如何使用單對(duì)以太網(wǎng)實(shí)施基于狀態(tài)的監(jiān)控

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

在工廠自動(dòng)化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 提供對(duì)資產(chǎn)健康狀況的洞察，以增加正常運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)力、降低維護(hù)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、處理能力以及人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)的應(yīng)用的改進(jìn)使 CbM 更加有用，但缺乏合適的基礎(chǔ)設(shè)施限制了其在許多應(yīng)用中的影響力。

采礦、石油/天然氣、公用事業(yè)和制造應(yīng)用中的設(shè)備通常位于缺乏電力或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的位置。將新的電源和網(wǎng)絡(luò)電纜連接到這些遠(yuǎn)程位置可能成本高昂且不切實(shí)際，特別是對(duì)于需要相對(duì)較高功率和數(shù)據(jù)速率的 CbM 應(yīng)用而言。

無線替代方案需要權(quán)衡。例如，電池供電的傳感器只能提供有限的數(shù)據(jù)速率，使得這些設(shè)置不適合 CbM。為了將最新的 CbM 功能引入這些地點(diǎn)，工程師需要替代基礎(chǔ)設(shè)施選項(xiàng)，以低成本提供可靠的電力和高帶寬網(wǎng)絡(luò)。

10BASE-T1L 單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 專為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)。它可在長達(dá) 1 公里 (km) 的距離內(nèi)提供數(shù)據(jù)和電力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工業(yè)以太網(wǎng)的限制。工程師可以利用這項(xiàng)新技術(shù)將復(fù)雜的 CbM 技術(shù)部署到以前無法到達(dá)的位置。

本文概述了 CbM 和人工智能的影響，然后概述了 SPE 對(duì)于遠(yuǎn)程位置的優(yōu)勢(shì)。它重點(diǎn)介紹了基于 SPE 的傳感器的關(guān)鍵組件，并提供了選擇它們的指南。最后，本文回顧了設(shè)計(jì)組合數(shù)據(jù)和電力通信接口的基礎(chǔ)知識(shí)，并展示了如何將基于 SPE 的 CbM 系統(tǒng)集成到更廣泛的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。

CbM 以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的影響

雖然推動(dòng) CbM 增長的因素有很多，但人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的崛起尤其值得注意。這些技術(shù)正在將 CbM 的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到泵、壓縮機(jī)和風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)設(shè)備之外，涵蓋更廣泛的機(jī)械，包括數(shù)控機(jī)床、輸送機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人。

這些進(jìn)步之所以成為可能，是因?yàn)槿斯ぶ悄芎蜋C(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠攝取和解釋大量數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)、壓力、溫度和視覺數(shù)據(jù)。憑借豐富的數(shù)據(jù)集，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以識(shí)別舊技術(shù)可能遺漏的異常行為。

為了實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，所有相關(guān)設(shè)備都必須提供高保真數(shù)據(jù)，這就是為什么 CbM 系統(tǒng)為運(yùn)營中最偏遠(yuǎn)的角落提供邊緣到云連接變得至關(guān)重要的原因（圖 1）。

圖 1：現(xiàn)代 CbM 系統(tǒng)必須將遠(yuǎn)程操作技術(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 相對(duì)于其他替代方案的優(yōu)勢(shì)

為了服務(wù)這些遠(yuǎn)程地點(diǎn)，工程師需要一種 IT 友好的方式來提供數(shù)據(jù)和電力，從而將成本和物理占地面積降至最低。工業(yè)以太網(wǎng)解決方案是一個(gè)顯而易見的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┟棵?100 兆比特 (Mbps) 的典型數(shù)據(jù)帶寬，以及每個(gè)端口高達(dá) 30 瓦的以太網(wǎng)供電 (PoE)。然而，工業(yè)以太網(wǎng)的距離限制為 100 米 (m)。

輸入 SPE，顧名思義，它通過單對(duì)雙絞線提供以太網(wǎng)連接，而不是 100BASE-TX 的兩對(duì)雙絞線或 10BASE-T 的四對(duì)雙絞線。因此，SPE 布線比同等的工業(yè)以太網(wǎng)布線更小、更輕且成本更低。盡管占地面積減少，SPE 仍支持長達(dá) 1 公里 (km) 的運(yùn)行距離、高達(dá) 1 千兆位每秒 (Gbps) 的數(shù)據(jù)速率、高達(dá) 50 瓦的功率以及適用于惡劣環(huán)境的 IP67 等級(jí)連接器。

值得注意的是，SPE 的最大額定值是相互排斥的。例如，僅在長達(dá) 40 m 的短距離運(yùn)行中才支持 1 Gbps 速度。相比之下，在最大電纜長度為 1 km 時(shí)，數(shù)據(jù)速率限制為 10 Mbps。

如何選擇用于 SPE 應(yīng)用的以太網(wǎng) MAC

與所有以太網(wǎng)連接一樣，SPE 接口包含媒體訪問控制 (MAC) 層和物理 (PHY) 層。 MAC 管理以太網(wǎng)流量，而 PHY 將電纜中的模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

許多先進(jìn)的微控制器單元 (MCU) 都配備了 MAC，有些還包含 PHY。然而，用于邊緣傳感器的低成本、低功耗 MCU 缺乏其中任何一個(gè)功能。該解決方案在于 10BASE-T1L MAC-PHY，它在單獨(dú)的芯片中實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)元素，使設(shè)計(jì)人員能夠從各種超低功耗處理器中進(jìn)行選擇。

[Analog Devices 的ADIN1110CCPZ-R7]就是一個(gè)很好的例子（圖 2）。該單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器專為擴(kuò)展范圍、10 Mbps SPE 連接而設(shè)計(jì)。 ADIN1110 通過 4 線串行外設(shè)接口 (SPI) 連接到主機(jī)，這是大多數(shù)現(xiàn)代微控制器上都有的接口。

圖 2：ADIN1110 是一款單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，通過 4 線 SPI 接口連接到主機(jī)處理器。 （圖片來源：Analog Devices）

為了提高魯棒性，ADIN1110 集成了電源電壓監(jiān)控和上電復(fù)位 (POR) 電路。此外，可編程發(fā)送電平、外部終端電阻器以及獨(dú)立的接收和發(fā)送引腳使該器件適合本質(zhì)安全應(yīng)用。

設(shè)計(jì)共享數(shù)據(jù)和電源通信接口

SPE 使用稱為數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 的技術(shù)通過同一根電線提供電源和數(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，而直流 (DC) 電源則使用電感器耦合到線路。

圖 3：PoDL 分別使用電感和電容耦合通過單根雙絞線提供電源和數(shù)據(jù)信號(hào)。 （圖片來源：Analog Devices）

在實(shí)踐中，需要額外的組件來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性和容錯(cuò)能力。例如，建議使用橋式整流二極管來防止電源連接極性錯(cuò)誤。同樣，瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管對(duì)于電磁兼容性 (EMC) 魯棒性也是必需的。值得注意的是，需要一個(gè)扼流圈來減輕電纜的共模噪聲。

選擇 CbM 傳感器

如前所述，CbM 可應(yīng)用于多種傳感模式。在這些模式中，需要考慮的關(guān)鍵因素之一是性能和效率之間的權(quán)衡。

以振動(dòng)傳感為例。壓電傳感器的性能優(yōu)于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，但成本較高。這使得壓電傳感器成為往往位于中心位置的高度關(guān)鍵資產(chǎn)的良好選擇。

相比之下，許多不太重要的資產(chǎn)通常位于設(shè)施最遠(yuǎn)的地方，因此由于成本限制目前并未受到監(jiān)控。然而，仍然必須挖掘他們的數(shù)據(jù)以提高整體系統(tǒng)的生產(chǎn)力。距離和成本敏感性的結(jié)合正是基于 SPE 的 CbM 的優(yōu)勢(shì)，使 MEMS 傳感器成為自然選擇。

除了成本較低之外，MEMS 傳感器還為 SPE 傳感器提供了其他優(yōu)勢(shì)。例如，與壓電傳感器相比，大多數(shù) MEMS 傳感器具有數(shù)字濾波、出色的線性度、重量輕和尺寸小等特點(diǎn)。

下一個(gè)設(shè)計(jì)選擇是在單軸傳感器和三軸傳感器之間進(jìn)行選擇。表 1 列出了兩個(gè)典型示例[ADXL357BEZ-RL]三軸加速度計(jì)和[ADXL1002BCPZ-RL7]單軸加速度計(jì)之間的差異。

| | 范圍 | ADXL357 | ASXL1002 |
| ---------------- | ------------------------- | ----------------------- |
| 軸數(shù) | 3 | 1 |
| 尺寸 | 6毫米×5.6毫米×2.2毫米 | 5毫米×5毫米×1.8毫米 |
| 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 | 是的 | 不 |
| 電源 | 2.25V 至 3.6V | 3.3V 至 5.25V |
| 界面 | SPI | 模擬 |
| 重量 | <0.2克 | <0.2克 |
| 噪音 | 80微克/√赫茲 | 25微克/√赫茲 |
| 帶寬 | 1kHz | 11kHz |
| 電流消耗 | 200微安 | 1,000微安 |

表 1：單軸 ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器在許多重要的考慮領(lǐng)域進(jìn)行權(quán)衡。 （圖片來源：Analog Devices）

如表 1 所示，單軸傳感器可提供更高的帶寬和更低的噪聲。然而，三軸傳感器可以捕獲垂直、水平和軸向振動(dòng)，從而更詳細(xì)地了解資產(chǎn)的運(yùn)行情況。使用單軸傳感器很難識(shí)別許多故障，包括彎曲軸、偏心轉(zhuǎn)子、軸承問題和翹起轉(zhuǎn)子。

值得注意的是，振動(dòng)傳感器本身無法檢測(cè)到所有故障，即使是那些主要與振動(dòng)相關(guān)的故障。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配對(duì)，例如用于電機(jī)電流或磁場(chǎng)的傳感器。在其他情況下，最佳解決方案可能涉及兩個(gè)或更多單軸傳感器。

考慮到這些考慮因素的復(fù)雜性，建議對(duì)兩種類型的傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。為此，Analog Devices 提供了[ADXL357 3 軸傳感器評(píng)估板]和[ADXL1002 1 軸傳感器評(píng)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

任何 CbM 系統(tǒng)的基本要求是提供與云的無縫連接。圖 4 說明了如何使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種輕量級(jí) 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(yuǎn)程設(shè)備。

[]圖 4：所示為基于 SPE 的 CbM 架構(gòu)。關(guān)鍵傳感器系統(tǒng)組件包括傳感器、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 微控制器都適合此應(yīng)用，因?yàn)閹缀跛羞@些芯片都具有連接傳感器和 MAC-PHY 所需的 SPI 端口。從軟件角度來看，主要要求是用于 MQTT 堆棧的足夠內(nèi)存、適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)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。

一旦 SPE 電纜到達(dá)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，媒體轉(zhuǎn)換器就可以將 10BASE-T1L 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的 10BASE-T 幀。請(qǐng)注意，此轉(zhuǎn)換僅更改物理格式；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包保持不變。從這里，這些數(shù)據(jù)包可以通過任何以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

結(jié)論

SPE 正在成為一種變革性技術(shù)，能夠巧妙地解決遠(yuǎn)程設(shè)備 CbM 的挑戰(zhàn)。其 PoDL 功能通過一根雙絞線優(yōu)雅地融合了電力和數(shù)據(jù)傳輸，提供了一種將以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展到更遠(yuǎn)距離的低成本方式。通過精心選擇 MAC-PHY 接口和 MEMS 傳感器，工程師可以利用這些功能來部署緊湊、輕量級(jí)的解決方案，這些解決方案具有足夠的成本效益，足以證明其在不太重要的資產(chǎn)上的使用是合理的。這使得人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以使用新的操作可見性來提供前所未有的操作洞察力。

審核編輯 黃宇