lines). Som illustreret i figur 3 kobles højfrekvente data til det snoede par gennem seriekondensatorer, mens jævnstrøm (DC) kobles til linjerne ved hjælp af induktorer.

Figur 3: PoDL leverer strøm- og datasignaler over et enkelt parsnoet kabel ved hjælp af henholdsvis induktiv og kapacitiv kobling. (Billedkilde: Analog Devices)

I praksis kræves der yderligere komponenter for at opnå robusthed og fejltolerance. For eksempel anbefales en bro-ensretterdiode til at beskytte mod forkert polaritet i strømtilslutningen. På samme måde kræves der en TVS-diode (transient voltage suppressor) for at sikre robusthed i forhold til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Det er især nødvendigt med en spole for at dæmpe common-mode-støj fra kablet.

Valg af sensorer til CbM

Som tidligere nævnt kan CbM anvendes på en lang række sensoriske modaliteter. På tværs af disse modaliteter er en af de kritiske faktorer, der skal overvejes, afvejningen mellem ydeevne og effektivitet.

Tag vibrationsmåling som et eksempel. Piezoelektriske sensorer har en bedre ydeevne end mikroelektromekaniske systemer (MEMS), men til en højere pris. Det gør piezoelektriske sensorer til et godt valg til meget kritiske aktiver, som ofte er centralt placeret.

I modsætning hertil er mange mindre kritiske aktiver ofte placeret i de fjerneste dele af et anlæg og overvåges derfor ikke i øjeblikket på grund af omkostningsbegrænsninger. Men deres data skal stadig udvindes for at forbedre den samlede systemproduktivitet. Kombinationen af afstand og omkostningsfølsomhed er præcis der, hvor SPE-baseret CbM udmærker sig, hvilket gør MEMS-sensorer til et naturligt match.

Sammen med lavere omkostninger giver MEMS-sensorer andre fordele for SPE-sensorer. Sammenlignet med piezoelektriske sensorer har de fleste MEMS-sensorer f.eks. digital filtrering, fremragende linearitet, lav vægt og lille størrelse.

Det næste designvalg er mellem en- og treaksede sensorer. Tabel 1 viser forskellen mellem to typiske eksempler, ADXL357BEZ-RL treakset accelerometer og ADXL1002BCPZ-RL7 enkeltakset accelerometer.

Tabel 1: ADXL1002BCPZ-RL7 sensorer med én akse og ADXL357BEZ-RL sensorer med tre akser tilbyder kompromiser på tværs af mange vigtige overvejelsesområder. (Billedkilde: Analog Devices)

Som det fremgår af tabel 1, giver enaksede sensorer betydeligt større båndbredde og mindre støj. Men treaksede sensorer kan registrere lodrette, vandrette og aksiale vibrationer, hvilket giver en mere detaljeret forståelse af et aktivs drift. Mange fejl, herunder bøjede aksler, excentriske rotorer, problemer med lejer og spændte rotorer, er svære at identificere med en enkeltakset sensor.

Det er værd at bemærke, at vibrationssensorer alene ikke kan opdage alle fejl, selv ikke dem, der primært er relateret til vibrationer. I nogle scenarier kan den optimale løsning være at parre en enkeltakset sensor med andre sensorer, f.eks. en sensor til en motors strøm eller magnetfelt. I andre tilfælde kan den bedste løsning involvere to eller flere enkeltaksede sensorer.

På grund af kompleksiteten i disse overvejelser er det tilrådeligt at eksperimentere med begge typer sensorer. Til dette formål tilbyder Analog Devices ADXL357 3-akset sensor-evalueringskort og ADXL1002 1-akset sensor-evalueringskort.

Integrering af et SPE-baseret CbM-system i et større industrielt netværk

Et vigtigt krav til ethvert CbM-system er, at der skal være problemfri forbindelse tilbage til skyen. Figur 4 illustrerer, hvordan dette kan gøres ved hjælp af MQTT-protokollen (Message Queuing Telemetry Transport). Denne letvægts IIoT-meddelelsesprotokol gør det muligt at forbinde eksterne enheder med et minimalt kodefodaftryk og lav netværksbåndbredde.

Figur 4: Her ses en CbM-arkitektur baseret på SPE. Sensorsystemets nøglekomponenter omfatter sensoren, en strømbesparende edge-processor og MAC-PHY. (Billedkilde: Analog Devices)

De fleste billige Cortex-M4-mikrocontrollere er velegnede til denne applikation, da stort set alle disse chips har de SPI-porte, der er nødvendige for at oprette forbindelse til sensor(er) og MAC-PHY. Fra et softwareperspektiv er de vigtigste krav tilstrækkelig hukommelse til MQTT-stakken, et passende realtidsoperativsystem (RTOS) og edge-analysesoftware. Typisk er der kun brug for nogle få kilobyte RAM og ROM.

Når SPE-kablet når frem til den eksisterende infrastruktur, kan en mediekonverter ændre 10BASE-T1L-signalet til 10BASE-T-rammer til standard Ethernet-kabler. Bemærk, at denne konvertering blot ændrer det fysiske format; Ethernet-pakkerne forbliver uberørte. Herfra kan disse pakker sendes over ethvert Ethernet-netværk.

Konklusion

SPE er ved at udvikle sig til en transformativ teknologi, der på en dygtig måde løser udfordringerne ved CbM for fjernbetjent udstyr. PoDL-funktionerne kombinerer elegant strøm- og datatransmission over et enkelt parsnoet kabel, hvilket giver en billig måde at udvide Ethernet-infrastrukturen til større afstande. Med et velovervejet valg af MAC-PHY-interface og MEMS-sensorer kan ingeniører bruge disse muligheder til at implementere kompakte, lette løsninger, der er tilstrækkeligt omkostningseffektive til at retfærdiggøre deres brug på mindre kritiske aktiver. Det giver nye niveauer af synlighed i driften, som AI- og ML-systemer kan bruge til at give hidtil uset indsigt i driften.