Как реализовать мониторинг на основе состояния с помощью однопарного Ethernet
В области автоматизации производства и промышленного Интернета вещей (IIoT) мониторинг состояния (CbM) позволяет получить информацию о состоянии активов, чтобы увеличить время безотказной работы и производительность, снизить затраты на обслуживание, продлить срок службы активов и обеспечить безопасность работников. Хотя совершенствование датчиков, алгоритмов диагностики, вычислительной мощности и применение методов искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) делают CbM более полезным, отсутствие подходящей инфраструктуры ограничивает его распространение во многих областях применения.
Оборудование, используемое в горнодобывающей, нефтегазовой, коммунальной и производственной отраслях, часто расположено в местах, где нет электропитания или сетей передачи данных. Прокладка новых силовых и сетевых кабелей в эти удаленные места может быть дорогостоящей и непрактичной, особенно для приложений CbM, требующих относительно высокой мощности и скорости передачи данных.
Беспроводные альтернативы имеют свои недостатки. Например, датчик, работающий от батареи, может обеспечить лишь ограниченную скорость передачи данных, что делает такие системы непригодными для CbM. Чтобы внедрить новейшие возможности CbM в этих местах, инженерам нужны альтернативные варианты инфраструктуры, обеспечивающие надежное питание и высокую пропускную способность сети при низких затратах.
Однопарный Ethernet (SPE) 10BASE-T1L был разработан специально для удовлетворения этих критериев. Он обеспечивает передачу данных и питания на расстояние до 1 километра (км), что значительно превышает ограничения Industrial Ethernet. С помощью этой новой технологии инженеры могут развернуть сложную технологию CbM в ранее недоступных местах.
В этой статье приводится обзор CbM и влияния искусственного интеллекта, а затем описываются преимущества SPE для удаленных объектов. В ней выделены важнейшие компоненты датчиков на основе SPE и предложены рекомендации по их выбору. Наконец, в статье рассматриваются основы проектирования комбинированного интерфейса передачи данных и питания, а также показано, как интегрировать систему CbM на основе SPE в более широкую промышленную сеть.
CbM и влияние искусственного интеллекта и ML
Хотя рост CbM обусловлен многими факторами, особенно следует отметить развитие ИИ и ОД. Эти технологии расширяют сферу применения CbM за пределы вращающегося оборудования, такого как насосы, компрессоры и вентиляторы, и охватывают более широкий спектр машин, включая станки с ЧПУ, конвейерные системы и робототехнику.
Эти достижения стали возможны благодаря способности систем ИИ и ОД получать и интерпретировать огромное количество данных, включая вибрацию, давление, температуру и визуальные данные. Благодаря богатым массивам данных системы ИИ и ОД могут выявлять аномальное поведение, которое старые технологии могли пропустить.
Для достижения этих преимуществ необходимо, чтобы высокоточные данные были доступны со всего соответствующего оборудования, поэтому для систем CbM стало критически важно обеспечить подключение к облаку с самых отдаленных уголков предприятия (рис. 1).
 |
Рисунок 1. Современные системы CbM должны соединять далеко расположенное технологическое оборудование (OT) с системами информационных технологий (IT).
Преимущества SPE перед альтернативными вариантами
Для обслуживания таких удаленных объектов инженерам необходим удобный для ИТ-специалистов способ передачи данных и питания, который позволяет свести к минимуму затраты и физическую площадь. Решения Industrial Ethernet - очевидный выбор, поскольку они обеспечивают типичную пропускную способность 100 мегабит в секунду (Мбит/с) и питание по Ethernet (PoE) до 30 ватт на порт. Однако промышленный Ethernet ограничен расстоянием в 100 метров (м).
Появилась технология SPE, которая, как следует из названия, обеспечивает подключение Ethernet по одной витой паре проводов, а не по двум парам для 100BASE-TX или четырем парам для 10BASE-T. В результате кабели SPE меньше, легче и дешевле, чем аналогичные кабели Industrial Ethernet. Несмотря на уменьшенную площадь, SPE поддерживает протяженность до 1 километра (км), скорость передачи данных до 1 гигабита в секунду (Гбит/с), мощность до 50 ватт и разъемы со степенью защиты IP67 для жестких условий эксплуатации.
Стоит отметить, что максимальные значения для SPE являются взаимоисключающими. Например, скорость 1 Гбит/с поддерживается только на коротких участках длиной до 40 м. В отличие от этого, скорость передачи данных ограничена 10 Мбит/с при максимальной длине кабеля 1 км.
Как выбрать Ethernet MAC для использования в приложении SPE
Как и все соединения Ethernet, интерфейсы SPE включают в себя уровень управления доступом к среде (MAC) и физический уровень (PHY). MAC управляет трафиком Ethernet, а PHY преобразует аналоговые волны из кабеля в цифровые сигналы.
Многие современные микроконтроллеры (MCU) оснащены MAC, а некоторые - PHY. Однако недорогие и маломощные MCU, используемые для краевых датчиков, не имеют ни одной из этих функций. Решение заключается в MAC-PHY 10BASE-T1L, который реализует оба элемента в отдельном чипе, позволяя разработчикам выбирать из различных процессоров с ультранизким энергопотреблением.
Хорошим примером является ADIN1110CCPZ-R7 от Analog Devices (рис. 2). Этот однопортовый трансивер 10BASE-T1Lпредназначен для SPE-соединений с увеличенным радиусом действия, 10 Мбит/с. ADIN1110 подключается к хосту через 4-проводной последовательный периферийный интерфейс (SPI) - интерфейс, используемый в большинстве современных микроконтроллеров.
 |
Рисунок 2: ADIN1110 - это однопортовый трансивер 10BASE-T1L, который подключается к главному процессору через 4-проводной интерфейс SPI.
Для повышения надежности ADIN1110 имеет встроенные схемы контроля напряжения питания и сброса при включении питания (POR). Кроме того, программируемые уровни передачи, внешние оконечные резисторы и независимые выводы приема и передачи делают устройство пригодным для применения в системах искробезопасности.
Разработка общего интерфейса передачи данных и питания
SPE обеспечивает передачу питания и данных по одним и тем же проводам с помощью технологии, называемой Power over DataLines (PoDL). Как показано на рисунке 3, высокочастотные данные подключаются к витой паре через последовательные конденсаторы, а питание постоянного тока (DC) подключается к линиям с помощью индукторов.
 |
Рисунок 3: PoDL обеспечивает передачу сигналов питания и данных по одной витой паре с помощью индуктивной и емкостной связи соответственно.
На практике для обеспечения надежности и отказоустойчивости требуются дополнительные компоненты. Например, для защиты от неправильной полярности подключения питания рекомендуется использовать диод мостового выпрямителя. Аналогично, для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) необходим диод подавителя переходного напряжения (TVS). Кроме того, дроссель необходим для подавления синфазных помех от кабеля.
Выбор датчиков для CbM
Как отмечалось ранее, CbM может применяться к широкому спектру модальностей зондирования. В этих модальностях одним из важнейших факторов, которые необходимо учитывать, является компромисс между производительностью и эффективностью.
Возьмем, к примеру, измерение вибрации. Пьезоэлектрические датчики обладают более высокими характеристиками, чем микроэлектромеханические системы (MEMS), но при этом стоят дороже. Это делает пьезоэлектрические датчики хорошим выбором для особо важных объектов, которые, как правило, расположены в центре.
В отличие от этого, многие менее важные объекты часто расположены в самых отдаленных частях объекта и поэтому в настоящее время не контролируются из-за ограничений по стоимости. Тем не менее, их данные необходимо добывать, чтобы повысить общую производительность системы. Сочетание чувствительности к расстоянию и стоимости - это именно тот случай, когда CbM на основе SPE превосходит все ожидания, что делает датчики MEMS естественным решением.
Наряду с более низкой стоимостью датчики MEMS имеют и другие преимущества перед датчиками SPE. Например, по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками, большинство МЭМС-датчиков имеют цифровую фильтрацию, отличную линейность, малый вес и небольшие размеры.
Следующий выбор при проектировании - это выбор между одно- и трехосевыми датчиками. В таблице 1 приведены различия между двумя типичными примерами - трехосевым акселерометром ADXL357BEZ-RL и одноосевым акселерометром ADXL1002BCPZ-RL7.
|
Таблица 1: Одноосевые датчики ADXL1002BCPZ-RL7 и трехосевые датчики ADXL357BEZ-RL предлагают компромиссы во многих важных областях рассмотрения.
Как видно из таблицы 1, одноосевые датчики обладают значительно большей пропускной способностью и меньшим уровнем шума. Однако трехосные датчики могут фиксировать вертикальные, горизонтальные и осевые колебания, что позволяет получить более подробное представление о работе оборудования. Многие неисправности, включая погнутые валы, эксцентричные роторы, проблемы с подшипниками и заклинившие роторы, сложно выявить с помощью одноосевого датчика.
Стоит отметить, что одни только датчики вибрации не могут выявить все неисправности, даже те, которые в первую очередь связаны с вибрацией. В некоторых случаях оптимальным решением может быть использование одноосевого датчика в паре с другими датчиками, например датчиком тока или магнитного поля двигателя. В других случаях оптимальным решением может быть использование двух или более одноосевых датчиков.
Учитывая сложность этих соображений, рекомендуется поэкспериментировать с датчиками обоих типов. Для этого Analog Devices предлагает оценочную плату для 3-осевых датчиков ADXL357 и оценочную плату для 1-осевых датчиков ADXL1002.
Интеграция системы CbM на основе SPE в большую промышленную сеть
Важным требованием для любой системы CbM является обеспечение бесперебойной связи с облаком. На рисунке 4 показано, как это можно сделать с помощью протокола Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Этот легкий протокол обмена сообщениями IIoT позволяет подключать удаленные устройства с минимальным объемом кода и низкой пропускной способностью сети.
 |
Рисунок 4: Показана архитектура CbM на основе SPE.Ключевые компоненты сенсорной системы включают датчик, маломощный пограничный процессор и MAC-PHY.
Большинство недорогих микроконтроллеров Cortex-M4 подходят для этого приложения, поскольку практически все эти микросхемы имеют порты SPI, необходимые для подключения к датчику(ам) и MAC-PHY. С точки зрения программного обеспечения основными требованиями являются достаточный объем памяти для стека MQTT, соответствующая операционная система реального времени (RTOS) и программное обеспечение для анализа краев. Как правило, требуется всего несколько десятков килобайт ОЗУ и ПЗУ.
Как только кабель SPE достигает существующей инфраструктуры, медиаконвертер может преобразовать сигнал 10BASE-T1L в кадры 10BASE-T для стандартных кабелей Ethernet. Обратите внимание, что это преобразование лишь меняет физический формат; пакеты Ethernet остаются нетронутыми. Далее эти пакеты могут быть отправлены по любой сети Ethernet.
Заключение
SPE становится преобразующей технологией, умело решающей задачи CbM для удаленного оборудования. Ее возможности PoDL элегантно объединяют питание и передачу данных по одной витой паре, обеспечивая недорогой способ расширения инфраструктуры Ethernet на большие расстояния. Благодаря продуманному выбору интерфейсов MAC-PHY и датчиков MEMS инженеры могут использовать эти возможности для развертывания компактных, легких решений, которые достаточно экономичны, чтобы оправдать их использование на менее важных объектах. Это обеспечивает новый уровень видимости операций, который системы искусственного интеллекта и ML могут использовать для получения беспрецедентных оперативных данных.
