Cum se implementează monitorizarea bazată pe condiții utilizând Single-Pair Ethernet

În domeniul automatizării fabricilor și al internetului industrial al lucrurilor (IIoT), monitorizarea bazată pe condiții (CbM) oferă informații despre starea activelor pentru a crește timpul de funcționare și productivitatea, a reduce costurile de întreținere, a prelungi durata de viață a activelor și a garanta siguranța lucrătorilor. În timp ce îmbunătățirile aduse senzorilor, algoritmilor de diagnosticare, puterii de procesare și aplicării tehnicilor de inteligență artificială (AI) și de învățare automată (ML) fac CbM mai utilă, lipsa unei infrastructuri adecvate a limitat ajungerea acesteia în multe aplicații.

Echipamentele din aplicațiile pentru minerit, petrol/gaze, utilități și producție sunt adesea amplasate în locații care nu dispun de energie electrică sau de rețele de date. Instalarea de noi cabluri de alimentare și de rețea în aceste locații îndepărtate poate fi costisitoare și nepractică, în special pentru aplicațiile CbM care necesită viteze relativ mari de alimentare și de transfer de date.

Alternativele fără fir vin cu compromisuri. De exemplu, un senzor alimentat cu baterii poate oferi doar viteze de date limitate, ceea ce face ca aceste configurații să fie nepotrivite pentru CbM. Pentru a aduce cele mai recente capabilități CbM în aceste locații, inginerii au nevoie de opțiuni alternative de infrastructură care să ofere energie fiabilă și o lățime de bandă mare la un cost redus.

10BASE-T1L single-pair Ethernet (SPE) a fost conceput în mod explicit pentru a îndeplini aceste criterii. Acesta furnizează date și energie pe distanțe de până la 1 kilometru (km), cu mult peste limitele Ethernet-ului industrial. Cu ajutorul acestei noi tehnologii, inginerii pot implementa tehnologii sofisticate de CbM în locații inaccesibile până acum.

Acest articol oferă o prezentare generală a CbM și a impactului AI înainte de a sublinia avantajele SPE pentru locațiile îndepărtate. Acesta evidențiază componentele critice ale senzorilor bazați pe SPE și oferă îndrumări pentru alegerea acestora. În cele din urmă, articolul trece în revistă elementele de bază ale proiectării unei interfețe combinate de comunicații de date și energie și arată cum se poate integra un sistem CbM bazat pe SPE într-o rețea industrială mai largă.

CbM și impactul AI și ML

În timp ce mulți factori impulsionează creșterea CbM, ascensiunea AI și ML este deosebit de notabilă. Aceste tehnologii extind domeniul de aplicare al CbM dincolo de echipamentele rotative, cum ar fi pompele, compresoarele și ventilatoarele, pentru a cuprinde un spectru mai larg de utilaje care include mașini CNC, sisteme de transport și robotică.

Aceste progrese sunt posibile datorită capacității sistemelor de inteligență artificială și de ML de a asimila și interpreta o multitudine de date, inclusiv vibrații, presiune, temperatură și date vizuale. Cu seturi bogate de date, sistemele de inteligență artificială și ML pot identifica comportamente anormale pe care tehnologiile mai vechi le-ar fi putut rata.

Pentru a obține aceste beneficii, datele de înaltă fidelitate trebuie să fie disponibile de la toate echipamentele relevante, motiv pentru care a devenit esențial ca sistemele CbM să ofere conectivitate edge-to-cloud până în cele mai îndepărtate colțuri ale unei operațiuni (Figura 1).

Figura 1: Sistemele CbM moderne trebuie să conecteze echipamentele de tehnologie operațională (OT) de la distanță cu sistemele de tehnologie a informației (IT). (Sursă imagine: Analog Devices)

Avantajele SPE față de alternative

Pentru a deservi aceste locații îndepărtate, inginerii au nevoie de o modalitate de livrare a datelor și a energiei care să fie prietenoasă cu tehnologia IT și care să mențină costurile și amprenta fizică la un nivel minim. Soluțiile Ethernet industriale sunt o alegere evidentă, deoarece oferă o lățime de bandă de date tipică de 100 de megabiți pe secundă (Mbps) și alimentare prin Ethernet (PoE) de până la 30 de wați pe port. Cu toate acestea, Ethernet industrial este limitat la o distanță de 100 de metri (m).

Aici intră SPE, care, după cum sugerează și numele, oferă conectivitate Ethernet pe o singură pereche de fire răsucite, în loc de două perechi pentru 100BASE-TX sau patru perechi pentru 10BASE-T. Drept urmare, cablarea SPE este mai mică, mai ușoară și mai puțin costisitoare decât cablarea Ethernet industrial echivalentă. În ciuda amprentei reduse, SPE acceptă distanțe de până la 1 kilometru (km), viteze de transfer de date de până la 1 gigabit pe secundă (Gbps), putere de până la 50 de wați și conectori cu grad de protecție IP67 pentru medii dificile.

Este important de remarcat faptul că ratingurile maxime pentru SPE se exclud reciproc. De exemplu, vitezele de 1 Gbps sunt acceptate doar pentru distanțe scurte de până la 40 m. În schimb, vitezele de transfer al datelor sunt limitate la 10 Mbps la o lungime maximă a cablului de 1 km.

Cum se selectează un MAC Ethernet pentru utilizarea într-o aplicație SPE

La fel ca toate conexiunile Ethernet, interfețele SPE încorporează un strat de control al accesului la media (MAC) și un strat fizic (PHY). MAC gestionează traficul Ethernet, în timp ce PHY transformă formele de undă analogice de pe cablu în semnale digitale.

Multe unități avansate de microcontroler (MCU) sunt echipate cu un MAC, iar unele includ un PHY. Cu toate acestea, MCU-urile ieftine și cu consum redus de energie utilizate pentru senzorii periferici nu au niciuna dintre aceste caracteristici. Soluția constă în 10BASE-T1L MAC-PHY, care implementează ambele elemente într-un cip separat, permițând proiectanților să aleagă dintre diverse procesoare cu consum foarte redus de energie.

Un bun exemplu este ADIN1110CCPZ-R7 de la Analog Devices (Figura 2). Acest emițător-receptor 10BASE-T1L cu un singur port este proiectat pentru conexiuni SPE de 10 Mbps cu rază de acțiune extinsă. ADIN1110 se conectează la gazdă prin intermediul unei interfețe periferice seriale (SPI) cu 4 fire, o interfață întâlnită pe majoritatea microcontrolerelor moderne.

Figura 2: ADIN1110 este un emițător-receptor 10BASE-T1L cu un singur port care se conectează la procesorul gazdă prin intermediul unei interfețe SPI cu 4 fire. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a îmbunătăți robustețea, ADIN1110 dispune de circuite integrate de monitorizare a tensiunii de alimentare și de resetare la pornire (POR). În plus, nivelurile de transmisie programabile, rezistoarele cu terminație externă și pinii de recepție și transmisie independenți fac ca dispozitivul să fie potrivit pentru aplicații de siguranță intrinsecă.

Proiectarea unei interfețe comune de comunicații de date și energie

SPE furnizează energie electrică și date prin aceleași fire, folosind o tehnologie numită Power over Data Lines (PoDL). După cum este ilustrat în Figura 3, datele de înaltă frecvență sunt cuplate la perechea torsadată prin condensatoare în serie, în timp ce energia de curent continuu (c.c.) este cuplată la linii cu ajutorul inductorilor.

Figura 3: PoDL furnizează semnale de putere și de date pe o singură pereche torsadată folosind cuplarea inductivă și, respectiv, capacitivă. (Sursă imagine: Analog Devices)

În practică, sunt necesare componente suplimentare pentru robustețe și toleranță la erori. De exemplu, se recomandă o diodă redresoare în punte pentru a proteja împotriva polarității incorecte a conexiunii de alimentare. În mod similar, este necesară o diodă de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) pentru a asigura robustețea compatibilității electromagnetice (CEM). În special, este nevoie de o bobină de reactanță pentru a atenua zgomotul de mod comun din cablu.

Selectarea senzorilor pentru CbM

După cum s-a menționat anterior, CbM se poate aplica unei mari varietăți de modalități de detecție. În cadrul acestor modalități, unul dintre factorii critici care trebuie luați în considerare este compromisul dintre performanță și eficiență.

Luați ca exemplu detectarea vibrațiilor. Senzorii piezoelectrici oferă performanțe superioare celor ale sistemelor microelectromecanice (MEMS), dar la un cost mai ridicat. Acest lucru face ca senzorii piezoelectrici să fie o alegere bună pentru bunurile foarte critice, care tind să fie amplasate central.

În schimb, multe active mai puțin critice sunt adesea situate în cele mai îndepărtate zone ale unei instalații și, prin urmare, nu sunt monitorizate în prezent din cauza constrângerilor legate de costuri. Cu toate acestea, datele lor trebuie să fie exploatate pentru a îmbunătăți productivitatea generală a sistemului. Combinația de sensibilitate la distanță și costuri este exact acolo unde CbM bazat pe SPE excelează, ceea ce face ca senzorii MEMS să fie o soluție naturală.

Pe lângă costul mai scăzut, senzorii MEMS oferă și alte avantaje pentru senzorii SPE. De exemplu, în comparație cu senzorii piezoelectrici, majoritatea senzorilor MEMS oferă filtrare digitală, liniaritate excelentă, greutate redusă și dimensiuni mici.

Următoarea alegere de proiectare este între senzorii cu o singură axă și cei cu trei axe. Tabelul 1 notează diferența dintre două exemple tipice, accelerometrul cu trei axe ADXL357BEZ-RL și accelerometrul cu o singură axă ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabelul 1: Senzorii cu o singură axă ADXL1002BCPZ-RL7 și cu trei axe ADXL357BEZ-RL oferă compromisuri în multe domenii importante de luat în considerare. (Sursa imaginii: Analog Devices)

După cum demonstrează Tabelul 1, senzorii cu o singură axă oferă o lățime de bandă considerabil mai mare și un zgomot mai mic. Cu toate acestea, senzorii triaxiali pot capta vibrațiile verticale, orizontale și axiale, oferind o înțelegere mai detaliată a funcționării unui activ. Multe defecțiuni, inclusiv arbori îndoiți, rotoare excentrice, probleme cu rulmenții și rotoare înclinate, sunt dificil de identificat cu un senzor cu o singură axă.

Este de remarcat faptul că senzorii de vibrații nu pot detecta singuri toate defecțiunile, nici măcar pe cele legate în principal de vibrații. În unele scenarii, soluția optimă poate fi asocierea unui senzor cu o singură axă cu alți senzori, cum ar fi un senzor pentru curentul sau câmpul magnetic al unui motor. În alte cazuri, cea mai bună soluție poate implica doi sau mai mulți senzori cu o singură axă.

Având în vedere complexitatea acestor considerente, este recomandabil să se experimenteze cu ambele tipuri de senzori. În acest scop, Analog Devices oferă placa de evaluare a senzorilor cu 3 axe ADXL357 și placa de evaluare a senzorilor cu 1 axă ADXL1002.

Integrarea unui sistem CbM bazat pe SPE într-o rețea industrială mai mare

O cerință esențială pentru orice sistem CbM este de a asigura o conectivitate perfectă cu cloud-ul. Figura 4 ilustrează modul în care se poate realiza acest lucru folosind protocolul MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Acest protocol ușor de mesagerie IIoT permite conectarea dispozitivelor de la distanță cu o amprentă de cod minimă și o lățime de bandă de rețea redusă.

Figura 4: Este prezentată o arhitectură CbM bazată pe SPE. Componentele cheie ale sistemului de senzori includ senzorul, un procesor periferic cu consum redus de energie și MAC-PHY. (Sursă imagine: Analog Devices)

Majoritatea microcontrolerelor Cortex-M4 cu costuri reduse sunt potrivite pentru această aplicație, deoarece aproape toate aceste cipuri vor avea porturile SPI necesare pentru a se conecta la senzor(i) și la MAC-PHY. În ceea ce privește software-ul, principalele cerințe sunt o memorie suficientă pentru stiva MQTT, un sistem de operare în timp real (RTOS) adecvat și un software de analiză periferică. În mod obișnuit, sunt necesare doar câteva zeci de kiloocteți de memorie RAM și ROM.

Odată ce cablul SPE ajunge la infrastructura existentă, un convertor media poate transforma semnalul 10BASE-T1L în cadre 10BASE-T pentru cabluri Ethernet standard. Rețineți că această conversie modifică doar formatul fizic; pachetele Ethernet rămân neatinse. De aici, aceste pachete pot fi trimise prin orice rețea Ethernet.

Concluzie

SPE se profilează ca o tehnologie transformatoare, abordând cu pricepere provocările CbM pentru echipamentele de la distanță. Capacitățile sale PoDL îmbină în mod elegant transmisia de energie și de date pe o singură pereche torsadată, oferind o modalitate ieftină de a extinde infrastructura Ethernet la distanțe mai mari. Cu o selecție atentă a interfețelor MAC-PHY și a senzorilor MEMS, inginerii pot utiliza aceste capacități pentru a implementa soluții compacte și ușoare, care sunt suficient de rentabile pentru a justifica utilizarea lor pe echipamente mai puțin critice. Acest lucru permite noi niveluri de vizibilitate a operațiunilor pe care sistemele de inteligență artificială și ML le pot utiliza pentru a oferi informații operaționale fără precedent.