基于狀態(tài)的監(jiān)控對于實現(xiàn)工業(yè)4.0至關(guān)重要

作者：Richard Anslow和Dara O‘Sullivan

德國的工業(yè)4.0和中國制造的“中國制造2025”等政府舉措正在加速制造業(yè)無處不在的網(wǎng)絡(luò)化自動化趨勢。此外，智能傳感器系統(tǒng)正在增強自動化，提供更多數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程。特別是，《中國制造2025》旨在快速發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，包括電動汽車、下一代信息技術(shù)（IT）和電信，以及先進(jìn)的機器人和人工智能。對于更先進(jìn)的系統(tǒng)，需要更先進(jìn)的方法來確保系統(tǒng)可靠性。

機器人和旋轉(zhuǎn)機械（如渦輪機、風(fēng)扇、泵和電機）的狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 記錄與機器運行狀況和性能相關(guān)的實時數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)有針對性的預(yù)測性維護(hù)以及優(yōu)化控制。在機器生命周期的早期進(jìn)行有針對性的預(yù)測性維護(hù)，可降低生產(chǎn)停機的風(fēng)險，從而提高可靠性、顯著節(jié)省成本并提高工廠車間的生產(chǎn)率。

如何實施有線狀態(tài)監(jiān)控解決方案？

基于狀態(tài)的工業(yè)機器監(jiān)控可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，例如電氣測量、振動、溫度、油質(zhì)、聲學(xué)和過程測量，例如流量和壓力。然而，振動測量是迄今為止最常見的，因為它可以提供最可靠的機械問題指示，如不平衡和軸承故障。本文重點介紹振動檢測的使用，但該方法同樣適用于來自其他傳感器的數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點到主控制器或云端的傳輸方式高度依賴于應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，一些本地數(shù)據(jù)處理是在邊緣節(jié)點實現(xiàn)的，匯總數(shù)據(jù)隨后以無線方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，或者直接通過蜂窩鏈路傳輸?shù)皆苹蚍治龇?wù)器。在這些情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常相當(dāng)?shù)?，并且通常需要低功耗，因為邊緣?jié)點可以由電池供電。在其他應(yīng)用中，需要原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸。例如，在分析之前，可能需要對齊和融合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)。在利用數(shù)據(jù)進(jìn)行實時控制的應(yīng)用中，也需要原始數(shù)據(jù)傳輸。在這些應(yīng)用中，有線接口是更可能的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

工業(yè)應(yīng)用的CbM可以利用ADI公司的優(yōu)化的微機電系統(tǒng)（MEMS）加速度計信號鏈、低功耗微控制器和有線耦合器隔離接口，從遠(yuǎn)程CbM從機提取、調(diào)理機器健康數(shù)據(jù)并將其可靠地傳送回主控制器進(jìn)行分析。隨著時間的推移，機器健康數(shù)據(jù)可用于創(chuàng)建基于軟件的模型，以確定機器行為的變化并主動維護(hù)機器健康。在某些應(yīng)用中，例如CNC機床，數(shù)據(jù)還可用于實時優(yōu)化系統(tǒng)的性能。?

實施有線CbM接口的挑戰(zhàn)包括：在長電纜上運行時的EMC魯棒性、以高波特率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性（用于實時CbM數(shù)據(jù)流）以及通信物理層/協(xié)議不匹配。ADI公司的信號鏈和系統(tǒng)級專業(yè)知識為實現(xiàn)有線CbM接口提供了多種可能的選項。

本文（第 1 部分，共 2 部分）介紹 ADI 公司的有線接口解決方案，這些解決方案可縮短客戶設(shè)計周期和測試時間，并加快工業(yè) CbM 解決方案的上市時間。下一篇文章將重點介紹主控制器和有線CbM從站的詳細(xì)物理層設(shè)計注意事項。

有線 CbM 設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計和部署有線狀態(tài)監(jiān)控解決方案需要考慮多個系統(tǒng)性能因素并進(jìn)行權(quán)衡。

首先，在選擇合適的MEMS加速度計時，必須考慮需要測量的故障類型，以便選擇正確的帶寬和噪聲性能MEMS以滿足系統(tǒng)要求。邊緣節(jié)點處理需要仔細(xì)匹配所選處理器，以確保最大的系統(tǒng)靈活性。

其次，有線CbM系統(tǒng)的設(shè)計需要仔細(xì)選擇合適的有線通信協(xié)議和物理層，以實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)流。實施有線接口需要仔細(xì)考慮EMC性能、數(shù)據(jù)傳輸布線、連接器和布線供電。

選擇合適的MEMS加速度計

選擇合適的MEMS振動傳感器有多個方面：

軸數(shù)

被監(jiān)控的軸數(shù)通常取決于故障類型和傳感器安裝布置。如果故障具有明顯的主軸，并且該軸上有清晰的傳輸路徑，則單軸傳感器可能就足夠了。三軸檢測對于在多個軸上包含能量的故障或故障能量的傳輸路徑不明確非常有用。

故障類型

被監(jiān)控的故障類型對傳感器的選擇有重大影響。傳感器噪聲密度和帶寬是這方面的重要規(guī)格，因為它們決定了可以可靠提取的振動水平和頻率范圍。例如，低轉(zhuǎn)速機器的不平衡和未對準(zhǔn)故障可能需要低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當(dāng)?shù)?，而齒輪故障檢測可能需要傳感器中的低噪聲密度和高帶寬規(guī)格。

性能要求

除了故障類型，了解CbM的性能要求也很重要?；窘煌粜蜖顟B(tài)指示器的警報檢測需要不同級別的性能才能進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)測。這顯然適用于正在部署的分析和算法，但也對傳感器的選擇產(chǎn)生影響。傳感器在帶寬、噪聲密度和線性度方面的性能水平越高，分析功能就越先進(jìn)。

選擇合適的信號處理

設(shè)計注意事項包括：

加速度計輸出

加速度計的輸出通常是模擬或串行數(shù)字信號，通常是SPI。模擬輸出傳感器需要一個數(shù)字轉(zhuǎn)換級，以及一些信號調(diào)理。這可以是具有前置放大器調(diào)理功能的分立ADC，也可以是微控制器中的嵌入式ADC。

邊緣節(jié)點處理要求

邊緣節(jié)點可能需要一些基本的FFT或信號處理算法，以減輕數(shù)據(jù)鏈路和/或中央控制器/服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求

ADC或傳感器的輸出通常是SPI接口。這本身并不為數(shù)據(jù)完整性檢查、時間戳、混合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)等提供任何機制。在傳輸之前，將傳感器數(shù)據(jù)封裝在邊緣節(jié)點的更高級別的協(xié)議中可能很有用。這可以增加傳感器接口的魯棒性和靈活性，但在邊緣節(jié)點增加了適當(dāng)處理和打包數(shù)據(jù)流的要求。

有關(guān)更多信息，請參閱模擬對話文章“為您的應(yīng)用選擇最合適的MEMS加速度計”。

將加速度計輸出移植到有線通信總線

如前所述，加速度計的輸出通常是模擬或串行數(shù)字信號，通常是SPI。SPI輸出可以本地處理（允許協(xié)議靈活性），然后添加到物理層接口，或直接移植到物理層。

SPI是一種非平衡單端串行接口，用于短距離通信。為了在更長的距離上將SPI直接移植到物理層，可以使用RS-485線路驅(qū)動器和接收器。RS-485信令平衡、差分、固有抗噪聲，并且在長電纜長度上具有魯棒性。

在SPI主機和從站之間較長距離使用SPI時，存在一些挑戰(zhàn)。SPI本質(zhì)上是同步的，時鐘（SCLK）由SPI主機啟動。SPI數(shù)據(jù)線——主輸出從輸入（MOSI）和主輸入從輸出（MISO）——與SCLK同步，在短距離內(nèi)可靠地實現(xiàn)。SPI還具有有源、低使能片選（CS）信號，如果需要，允許單個從機尋址。

在長距離電纜中，SCLK信號將通過電纜產(chǎn)生傳播延遲，對于500米電纜，大約為100 ns。對于 MOSI 數(shù)據(jù)傳輸，MOSI 和 SCLK 通過電纜同樣延遲。但是，從從MISO發(fā)送到主站的數(shù)據(jù)將因電纜傳播延遲的兩倍而不同步。

為了恢復(fù)主機和從機之間的同步性，可以將時鐘信號從從機饋送回主站，或者使用時鐘相移補償主微控制器中的電纜延遲。時鐘的相移必須與系統(tǒng)的總延遲相匹配。AN-1397 提供主微控制器延遲補償?shù)膶崿F(xiàn)細(xì)節(jié)。

有線通信物理層

長距離通信時，需要強大的物理層。如前所述，RS-485信令具有平衡性、差分性和固有的抗噪聲性。系統(tǒng)噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。一個信號發(fā)出與另一個信號相反的信號，耦合到RS-485總線上的電磁場相互抵消。這減少了系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）。使RS-485成為CbM系統(tǒng)理想的其他關(guān)鍵優(yōu)勢包括：

更高的數(shù)據(jù)速率，在較短的電纜長度（小于 50 米）上高達(dá) 100 Mbps

在較低的數(shù)據(jù)速率下使用長達(dá) 1000 m 的電纜

全/半雙工RS-485和RS-422多驅(qū)動器/接收器對可以使用最少的元件數(shù)將雙向SPI轉(zhuǎn)換為RS-485總線信號

寬共模輸入范圍允許主機和從機之間的接地電位差。

有線接口的 EMC 性能

在長距離電纜傳輸中，通信網(wǎng)絡(luò)可能會受到諸如大共模噪聲、接地電位差和高壓瞬變等危害的影響。

傳導(dǎo)和輻射噪聲源會影響沿 100 m 電纜長度的通信可靠性。通過使用ADI公司的i耦合器芯片級變壓器隔離技術(shù)，可以提高對這些噪聲源的抗擾度。AN-1398總結(jié)了使用i耦合器技術(shù)實現(xiàn)的對常見工業(yè)瞬變的抗擾度。

共模瞬變抗擾度（CMTI）是隔離器抑制高壓/高壓擺率噪聲瞬變并保持無差錯通信的能力。信號和 iso電源隔離設(shè)備?提供 25 kV/μs 的最小共模瞬態(tài)抗擾度，并且還可以承受高達(dá) 100 kV/μs 的最大抗擾度，而不會永久閂鎖或損壞。

在工廠自動化環(huán)境中，系統(tǒng)設(shè)計人員通常無法控制為其通信網(wǎng)絡(luò)供電的電氣裝置。最佳做法是假設(shè)存在接地電位差。在運動控制系統(tǒng)中，可能會出現(xiàn)數(shù)百伏的地電位差。RS-485通信節(jié)點需要電氣隔離的電源和數(shù)據(jù)線才能在這些環(huán)境中可靠運行。信號和 iso電源隔離器件提供 600 V 峰值（基本）或 353 V 峰值（增強）的最大連續(xù)工作電壓?；窘^緣可在存在較大接地電位差的情況下實現(xiàn)可靠通信。加強絕緣層可保護(hù)操作員免受工廠車間的電擊事件的影響。

在有線通信網(wǎng)絡(luò)中，裸露的連接器和電纜可能會受到許多苛刻的高壓瞬變的影響。與可調(diào)速電力驅(qū)動系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)要求至少需要±4 kV接觸/ ±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADI公司的下一代RS-485收發(fā)器提供大于±8 kV觸點/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。

數(shù)據(jù)線幻象電源

在主控制器和遠(yuǎn)程CbM傳感器節(jié)點之間分配電源和數(shù)據(jù)線需要創(chuàng)新的解決方案來降低電纜成本。將數(shù)據(jù)和電源結(jié)合在單雙絞線上意味著顯著節(jié)省系統(tǒng)成本，并在空間受限的邊緣傳感器節(jié)點上實現(xiàn)更小的印刷電路板 （PCB） 連接器解決方案。

電源和數(shù)據(jù)使用電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在雙絞線上。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容器耦合到數(shù)據(jù)線，這也保護(hù)RS-485收發(fā)器免受直流總線電壓的影響。電源通過連接到數(shù)據(jù)線的電感器連接到主控制器，然后使用電纜遠(yuǎn)端CbM從傳感器節(jié)點上的電感濾除電源。

電纜兩端的電感應(yīng)匹配良好，以避免差模噪聲，自諧振頻率應(yīng)至少為10 MHz，以避免干擾ADI公司下一代振動測量系統(tǒng)的實時突發(fā)模式。請注意，電源和數(shù)據(jù)耦合解決方案必須添加到不需要直流數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)線中，例如MOSI或MISO到RS-485擴展。

推薦的解決方案和性能權(quán)衡

根據(jù)所提出的設(shè)計考慮因素，以下組件為穩(wěn)健的有線工業(yè)振動測量解決方案提供了最佳路徑。

ADcmXL3021，寬帶寬、低噪聲、三軸振動傳感器

ADuM5401/ADuM5402，四通道、2.5 kV隔離器，集成DC-DC轉(zhuǎn)換器

ADM3066E，50 Mbps半雙工RS-485收發(fā)器

ADM4168E，30 Mbps雙通道RS-422收發(fā)器

LTC2858-1、20 Mbps全雙工RS-485收發(fā)器

ADP7104， 20 V， 500 mA， 低噪聲， CMOS LDO穩(wěn)壓器

推薦的解決方案

ADcmXL3021 MEMS加速度計適用于所有三種解決方案。該加速度計具有超低噪聲密度（25 μg/√Hz），支持出色的分辨率。ADcmXL3021還具有寬帶寬（直流至10 kHz，平坦度為5%），可在許多機器平臺上跟蹤關(guān)鍵振動特征。ADcmXL3021為客戶提供機械優(yōu)化的鋁制封裝，可在寬頻率范圍內(nèi)與集成的MEMS傳感器一致耦合。這可確?？煽康靥崛『驼{(diào)節(jié)來自被測設(shè)備的振動特征。

ADcmXL3021提供SPI輸出，可以直接連接到RS-485/RS-422器件，也可以通過微處理器和/或i耦合器信號和電源隔離間接連接到RS-485/RS-422器件，如圖1所示。為了實時監(jiān)控工業(yè)設(shè)備上的振動特征，ADcmXL3021包括實時流模式，其工作速率約為12 Mbps SPI。

圖1.穩(wěn)健、高度集成的有線MEMS加速度計狀態(tài)監(jiān)控解決方案選項。

要將實時流SPI模式連接到RS-485總線，必須選擇具有重要數(shù)據(jù)速率能力的組件。ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收發(fā)器均以20 Mbps及以上的數(shù)據(jù)速率工作。

對于圖1所示的選項2和選項1，通過SPI直接連接到RS-485，ADM3066E和ADM4168E提供了一個可靠的接口，用于從振動傳感器節(jié)點實現(xiàn)SPI 3接收、1發(fā)送（3+1）配置。SPI CS接收信號使用ADM3066E實現(xiàn)，SPI CLK、MOSI和MISO信號使用ADM4168E實現(xiàn)。在實時流模式下運行時，ADcmXL3021向主微控制器發(fā)送中斷信號，以標(biāo)記何時有新的數(shù)據(jù)突發(fā)可供捕獲。中斷信號（/BUSY）也可以使用ADM4168E傳輸?shù)街鳈C。

完整的解決方案包括從主站發(fā)送到ADcmXL3021的三個信號（MOSI、CS、CLK）和兩個從ADcmXL3021發(fā)送回主站的信號（MISO、/BUSY）。5×單端信號只需使用兩個元件（ADM4168E和ADM3066E）即可轉(zhuǎn)換為差分信號。使用RJ50連接器和插頭可以容納差分信號，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45以太網(wǎng)連接器相比，它們消耗的PCB面積幾乎相同。ADM3066E和ADM4168E收發(fā)器提供大于±8 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)，在直接連接到有線電纜接口時具有出色的魯棒性。

對于選項3，微控制器允許對ADcmXL3021 SPI輸出進(jìn)行預(yù)處理，并可以在SPI和其他串行接口（如UART）之間執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。UART是一種常用的異步協(xié)議，帶有RS-485接口。UART 由發(fā)送和接收信號以及發(fā)射使能信號組成，所有這些信號均可直接連接到全雙工 RS-485 收發(fā)器，例如 LTC2858-1。在全雙工模式下，LTC2858-1 允許同時進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足了對 SPI 雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。微控制器可以處理同步SPI到異步UART協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

ADuM5401/ADum5402是業(yè)界尺寸最小的信號和電源隔離器件。它們包括一個集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，可通過500.5 V輸入電源在0.3 V或3.5 V下提供高達(dá)0 mW的穩(wěn)壓隔離電源。

在圖1中，選項2包括ADuM5401，它從數(shù)據(jù)總線獲取5 V直流電，為ADcmXL3提供3021 V隔離電源。ADuM5401還包括4通道信號隔離，配置適合3+1 SPI隔離。

圖3中的選項1包含ADuM5402，與ADuM5401類似。主要區(qū)別在于ADuM5402提供2個發(fā)送和2個接收數(shù)字隔離通道。

如前所述，ADuM5401/ADuM5402提高了有線CbM接口的EMC抗擾度，保護(hù)ADcmXL3021免受高壓干擾和RS-485電纜接口上的地電位差的影響。

性能權(quán)衡

表1使用許多關(guān)鍵指標(biāo)比較了這三種解決方案，包括設(shè)計靈活性、PCB面積、解決方案成本、復(fù)雜性和EMC性能。

在CbM傳感器節(jié)點上集成微控制器將提高設(shè)計靈活性，但代價是PCB面積增加和軟件復(fù)雜性增加。由于主CbM節(jié)點將有一個處理器，這意味著圖3中的選項1本質(zhì)上是一個雙微控制器系統(tǒng)，與主CbM節(jié)點上的單個微控制器相比，其啟動和運行速度較慢。

選項 1 和選項 2 提供較低的設(shè)計靈活性，但提供了更快速部署的途徑，因為它們可以促進(jìn)低復(fù)雜度、透明的 SPI 到 RS-485 鏈路。與選項 1 相比，選項 2 和選項 3 還提供了實現(xiàn)更小 PCB 外形尺寸的途徑，后者需要為微控制器和相關(guān)電路（例如，時鐘振蕩器和多個無源元件）提供額外的 PCB 面積。

在選項 2 和選項 3 中添加 i耦合器信號和電源隔離，可對 PCB 面積造成最小的損失，并且比使用 RS-485/RS-422 收發(fā)器進(jìn)行片上保護(hù)時提高 EMC 性能。

低數(shù)據(jù)速率解決方案

對于以較低數(shù)據(jù)速率（小于2 Mbps）運行的有線應(yīng)用，LTC4332 SPI擴展器提供了一種替代方案，用于加固主從傳感器節(jié)點之間的SPI鏈路。LTC4332 能夠傳輸 SPI 數(shù)據(jù)，包括通過兩條雙絞線電纜傳輸一個中斷信號。該解決方案可顯著節(jié)省成本，因為與標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，可使用的總線布線最多可減少 50%。

圖2.LTC4332 SPI 擴展器接口可節(jié)省電纜成本。

審核編輯：郭婷