Jak implementovat sledování stavu pomocí jednopárového Ethernetu

Sledování stavu (CbM) poskytuje v oblasti automatizace továren a průmyslového internetu věcí (IIoT) náhled do zdraví zařízení s cílem zvýšení doby provozuschopnosti a produktivity, snížení nákladů na údržbu, prodloužení životnosti zařízení a zajištění bezpečnosti pracovníků. Ačkoli se sledování CbM díky vylepšení senzorů, diagnostických algoritmů, výpočetního výkonu a používání metod umělé inteligence (AI) a strojového učení (ML) stává užitečnějším, nedostatek vhodné infrastruktury omezil jeho dosah v mnoha aplikacích.

Zařízení v aplikacích těžby, zpracování ropy/plynu, veřejných služeb a výroby se často nacházejí v místech, kde chybí elektrické nebo datové sítě. Vedení nových napájecích a síťových kabelů do těchto vzdálených míst může být nákladné a nepraktické, zejména pro aplikace CbM vyžadující relativně vysoký výkon a rychlost přenosu dat.

Bezdrátové alternativy přicházejí s kompromisy. Například snímač napájený z baterií je schopen nabídnout pouze omezené přenosové rychlosti, čímž se tato nastavení stávají nevhodnými pro sledování CbM. Aby konstruktéři mohli do těchto lokalit přinést nejnovější možnosti sledování CbM, potřebují alternativní možnosti infrastruktury poskytující spolehlivý výkon a širokopásmové sítě za nízkou cenu.

Jednopárový Ethernet (SPE) 10BASE-T1L byl speciálně navržen na splnění těchto kritérií. Tento Ethernet přenáší data a napájení na vzdálenost až 1 km, což je daleko za hranicemi průmyslového Ethernetu. Konstruktéři mohou pomocí této nové technologie instalovat sofistikované sledování CbM na dříve nepřístupná místa.

Tento článek poskytuje úvod do sledování CbM a vlivu AI, poté nastíní výhody jednopárového Ethernetu (SPE) pro vzdálená místa. Zdůrazňuje kritické součásti senzorů na bázi Ethernetu SPE a nabízí pokyny pro jejich výběr. Článek na závěr shrnuje základy návrhu kombinovaného komunikačního rozhraní pro přenos dat a napájení a ukazuje, jak integrovat CbM systém založený na SPE do rozlehlejší průmyslové sítě.

Sledování CbM a vliv AI a ML

Zatímco růst sledování CbM je veden mnoha faktory, zvláště pozoruhodný je vzestup AI a ML. Tyto technologie posouvají dosah sledování CbM za hranice rotačních zařízení, jako jsou čerpadla, kompresory a ventilátory zahrnutím širšího spektra strojních systémů včetně CNC strojů, dopravníkových systémů a robotiky.

Tyto pokroky jsou možné díky schopnosti systémů AI a ML přijímat a interpretovat obrovská množství dat, včetně vibrací, tlaku, teploty a vizuálních dat. Díky bohatým datovým sadám mohou systémy AI a ML identifikovat abnormální chování, které starší technologie mohly přehlížet.

K dosažení těchto předností musí být k dispozici vysoce věrohodná data ze všech relevantních zařízení, což je důvod, proč se pro systémy CbM stalo kriticky důležité přenesení konektivity platformy edge-to-cloud až do nejvzdálenějších koutů provozu (obrázek 1).

Obrázek 1: moderní CbM systémy musejí propojovat zařízení vzdálených provozních technologií (OT) se systémy informačních technologií (IT). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Výhody Ethernetu SPE oproti alternativám

Aby mohli konstruktéři tato vzdálená místa obsluhovat, potřebují nalézt způsob přenosu dat a napájení, který je vhodný pro IT a minimalizuje náklady a fyzickou stopu. Jasnou volbu zde představuje řešení průmyslového Ethernetu, neboť nabízí typickou šířku datového pásma 100 Mbps a napájení přes Ethernet (PoE) o výkonu až 30 W na port. Průmyslový Ethernet je však omezen vzdáleností 100 m.

Jednopárový Ethernet (SPE), jak napovídá název, poskytuje připojení přes jedinou kroucenou dvojlinku namísto dvou párů podle standardu 100BASE-TX nebo čtyř párů podle standardu 10BASE-T. Kabeláž pro Ethernet SPE je v důsledku toho menší, lehčí a méně nákladná než ekvivalentní kabeláž průmyslového Ethernetu. Navzdory menším rozměrům podporuje Ethernet SPE vedení v délce až 1 km, přenosovou rychlost dat až 1 Gbps, výkon až 50 W a konektory s krytím IP67 do náročných prostředí.

Stojí za zmínku, že maximální hodnoty parametrů Ethernetu SPE se vzájemně vylučují. Například rychlosti 1 Gbps jsou podporovány pouze pro krátká vedení do 40 m. Naproti tomu datové rychlosti jsou při maximální délce kabelu 1 km omezeny na 10 Mbps.

Jak vybrat ethernetovou vrstvu MAC pro použití v aplikaci SPE

Stejně jako všechna ethernetová připojení zahrnují rozhraní SPE vrstvu řízení přístupu k médiím (MAC) a fyzickou vrstvu (PHY). Vrstva MAC spravuje ethernetový provoz, zatímco fyzická vrstva PHY převádí analogové průběhy signálu v kabelu na digitální signály.

Mnoho pokročilých mikrokontrolérových jednotek (MCU) je vybaveno vrstvou MAC a některé obsahují také fyzickou vrstvu (PHY). Nízkonákladové jednotky MCU s nízkou spotřebou používané pro senzory na okraji však některou z těchto funkcí postrádají. Řešení spočívá v použití vrstvy 10BASE-T1L MAC-PHY implementující oba prvky do samostatného čipu, což konstruktérům umožňuje výběr z různých procesorů s extrémně nízkou spotřebou.

Typickým příkladem je obvod ADIN1110CCPZ-R7 od společnosti Analog Devices (obrázek 2). Tento jednoportový transceiver 10BASE-T1L je navržen pro SPE připojení s rozšířeným dosahem 10 Mbps. Obvod ADIN1110 se připojuje k hostitelskému systému prostřednictvím 4vodičového sériového periferního rozhraní (SPI), které se nachází u většiny moderních mikrokontrolérů.

Obrázek 2: obvod ADIN1110 je jednoportový transceiver 10BASE-T1L, který se připojuje k hostitelskému procesoru přes 4vodičové rozhraní SPI. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro zvýšení robustnosti obsahuje obvod ADIN1110 integrované monitorování napájecího napětí a obvody POR (reset při zapnutí). Díky programovatelným úrovním vysílání, externím zakončovacím odporům a nezávislým přijímacím a vysílacím pinům se zařízení stává vhodným pro jiskrově bezpečné aplikace.

Návrh sdíleného datového a napájecího komunikačního rozhraní

Ethernet SPE přenáší napájení a data přes stejné vodiče pomocí technologie s názvem Power over Data Lines (PoDL). Jak je znázorněno na obrázku 3, vysokofrekvenční data jsou s kroucenou dvojlinkou svázána přes sériové kondenzátory, zatímco stejnosměrné napájecí napětí (DC) je s vedením svázáno přes induktory.

Obrázek 3: technologie PoDL přenáší napájecí, resp. datové signály v jedné kroucené dvojlince pomocí indukční, resp. kapacitní vazby. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro dosažení robustnosti a odolnosti proti chybám jsou v praxi vyžadovány další komponenty. Jako ochrana proti nesprávné polaritě připojení napájení je například doporučena můstková usměrňovací dioda. Podobně je pro zajištění robustnosti z hlediska elektromagnetické kompatibility (EMC) vyžadován transil (TVS). Zejména je zapotřebí tlumivka na potlačení šumu kabelu v režimu souhlasného napětí.

Výběr senzorů pro sledování CbM

Jak bylo uvedeno výše, sledování CbM lze využívat u široké škály snímacích modalit. Jedním z kritických faktorů, který je třeba u těchto modalit zohlednit, je kompromis mezi výkonem a účinností.

Jako příklad lze uvést snímání vibrací. Piezoelektrické senzory nabízejí lepší výkon než mikroelektromechanické systémy (MEMS), avšak za vyšší cenu. Díky tomu představují piezoelektrické senzory dobrou volbu pro kriticky důležitá zařízení, která obvykle bývají centrálně umístěná.

Naproti tomu mnohá méně kritická zařízení se často nacházejí v nejvzdálenějších částech výroby a proto nejsou aktuálně sledována z důvodu omezení nákladů. Stále je však nutné získávat jejich data, aby se zlepšila celková produktivita systému. Sledování CbM založené na Ethernetu SPE nejlépe vyniká v kombinaci citlivosti na vzdálenost a cenu, čímž se senzory MEMS stávají přirozenou volbou.

Kromě nižších nákladů nabízejí senzory MEMS také další výhody pro senzory SPE. Například ve srovnání s piezoelektrickými snímači nabízí většina snímačů MEMS digitální filtraci, vynikající linearitu, nízkou hmotnost a malé rozměry.

Dalším konstrukční krokem je volba mezi jednoosými a tříosými snímači. V tabulce 1 je uveden rozdíl mezi dvěma typickými příklady, tzv. tříosým akcelerometrem ADXL357BEZ-RL a jednoosým akcelerometrem ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabulka 1: jednoosé snímače ADXL1002BCPZ-RL7 a tříosé ADXL357BEZ-RL nabízejí kompromisy v mnoha důležitých oblastech. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Jak je patrné z tabulky 1, jednoosé snímače nabízejí výrazně vyšší šířku pásma a nižší šum. Tříosé snímače však dokáží zachycovat vertikální, horizontální i axiální vibrace, čímž nabízejí podrobnější mapování chování daného zařízení. Mnoho závad, včetně ohnutých hřídelí, rotorů mimo osu, poruch ložisek a překroucených rotorů, je obtížné identifikovat pomocí jednoosého snímače.

Je důležité uvést, že snímače vibrací samy o sobě nedokáží detekovat všechny poruchy, dokonce ani ty, které se primárně týkají vibrací. V některých scénářích může být optimálním řešením spárování jednoosého snímače s jinými snímači, například se snímačem proudu nebo magnetického pole motoru. V jiných případech může být nejlepším řešením použití dvou nebo více jednoosých snímačů.

Vzhledem ke složitosti těchto kritérií je vhodné experimentovat s oběma typy snímačů. Pro tyto účely nabízí společnost Analog Devices vyhodnocovací desku 3osého snímače ADXL357 a vyhodnocovací desku 1osého snímače ADXL1002.

Integrace sledovacího CbM systému na bázi jednopárového Ethernetu (SPE) do větší průmyslové sítě

Základním požadavkem na jakýkoli CbM systém je poskytování bezproblémové zpětné konektivity s cloudem. Realizace takové konektivity pomocí protokolu MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) je znázorněna na obrázku 4. Tento lehký protokol pro zasílání zpráv IIoT umožňuje připojení vzdálených zařízení s minimální kódovou stopou a nízkou šířkou síťového pásma.

Obrázek 4: znázornění architektury CbM systému založeného na jednopárovém Ethernetu (SPE). Hlavní součásti senzorového systému zahrnují snímač, nízkoenergetický procesor na okraji a vrstvu MAC-PHY. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro tuto aplikaci je vhodná většina levných mikrokontrolérů Cortex-M4, neboť takřka všechny tyto čipy budou opatřeny porty rozhraní SPI potřebnými pro připojení k senzoru (senzorům) a k vrstvě MAC-PHY. Z hlediska softwaru jsou hlavními požadavky dostatek paměti pro zásobník MQTT, vhodný operační systém v reálném čase (RTOS) a software pro okrajovou analýzu. Obvykle jsou potřebné paměti RAM a ROM o velikosti pouze několik desítek kilobajtů.

Po připojení kabelu jednopárového Ethernetu (SPE) ke stávající infrastruktuře může konvertor médií převést signál podle standardu 10BASE-T1L na rámce 10BASE-T pro standardní ethernetové kabely. Povšimněte si, že tento převod mění pouze fyzický formát, ethernetové pakety zůstávají nedotčeny. Odtud mohou lze tyto pakety odesílat přes libovolnou síť Ethernet.

Závěr

Jednopárový Ethernet (SPE) nastupuje jakožto transformační technologie, která pohotově řeší problematiku sledování CbM pro vzdálená zařízení. Jeho funkce PoDL elegantně spojují přenos napájení a dat přes jedinou kroucenou dvojlinku a nabízejí tak rozšíření ethernetové infrastruktury na větší vzdálenosti za nízkou cenu. Díky promyšlenému výběru rozhraní MAC-PHY a senzorů MEMS mohou konstruktéři využívat těchto schopností k instalaci kompaktních, lehkých řešení, která jsou dostatečně nákladově efektivní, aby mohla být využívána v méně kritických zařízeních. Tato koncepce otevírá nové úrovně viditelnosti operací, které mohou systémy AI a ML využívat k poskytování dosud nebývalých náhledů do provozu.