Hur man implementerar tillståndsbaserad övervakning med hjälp av Ethernet via ett kabelpar

Inom fabriksautomation och Industrial Internet of Things (IIoT) ger tillståndsbaserad övervakning (CbM) insikt i tillgångarnas status för att öka drifttiden och produktiviteten, minska underhållskostnaderna, förlänga tillgångarnas livslängd och garantera arbetarnas säkerhet. Medan förbättringar av sensorer, diagnostiska algoritmer, processorkraft och tillämpningen av artificiell intelligens (AI) och maskininlärningstekniker (ML) gör tillståndsbaserad övervakning mer användbart, har bristen på lämplig infrastruktur begränsat dess räckvidd inom många tillämpningar.

Utrustning i tillämpningar för gruvdrift, olja/gas, allmännyttiga tjänster och tillverkning är ofta placerad på platser som saknar strömförsörjning eller datanätverk. Att dra nya ström- och nätverkskablar till dessa avlägsna platser kan vara dyrt och opraktiskt, särskilt för tillståndsbaserad övervakning som kräver relativt hög ström- och datahastighet.

Med trådlösa alternativ följer kompromisser. En batteridriven givare kan exempelvis bara erbjuda begränsade datahastigheter, vilket gör dessa inställningar olämpliga för tillståndsbaserad övervakning. För att kunna använda de senaste funktionerna för tillståndsbaserad övervakning på dessa platser behöver ingenjörerna alternativa infrastrukturalternativ som ger tillförlitlig strömförsörjning och nätverk med hög bandbredd till en låg kostnad.

10BASE-T1L Ethernet över ett kabelpar (SPE) var uttryckligen utformat för att uppfylla dessa kriterier. Det tillhandahåller data och ström över avstånd på upp till en kilometer, långt bortom begränsningarna för Industrial Ethernet. Med den nya tekniken kan ingenjörer använda sofistikerad teknik för tillståndsbaserad övervakning på tidigare oåtkomliga platser.

Artikeln ger en översikt av tillståndsbaserad övervakning och effekterna av AI innan vi beskriver fördelarna med SPE kabelpar för avlägsna platser. Den lyfter fram viktiga komponenter i SPE-baserade givare, och ger vägledning vid valet av dessa. Artikeln går slutligen igenom grunderna för att utforma ett kombinerat data- och kraftkommunikationsgränssnitt, och den visar hur man integrerar ett SPE-baserat system för tillståndsbaserad övervakning i ett större industriellt nätverk.

Tillståndsbaserad övervakning och effekterna av AI och maskininlärning

Även om det finns många faktorer som driver på tillväxten av tillståndsbaserad övervakning är utvecklingen av AI och maskininlärning särskilt anmärkningsvärd. Dessa tekniker gör att tillståndsbaserad övervakning inte bara omfattar roterande utrustning som t.ex. pumpar, kompressorer och fläktar, utan även en bredare uppsättning maskiner som t.ex. CNC-maskiner, transportbandssystem och robotteknik.

Framstegen är möjliga tack vare AI- och maskininlärningssystemens förmåga att ta in och tolka stora mängder information, inklusive information om vibrationer, tryck, temperatur och visuell information. Med stora datauppsättningar kan system med AI och maskininlärning identifiera avvikande beteenden som äldre teknik kan ha missat.

För att uppnå dessa fördelar måste högkvalitativ information vara tillgängliga från all relevant utrustning, vilket är anledningen till att det har blivit avgörande för system för tillståndsbaserad övervakning att tillhandahålla anslutningar mellan molnkanten och molnet till de mest avlägsna delarna av en verksamhet (figur 1).

Figur 1: Moderna system för tillståndsbaserad övervakning måste koppla samman avlägsen utrustning för driftsteknik (OT) med system för informationsteknik (IT). (Bildkälla: Analog Devices)

Fördelarna med SPE jämfört med alternativen

För att kunna betjäna dessa avlägsna platser behöver ingenjörer ett IT-vänligt sätt att leverera data och ström som minimerar kostnaderna och det fysiska formatet. Lösningar med Industriellt Ethernet är ett självklart val eftersom det erbjuder en typisk databandbredd på 100 Mbit/s och Power over Ethernet (PoE) på upp till 30 W per port. Industriellt Ethernet är dock begränsat till ett avstånd på 100 m.

Här kommer SPE in i bilden, och är som namnet antyder, en Ethernet-anslutning via ett enda partvinnat kabelpar, istället för två par för 100BASE-TX och fyra par för 10BASE-T. Det innebär att kablarna för SPE är mindre, lättare och billigare än motsvarande kablar för industriellt Ethernet. Trots det mindre utrymmet har SPE stöd för sträckor på upp till en kilometer, datahastigheter på upp till 1 Gbit/s, effekt på upp till 50 W och anslutningar enligt IP67 för krävande miljöer.

Det är värt att notera att de högsta värdena för SPE är ömsesidigt uteslutande. Exempelvis stöds hastigheter på 1 Gbit/s endast för korta sträckor på upp till 40 meter. Däremot är datahastigheten begränsad till 10 Mbit/s vid en maximal kabellängd på 1 km.

Hur man väljer en Ethernet MAC för användning i en SPE-tillämpning

Liksom alla Ethernet-anslutningar innehåller SPE-gränssnitten ett MAC-lager (Media Access Control) och ett PHY-lager (Physical Access Control). MAC-lagret hanterar Ethernet-trafiken, medan PHY-lagret omvandlar analoga vågformer från kabeln till digitala signaler.

Många avancerade microkontrollers (MCU:er) är utrustade med ett MAC-lager, och vissa har även ett PHY-lager. Men, de billiga och strömsnåla MCU:er som används för givare i molnkanten saknar dock båda dessa egenskaper. Lösningen ligger i 10BASE-T1L MAC-PHY, som implementerar båda elementen i en separat krets, vilket gör att konstruktörer kan välja mellan olika processorer med extremt låg strömförbrukning.

Ett bra exempel är ADIN1110CCPZ-R7 från Analog Devices (figur 2). Denna 10BASE-T1L-transceiver med en port är avsedd för SPE-anslutningar på 10 Mbit/s med lång räckvidd. ADIN1110 ansluts till värden via ett 4-trådigt SPI-gränssnitt (Serial Peripheral Interface), ett gränssnitt som finns i de flesta moderna microkontrollers.

Figur 2: ADIN1110 är en 10BASE-T1L-transceiver med en port som ansluts till värdprocessorn via ett 4-trådigt SPI-gränssnitt. (Bildkälla: Analog Devices)

För att förbättra robustheten har ADIN1110 integrerad övervakning av spänningsmatningen och kretsar för återställning vid strömtillslag (POR). Programmerbara sändningsnivåer, externa termineringsmotstånd och oberoende mottagnings- och sändningsstift gör dessutom enheten lämplig för tillämpningar med inbyggd säkerhet.

Konstruktion av ett gemensamt gränssnitt för data- och kraftkommunikation

SPE levererar ström och data via samma kablar med hjälp av en teknik som kallas Power over Data Lines (PoDL). Som illustreras i figur 3 kopplas information med hög frekvens till det partvinnade kabelparet via seriekopplade kondensatorer, medan likström (DC) kopplas till matningarna med hjälp av induktorer.

Figur 3: PoDL tillhandahåller ström- och datasignaler över ett enda partvinnat kabelpar med hjälp av induktiv respektive kapacitiv koppling. (Bildkälla: Analog Devices)

I praktiken krävs ytterligare komponenter för robusthet och feltolerans. En likriktarbrygga rekommenderas exempelvis för att skydda mot felaktig polaritet i strömanslutningen. På samma sätt krävs en diod för transientspänningsdämpning för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Framför allt behövs en drossel för att dämpa brus från kabeln i common-mode.

Val av givare för tillståndsbaserad övervakning

Som tidigare nämnts kan tillståndsbaserad övervakning tillämpas på en mängd olika avkänningstillstånd. I alla dessa tillstånd är avvägningen mellan prestanda och effektivitet en av de viktiga faktorer som måste beaktas.

Ta vibrationsavkänning som ett exempel. Piezoelektriska givare har bättre prestanda än mikroelektromekaniska system (MEMS), men till en högre kostnad. Detta gör piezoelektriska sensorer till ett bra val för mycket viktiga tillgångar, som tenderar att vara centralt placerade.

Däremot är många mindre kritiska tillgångar ofta placerade längst ut i en anläggning och övervakas därför inte för närvarande på grund av kostnadsbegränsningar. Men deras information måste fortfarande bearbetas för att förbättra den övergripande systemproduktiviteten. Kombinationen av avstånd och kostnadskänslighet är precis det område där SPE-baserad tillståndsbaserad övervakning utmärker sig, vilket gör MEMS-givare till det naturliga valet.

Förutom lägre kostnader erbjuder MEMS-givare andra fördelar jämfört med SPE-givare. Jämfört med piezoelektriska givare har de flesta MEMS-givare exempelvis digital filtrering, utmärkt linjäritet, låg vikt och liten storlek.

Nästa konstruktionsval är mellan givare med en eller tre axlar. Tabell 1 visar skillnaden mellan två typiska exempel, accelerometern ADXL357BEZ-RL med tre axlar, och accelerometern ADXL1002BCPZ-RL7 med en axel.

Tabell 1: Givarna ADXL1002BCPZ-RL7 med en axel och ADXL357BEZ-RL med tre axlar kräver kompromisser inom många viktiga områden att ta hänsyn till. (Bildkälla: Analog Devices)

Som framgår av tabell 1 erbjuder givare med en axel betydligt högre bandbredd och lägre brus. Givare med tre axlar kan dock registrera vertikala, horisontella och axiella vibrationer, vilket ger en mer detaljerad insikt i en tillgångs funktion. Många fel, som t.ex. böjda axlar, excentriska rotorer, lagerproblem och spända rotorer, är svåra att identifiera med en sensor med en axel.

Det är värt att notera att enbart vibrationsgivare inte kan upptäcka alla fel, inte ens de som främst är relaterade till vibrationer. I vissa scenarier kan den optimala lösningen vara att para ihop en givare med en axel med andra givare, som t.ex. en givare för en motors ström eller magnetfält. I andra fall kan den bästa lösningen vara att använda två eller flera givare med en axel.

Med tanke på komplexiteten i dessa överväganden är det rekommenderat att experimentera med båda typerna av givare. Analog Devices erbjuder Utvärderingskort för givaren ADXL357 med axlar och utvärderingskortet för givaren ADXL1002 med en axel.

Integrering av ett SPE-baserat system tillståndsbaserad övervakning i ett större industriellt nätverk

Ett viktigt krav för alla system för tillståndsbaserad övervakning är att tillhandahålla en sömlös anslutning tillbaka till molnet. Figur 4 visar hur detta kan åstadkommas med hjälp av protokollet Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Detta lättviktiga protokoll för IIoT-meddelanden möjliggör anslutning av fjärrenheter med en minimal mängd kod och låg nätverksbandbredd.

Figur 4: Visar en SPE-baserad arkitektur för tillståndsbaserad övervakning. Viktiga komponenter i givarsystemet är givaren, en strömsnål processor för molnkanten och MAC-PHY. (Bildkälla: Analog Devices)

De flesta billiga Cortex-M4 microcontrollers är lämpliga för denna tillämpning, eftersom praktiskt taget alla dessa kretsar har de SPI-portar som krävs för att ansluta till givarna och MAC-PHY. Ur ett mjukvaruperspektiv är de viktigaste kraven tillräckligt med minne för MQTT-stacken, ett lämpligt realtidsoperativsystem (RTOS) och programvara för analys i molnkanten. Vanligtvis krävs bara några tiotals kilobyte RAM och ROM.

När SPE-kabeln når den befintliga infrastrukturen kan en mediaomvandlare omvandla 10BASE-T1L-signalen till 10BASE-T-ramar för standard Ethernet-kablar. Observera att denna omvandling endast ändrar det fysiska formatet; Ethernet-paketen förblir orörda. Därefter kan paketen skickas via vilket Ethernet-nätverk som helst.

Sammanfattning

SPE håller på att utvecklas till en omvälvande teknik som på ett skickligt sätt hanterar utmaningarna med tillståndsbaserad övervakning av fjärrstyrd utrustning. Dess PoDL-funktioner kombinerar ström- och dataöverföring över ett enda partvinnat kabelpar på ett elegant sätt, vilket ger ett billigt sätt att utöka Ethernet-infrastrukturen till längre avstånd. Med ett genomtänkt val av MAC-PHY-gränssnitt och MEMS-givare kan ingenjörer använda dessa funktioner för att utveckla kompakta, lätta lösningar som är tillräckligt kostnadseffektiva för att motivera användning i mindre viktiga tillgångar. Detta möjliggör nya nivåer av insyn i verksamheten som system med AI och maskininlärning kan använda för att ge oöverträffade insikter om verksamheten.