【導(dǎo)讀】在工廠自動(dòng)化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，通過(guò)基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 可深入了解資產(chǎn)的健康狀況，從而增加正常運(yùn)行時(shí)間并提高生產(chǎn)率，降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進(jìn)步以及人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)的應(yīng)用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎(chǔ)設(shè)施則限制了 CbM 在許多應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。
在工廠自動(dòng)化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，通過(guò)基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 可深入了解資產(chǎn)的健康狀況，從而增加正常運(yùn)行時(shí)間并提高生產(chǎn)率，降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進(jìn)步以及人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)的應(yīng)用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎(chǔ)設(shè)施則限制了 CbM 在許多應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。
采礦、石油/天然氣、公用事業(yè)和制造業(yè)應(yīng)用中的設(shè)備通常位于缺乏電源或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地方。為這些偏遠(yuǎn)地點(diǎn)鋪設(shè)新的電源和網(wǎng)絡(luò)電纜既昂貴又不切實(shí)際，對(duì)于要求相對(duì)較高功率和數(shù)據(jù)傳輸速率的 CbM 應(yīng)用而言尤其如此。
可采用無(wú)線替代方案，但需要進(jìn)行權(quán)衡。例如，電池供電型傳感器只能提供有限的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此不適合用于 CbM。為了在這些地點(diǎn)也能實(shí)現(xiàn)最新的 CbM 功能，工程師需要一種基礎(chǔ)設(shè)施選項(xiàng)，以提供成本低、性能可靠的電源和高帶寬網(wǎng)絡(luò)。
10BASE-T1L 單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 就是明確為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)而明確的。這種以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)和電力傳輸距離長(zhǎng)達(dá) 1 公里 (km)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工業(yè)以太網(wǎng)的限制。利用這項(xiàng)新技術(shù)，工程師可以在以前無(wú)法到達(dá)的地點(diǎn)部署復(fù)雜的 CbM 技術(shù)。
本文簡(jiǎn)述了 CbM 和 AI 的影響，然后概述了 SPE 在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)介紹了基于 SPE 的傳感器的關(guān)鍵部件，并給出了這些部件的選型指導(dǎo)原則。最后，本文回顧了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和電源組合通信接口的基礎(chǔ)知識(shí)，并介紹如何將基于 SPE 的 CbM 系統(tǒng)集成到更廣泛的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。
CbM 以及 AL 和 ML 的影響
推動(dòng) CbM 增長(zhǎng)的因素很多，但 AI 和 ML 的興起尤其值得注意。這些技術(shù)正在將 CbM 的范圍從泵、壓縮機(jī)和風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)設(shè)備擴(kuò)展到包括數(shù)控機(jī)床、傳送系統(tǒng)和機(jī)器人在內(nèi)的更廣泛的機(jī)械領(lǐng)域。
之所以能夠取得這些進(jìn)步，是因?yàn)?AI 和 ML 系統(tǒng)能夠吸收和解析包括振動(dòng)、壓力、溫度和視覺數(shù)據(jù)在內(nèi)的大量數(shù)據(jù)。有了豐富的數(shù)據(jù)集，AI 和 ML 系統(tǒng)就能識(shí)別老舊技術(shù)可能忽略的異常情況。
要實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，就必須從所有相關(guān)設(shè)備中獲取高保真數(shù)據(jù)，這就是為什么 CbM 系統(tǒng)必須提供從邊緣到云的連接，以連接到最偏遠(yuǎn)的運(yùn)行角落（圖 1）。
圖 1：現(xiàn)代 CbM 系統(tǒng)必須將遠(yuǎn)距離操作技術(shù) (OT) 設(shè)備與信息技術(shù) (IT) 系統(tǒng)連接起來(lái)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
SPE 相比其他方法的優(yōu)勢(shì)
要為這些偏遠(yuǎn)地區(qū)提供服務(wù)，工程師需要一種 IT 友好型方法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和電源，并將成本和實(shí)際占用空間維持在最低水平。顯然，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)能夠提供 100 Mbps 的典型數(shù)據(jù)帶寬和每個(gè)端口高達(dá) 30 W 的以太網(wǎng)供電 (PoE) 能力。不過(guò)，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸距離被限制在 100 m 以內(nèi)。
顧名思義，單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 通過(guò)單根雙絞線提供以太網(wǎng)連接，而不是 100BASE-TX 的兩對(duì)線或 10BASE-T 的四對(duì)線。因此，與同等工業(yè)以太網(wǎng)布線相比，SPE 布線更小、更輕、成本更低。雖然減小了實(shí)際占用空間，但 SPE 能夠支持長(zhǎng)達(dá) 1 km 的運(yùn)行距離，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1 Gbps，功率高達(dá) 50 W，連接器防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP67，適用于惡劣環(huán)境。
值得注意的是，SPE 的兩個(gè)最高額定值不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。例如，1 Gbps 的速度僅支持 40 m 以內(nèi)的短距離傳輸。相比之下，在最大電纜長(zhǎng)度為 1 km 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率只能達(dá)到 10 Mbps。
如何為 SPE 應(yīng)用選擇以太網(wǎng) MAC
與所有以太網(wǎng)連接一樣，SPE 接口包含一個(gè)介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC) 層和一個(gè)物理 (PHY) 層。MAC 管理以太網(wǎng)流量，而 PHY 則將電纜的模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
許多先進(jìn)的微控制器 (MCU) 都配備了 MAC，有些還包括了 PHY。然而，用于邊緣傳感器的低成本、低功耗 MCU 卻不具備這些功能。解決方案是采用 10BASE-T1L MAC-PHY，它憑借一顆單獨(dú)的芯片滿足了這兩種要求，使設(shè)計(jì)人員能夠在各種超低功耗處理器中進(jìn)行選擇。
例如，Analog Devices 的 ADIN1110CCPZ-R7 就是一款很好的產(chǎn)品（圖 2）。這款單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器用于延長(zhǎng)距離、10 Mbps SPE 連接。ADIN1110 通過(guò) 4 線串行外設(shè)接口 (SPI) 與主機(jī)連接，這是大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都有的接口。
圖 2：ADIN1110 是一款單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，通過(guò)一個(gè) 4 線 SPI 接口與主處理器連接。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
為了提高穩(wěn)健性，ADIN1110 集成了電壓電源監(jiān)控和上電復(fù)位 (POR) 電路。此外，可編程發(fā)送電平、外部端接電阻器以及獨(dú)立的接收和發(fā)送引腳，都使該器件適用于本質(zhì)安全型應(yīng)用。
設(shè)計(jì)共享數(shù)據(jù)和電源通信接口
SPE 采用一種稱為數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 的技術(shù)，通過(guò)同一條電線提供電源和數(shù)據(jù)。如圖 3 所示，高頻數(shù)據(jù)通過(guò)串聯(lián)電容器耦合到雙絞線上，而直流 (DC) 電源則通過(guò)電感器耦合到線路上。
圖 3：PoDL 利用電感耦合和電容耦合分別通過(guò)單根雙絞線提供電源和數(shù)據(jù)信號(hào)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性和容錯(cuò)性還需要其他組件。例如，建議使用橋式整流二極管來(lái)防止電源連接極出現(xiàn)性錯(cuò)誤。同樣，還需要一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管來(lái)確保電磁兼容性 (EMC) 的穩(wěn)健性。值得注意的是，需要使用扼流圈來(lái)減少電纜產(chǎn)生的共模噪聲。
為 CbM 選擇傳感器
如前所述，CbM 適用于多種檢測(cè)模式。在這些模式中，需要考慮的關(guān)鍵因素之一是在性能和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。
以振動(dòng)檢測(cè)為例。壓電傳感器的性能優(yōu)于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，但成本較高。這使得壓電傳感器成為高度關(guān)鍵型資產(chǎn)的理想選擇，這些資產(chǎn)往往位于中心位置。
相比之下，許多不那么關(guān)鍵的資產(chǎn)往往位于設(shè)施的最遠(yuǎn)端，因此鑒于成本方面的制約，目前還沒有進(jìn)行監(jiān)控。然而，仍必須對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以提高整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)率。距離和成本靈敏度組合正是基于 SPE 的 CbM 的優(yōu)勢(shì)所在，因此 MEMS 傳感器自然成為了最佳選擇。
除了成本較低之外，MEMS 傳感器還為 SPE 傳感器帶來(lái)了其他優(yōu)勢(shì)。例如，與壓電傳感器相比，大多數(shù) MEMS 傳感器都有數(shù)字濾波功能、出色的線性度、重量輕和體積小等特點(diǎn)。
下一個(gè)設(shè)計(jì)在單軸傳感器和三軸傳感器之間選擇。表 1 列出了兩個(gè)典型器件之間的差異（ADXL357BEZ-RL 三軸加速度計(jì)和 ADXL1002BCPZ-RL7單軸加速度計(jì)）。
表 1：?jiǎn)屋S ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器可在許多需要重點(diǎn)考慮的方面進(jìn)行權(quán)衡。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
如表 1 所示，單軸傳感器具有更高的帶寬和更低的噪聲。不過(guò)，三軸傳感器可以捕捉垂直、水平和軸向振動(dòng)，從而更詳細(xì)地了解資產(chǎn)的運(yùn)行情況。單軸傳感器很難識(shí)別包括軸彎曲、轉(zhuǎn)子偏心、軸承問(wèn)題和轉(zhuǎn)子翹起在內(nèi)的許多故障。
值得注意的是，僅靠振動(dòng)傳感器并不能檢測(cè)出所有故障，甚至檢測(cè)不到那些與振動(dòng)有關(guān)的主要故障。在某些情況下，最佳解決方案可能是將單軸傳感器與其他傳感器組合使用（如電機(jī)電流或磁場(chǎng)傳感器）。在其他情況下，最佳解決方案可能需要兩個(gè)或多個(gè)單軸傳感器。
鑒于這些考慮因素的復(fù)雜性，最好同時(shí)試用這兩種傳感器。為此，Analog Devices 提供 ADXL357 3 軸傳感器評(píng)估板和 ADXL1002 1 軸傳感器評(píng)估板。
將基于 SPE 的 CbM 系統(tǒng)集成到更大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中
提供與云的無(wú)縫連接，是對(duì)任何 CbM 系統(tǒng)的基本要求。圖 4 說(shuō)明了如何使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 協(xié)議實(shí)現(xiàn)這一功能。這種輕量級(jí) IIoT 消息傳遞協(xié)議能夠以最少的代碼占用量和較低的網(wǎng)絡(luò)帶寬連接遠(yuǎn)程設(shè)備。
圖 4：所示為基于 SPE 的 CbM 架構(gòu)。傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括傳感器、低功耗邊緣處理器和 MAC-PHY。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
大多數(shù)低成本 Cortex-M4 微控制器都適用于此應(yīng)用，因?yàn)閹缀跛羞@些芯片都具有連接傳感器和 MAC-PHY 所需的 SPI 端口。從軟件角度看，主要的要求是 MQTT 協(xié)議棧有足夠的內(nèi)存、正確的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 和邊緣分析軟件。通常只需要幾十 KB 的 RAM 和 ROM。
SPE 電纜到達(dá)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施后，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器可將 10BASE-T1L 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的 10BASE-T 幀。請(qǐng)注意，這種轉(zhuǎn)換只是改變了物理格式；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包仍保持不變。從這里，這些數(shù)據(jù)包可以在任何以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送。
結(jié)語(yǔ)
SPE 是一項(xiàng)正在興起的顛覆性技術(shù)，能很好地解決遠(yuǎn)程設(shè)備 CbM 所面臨的各種挑戰(zhàn)。其 PoDL 功能將電源和數(shù)據(jù)傳輸巧妙地融合在一根雙絞線上，以低成本的方式將以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的地方。通過(guò)仔細(xì)選擇 MAC-PHY 接口和 MEMS 傳感器，工程師可以利用這些功能部署結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的解決方案。這些解決方案具有足夠的成本效益，足以證明在不太重要的資產(chǎn)上使用這些解決方案是合理的。這使得 AI 和 ML 系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)的可視性達(dá)到了新的高度，從而提供前所未有的深度運(yùn)行情況。
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