【導(dǎo)讀】在工廠自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，通過基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 可深入了解資產(chǎn)的健康狀況，從而增加正常運行時間并提高生產(chǎn)率，降低維護成本，延長資產(chǎn)壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (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。
在工廠自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，通過基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 可深入了解資產(chǎn)的健康狀況，從而增加正常運行時間并提高生產(chǎn)率，降低維護成本，延長資產(chǎn)壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (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。為這些偏遠地點鋪設(shè)新的電源和網(wǎng)絡(luò)電纜既昂貴又不切實際，對于要求相對較高功率和數(shù)據(jù)傳輸速率的 CbM 應(yīng)用而言尤其如此。
可采用無線替代方案，但需要進行權(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。為了在這些地點也能實現(xiàn)最新的 CbM 功能，工程師需要一種基礎(chǔ)設(shè)施選項，以提供成本低、性能可靠的電源和高帶寬網(wǎng)絡(luò)。
10BASE-T1L 單對以太網(wǎng) (SPE) 就是明確為滿足這些標準而明確的。這種以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)和電力傳輸距離長達 1 公里 (km)，遠遠超出了工業(yè)以太網(wǎng)的限制。利用這項新技術(shù)，工程師可以在以前無法到達的地點部署復(fù)雜的 CbM 技術(shù)。
本文簡述了 CbM 和 AI 的影響，然后概述了 SPE 在偏遠地點的優(yōu)勢。本文重點介紹了基于 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)計數(shù)據(jù)和電源組合通信接口的基礎(chǔ)知識，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 CbM 增長的因素很多，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、壓縮機和風扇等旋轉(zhuǎn)設(shè)備擴展到包括數(shù)控機床、傳送系統(tǒng)和機器人在內(nèi)的更廣泛的機械領(lǐng)域。
之所以能夠取得這些進步，是因為 AI 和 ML 系統(tǒng)能夠吸收和解析包括振動、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)就能識別老舊技術(shù)可能忽略的異常情況。
要實現(xiàn)這些優(yōu)勢，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，以連接到最偏遠的運行角落（圖 1）。
圖 1：現(xiàn)代 CbM 系統(tǒng)必須將遠距離操作技術(shù) (OT) 設(shè)備與信息技術(shù) (IT) 系統(tǒng)連接起來。（圖片來源：Analog Devices）
SPE 相比其他方法的優(yōu)勢
要為這些偏遠地區(qū)提供服務(wù)，工程師需要一種 IT 友好型方法來傳輸數(shù)據(jù)和電源，并將成本和實際占用空間維持在最低水平。顯然，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案就是一個不錯的選擇，因為工業(yè)以太網(wǎng)能夠提供 100 Mbps 的典型數(shù)據(jù)帶寬和每個端口高達 30 W 的以太網(wǎng)供電 (PoE) 能力。不過，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，單對以太網(wǎng) (SPE) 通過單根雙絞線提供以太網(wǎng)連接，而不是 100BASE-TX 的兩對線或 10BASE-T 的四對線。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。雖然減小了實際占用空間，但 SPE 能夠支持長達 1 km 的運行距離，數(shù)據(jù)傳輸速率高達 1 Gbps，功率高達 50 W，連接器防護等級達到 IP67，適用于惡劣環(huán)境。
值得注意的是，SPE 的兩個最高額定值不能同時實現(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，在最大電纜長度為 1 km 時，數(shù)據(jù)傳輸速率只能達到 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 接口包含一個介質(zhì)訪問控制 (MAC) 層和一個物理 (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。
許多先進的微控制器 (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，它憑借一顆單獨的芯片滿足了這兩種要求，使設(shè)計人員能夠在各種超低功耗處理器中進行選擇。
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)器用于延長距離、10 Mbps SPE 連接。ADIN1110 通過 4 線串行外設(shè)接口 (SPI) 與主機連接，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，通過一個 4 線 SPI 接口與主處理器連接。（圖片來源：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)通過串聯(lián)電容器耦合到雙絞線上，而直流 (DC) 電源則通過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單根雙絞線提供電源和數(shù)據(jù)信號。（圖片來源：Analog Devices）
實際上，實現(xiàn)穩(wěn)健性和容錯性還需要其他組件。例如，建議使用橋式整流二極管來防止電源連接極出現(xiàn)性錯誤。同樣，還需要一個瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管來確保電磁兼容性 (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行權(quán)衡。
以振動檢測為例。壓電傳感器的性能優(yōu)于微機電系統(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)施的最遠端，因此鑒于成本方面的制約，目前還沒有進行監(jiān)控。然而，仍必須對其數(shù)據(jù)進行挖掘，以提高整個系統(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 傳感器帶來了其他優(yōu)勢。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。
下一個設(shè)計在單軸傳感器和三軸傳感器之間選擇。表 1 列出了兩個典型器件之間的差異（ADXL357BEZ-RL 三軸加速度計和 ADXL1002BCPZ-RL7單軸加速度計）。
表 1：單軸 ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器可在許多需要重點考慮的方面進行權(quán)衡。（圖片來源：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，三軸傳感器可以捕捉垂直、水平和軸向振動，從而更詳細地了解資產(chǎn)的運行情況。單軸傳感器很難識別包括軸彎曲、轉(zhuǎn)子偏心、軸承問題和轉(zhuǎn)子翹起在內(nèi)的許多故障。
值得注意的是，僅靠振動傳感器并不能檢測出所有故障，甚至檢測不到那些與振動有關(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（如電機電流或磁場傳感器）。在其他情況下，最佳解決方案可能需要兩個或多個單軸傳感器。
鑒于這些考慮因素的復(fù)雜性，最好同時試用這兩種傳感器。為此，Analog Devices 提供 ADXL357 3 軸傳感器評估板和 ADXL1002 1 軸傳感器評估板。
將基于 SPE 的 CbM 系統(tǒng)集成到更大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中
提供與云的無縫連接，是對任何 CbM 系統(tǒng)的基本要求。圖 4 說明了如何使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協(xié)議實現(xiàn)這一功能。這種輕量級 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，因為幾乎所有這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、正確的實時操作系統(tǒng) (RTOS) 和邊緣分析軟件。通常只需要幾十 KB 的 RAM 和 ROM。
SPE 電纜到達現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施后，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器可將 10BASE-T1L 信號轉(zhuǎn)換為標準以太網(wǎng)電纜的 10BASE-T 幀。請注意，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
SPE 是一項正在興起的顛覆性技術(shù)，能很好地解決遠程設(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)施擴展到更遠的地方。通過仔細選擇 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)對運營的可視性達到了新的高度，從而提供前所未有的深度運行情況。
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