Slik implementerer du tilstandsbasert overvåking ved å bruke Ethernet med enkeltpar (SPE)

I fabrikkautomatisering og det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things) gir tilstandsbasert overvåking (CbM – condition-based monitoring) innsikt i eiendelens tilstand for å øke oppetiden og produktiviteten, redusere vedlikeholdskostnadene, forlenge eiendelens levetid og sikre arbeidernes sikkerhet. Selv om forbedringer i sensorer, diagnostiske algoritmer og prosessorkraft, og bruken av kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML), gjør CbM mer nyttig, har mangelen på egnet infrastruktur begrenset rekkevidden på tvers av mange bruksområder.

Utstyr i konstruksjoner for gruvedrift, olje/gass, verktøy og produksjon, er ofte plassert på steder som mangler strøm- eller datanettverk. Å legge nye strøm- og nettverkskabler til disse eksterne stedene kan være kostbart og upraktisk, spesielt for CbM-konstruksjoner som krever relativt høye strømverdier og høye datahastigheter.

Trådløse alternativer har både fordeler og bakdeler. For eksempel kan en batteridrevet sensor bare tilby begrensede datahastigheter, noe som gjør disse oppsettene uegnet for CbM. For å bringe de nyeste CbM-funksjonene til disse stedene, trenger teknikere alternative infrastrukturalternativer som leverer pålitelig strøm og nettverk med høy båndbredde til en lav pris.

10BASE-T1L Ethernet med enkeltpar (SPE – single-pair Ethernet) ble utviklet for å oppfylle disse kriteriene. Den leverer data og strøm over avstander på opptil 1 kilometer (km), langt utover begrensningene til industrielt Ethernet. Teknikere kan distribuere avansert CbM-teknologi til tidligere utilgjengelige steder med denne nye teknologien.

Denne artikkelen gir en oversikt over CbM og virkningen av AI, og går deretter videre til å oppsummere fordelene med SPE for eksterne steder. Den fremhever avgjørende komponenter i SPE-baserte sensorer og gir retningslinjer for valg av disse. Til slutt gjennomgår artikkelen det grunnleggende for utformingen av et kombinert grensesnitt for data- og strømkommunikasjon, og den viser hvordan et SPE-basert CbM-system kan integreres i et bredere industrinettverk.

CbM og virkningen av AI og ML

Selv om det finnes mange faktorer som driver veksten av CbM, er utbredelsen av AI og ML spesielt bemerkelsesverdig. Disse teknologiene utvider bruksområdene til CbM utover roterende utstyr som pumper, kompressorer og vifter, til å omfatte et bredere spekter av maskiner, for eksempel CNC-maskiner, transportbåndsystemer og robotikk.

Disse fremskrittene er mulige takket være AI- og ML-systemenes evne til å innta og fortolke utallige data, deriblant vibrasjoner, trykk, temperatur og visuelle data. Med rike datasett kan AI- og ML-systemer identifisere unormal oppførsel som eldre teknologier kan ha gått glipp av.

For å oppnå disse fordelene må Hi-Fi-data være tilgjengelig fra alt relevant utstyr, noe som er grunnen til at det har blitt avgjørende for CbM-systemer å gi kant-til-sky-konnektivitet til de mest fjerntliggende områdene i en virksomhet (figur 1).

Figur 1: Moderne CbM-systemer må koble sammen fjerntliggende driftsteknologisk (OT – operations technology) utstyr med informasjonsteknologiske (IT) systemer. (Bildekilde: Analog Devices)

Fordelene til SPE sammenlignet med alternativene

For å håndtere disse fjerntliggende stedene trenger teknikere en IT-vennlig måte å levere data og strøm på, som holder kostnadene og den fysiske størrelsen nede på et minimum. Industrielle Ethernet-løsninger er et opplagt valg, fordi de tilbyr en typisk databåndbredde på 100 megabit per sekund (Mb/s) og strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet) på opptil 30 watt per port. Industrielt Ethernet er imidlertid begrenset til en avstand på 100 meter (m).

Angi SPE, som (slik navnet antyder) gir Ethernet-konnektivitet over ledninger med ett tvunnet par, i stedet for to par for 100BASE-TX eller fire par for 10BASE-T. Som et resultat er SPE-kabling mindre, lettere og billigere enn tilsvarende industriell Ethernet-kabling. Til tross for den reduserte fysiske størrelsen, støtter SPE kabelløp på opptil 1 kilometer (km), datahastigheter på opptil 1 gigabit per sekund (Gb/s), strøm på opptil 50 watt og IP67-klassifiserte kontakter for tøffe miljøer.

Det er verdt å merke seg at de maksimale klassifiseringene for SPE er gjensidig utelukkende. For eksempel støttes hastigheter på 1 Gb/s kun for korte kabelløp på opptil 40 m. Datahastigheter er derimot begrenset til 10 Mb/s ved den maksimale kabellengden på 1 km.

Slik velges en Ethernet MAC for bruk i en SPE-konstruksjon

I likhet med alle andre Ethernet-tilkoblinger, har SPE-grensesnitt et MAC-lag (MAC – media access control) og et fysisk lag (PHY). MAC håndterer Ethernet-trafikk, mens PHY transformerer analoge bølgeformer fra kabelen til digitale signaler.

Mange avanserte mikrokontrollere (MCU-er) er utstyrt med en MAC, og noen har en PHY. De billige mikrokontrollerne med lav effekt som brukes for kantsensorer, mangler imidlertid noen av disse funksjonene. Løsningen ligger i 10BASE-T1L MAC-PHY, som implementerer begge elementene i en separat brikke, noe som gjør det mulig for konstruktører å velge mellom ulike prosessorer med ultralavt energiforbruk.

Et godt eksempel er ADIN1110CCPZ-R7 fra Analog Devices (figur 2). Denne 10BASE-T1L-transceiveren med én port er konstruert for 10 Mb/s SPE-tilkoblinger med utvidet rekkevidde. ADIN1110 kobles til verten via et 4-leders serielt periferigrensesnitt (SPI – serial peripheral interface), et grensesnitt som finnes på de fleste moderne mikrokontrollere.

Figur 2: ADIN1110 er en 10BASE-T1L-transceiver med én port, som kobles til vertsprosessoren via et 4-leders SPI-grensesnitt. (Bildekilde: Analog Devices)

For å forbedre robustheten har ADIN1110 integrert overvåking av spenningsforsyning og kretser for nullstilling ved påslag (Power on Reset). Programmerbare sendenivåer, eksterne endemotstander og uavhengige Rx/Tx-pinner (Rx/Tx – sending/mottak) gjør ADIN1110 godt egnet for intrinsike sikkerhetsutrustninger.

Utforming av et delt grensesnitt for data- og strømkommunikasjon

SPE leverer strøm og data over de samme ledningene ved hjelp av en teknologi som kalles PoDL (Power over Data Lines). Som illustrert i figur 3, er høyfrekvente data koblet til det tvunnede paret gjennom seriekondensatorer, mens likestrøm (DC) er koblet til linjene ved å bruke induktorer.

Figur 3: PoDL gir strøm og datasignaler over ett enkelt tvunnet par ved hjelp av henholdsvis induktiv og kapasitiv kobling. (Bildekilde: Analog Devices)

I praksis kreves ekstra komponenter for å oppnå robusthet og feiltoleranse. For eksempel anbefales en brolikeretterdiode for å beskytte mot feil polaritet i strømtilkoblingen. På samme måte kreves en transientdemperdiode (TVS – transient voltage suppressor) for å oppnå robusthet med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility). Det nødvendig med en drossel for å dempe fellesmodusstøy fra kabelen.

Velge sensorer for CbM

Som nevnt tidligere, kan CbM være aktuelt for et bredt utvalg av sensormodaliteter. En av de viktigste faktorene å vurdere på tvers av disse modalitetene, er avveiningen mellom ytelse og effektivitet.

La oss se på vibrasjonsdeteksjon som et eksempel. Piezoelektriske sensorer gir overlegen ytelse sammenlignet med MEMS-systemer (MEMS – microelectromechanical systems), men kommer med en høyere prislapp. Dette gjør piezoelektriske sensorer til et godt valg for svært viktige eiendeler, som har en tendens til å være sentralt plassert.

I motsetning til dette er mange mindre viktige eiendeler ofte plassert i de fjerneste delene av et anlegg, og overvåkes derfor ikke for øyeblikket på grunn av kostnadsbegrensninger. Likevel må dataene deres fortsatt utvinnes for å forbedre den generelle systemproduktiviteten. Den følsomme kombinasjonen av avstand og kostnad er akkurat der SPE-basert CbM utmerker seg, noe som gjør MEMS-sensorer spesielt godt egnet.

Sammen med lavere kostnader, gir MEMS-sensorer andre fordeler for SPE-sensorer. Sammenlignet med piezoelektriske sensorer, for eksempel, tilbyr de fleste MEMS-sensorer digital filtrering, utmerket linearitet, lav vekt og liten størrelse.

Det neste konstruksjonsvalget står mellom sensorer med én eller tre akser. Tabell 1 viser forskjellen mellom to typiske eksempler, det treaksede ADXL357BEZ-RL-akselerometeret og det enaksede ADXL1002BCPZ-RL7-akselerometeret.

Tabell 1: Enaksede ADXL1002BCPZ-RL7-sensorer og treaksede ADXL357BEZ-RL-sensorer gir avveininger på tvers av mange viktige områder. (Bildekilde: Analog Devices)

Se tabell 1, der enaksede sensorer tilbyr betydelig høyere båndbredde og lavere støy. Imidlertid kan treaksede sensorer fange opp vertikale, horisontale og aksiale vibrasjoner, noe som gir en mer detaljert forståelse av driften til en eiendel. Mange feil, deriblant bøyde aksler, eksentriske rotorer, lagerproblemer og skråstilte rotorer, er utfordrende å identifisere med en enakset sensor.

Det er verdt å merke seg at vibrasjonssensorer alene ikke kan detektere alle feil, til og med de som hovedsakelig er relatert til vibrasjon. I noen scenarier kan den optimale løsningen være å kombinere en enakset sensor med andre sensorer, for eksempel en sensor for en motors strøm eller magnetfelt. I andre tilfeller kan den beste løsningen omfatte to eller flere enaksede sensorer.

Gitt kompleksiteten forbundet med disse faktorene, er det fornuftig å eksperimentere med begge sensortyper. For dette formålet tilbyr Analog Devices evalueringskortet for sensoren ADXL357 med tre akser og evalueringskortet for sensoren ADXL357 med én akse.

Integrering av et SPE-basert CbM-system i et større industrinettverk

Et viktig krav for alle CbM-systemer, er at det gis sømløs tilkobling tilbake til skyen. Figur 4 illustrerer hvordan dette kan gjøres ved hjelp av MQTT-protokollen (MQTT – MQ Queuing Telemetry Transport). Denne lette IIoT-meldingsprotokollen gjør det mulig å koble til eksterne enheter med minimal kodestørrelse og lav nettverksbåndbredde.

Figur 4: Her vises en CbM-arkitektur basert på SPE. Viktige sensorsystemkomponenter omfatter sensoren, en kantprosessor med lavt strømforbruk og MAC-PHY. (Bildekilde: Analog Devices)

De fleste rimelige Cortex-M4-mikrokontrollere er egnet for dette bruksområdet, siden praktisk talt alle disse brikkene vil ha SPI-portene som trengs for å koble til sensoren(e) og MAC-PHY. Hovedkravene, fra et programvareperspektiv, er tilstrekkelig minne for MQTT-stakken, et egnet sanntidsoperativsystem (RTOS – real-time operating system) og Edge Analytics-programvare. Vanligvis trengs bare noen få titalls kilobyte RAM og ROM.

Når SPE-kabelen når frem til den eksisterende infrastrukturen, kan en medieomformer endre 10BASE-T1L-signalet til 10BASE-T-rammer for standard Ethernet-kabler. Vær oppmerksom på at denne konverteringen bare endrer det fysiske formatet. Ethernet-pakkene forblir uberørte. Herfra kan disse pakkene sendes over et hvilket som helst Ethernet-nettverk.

Konklusjon

SPE fremstår som en transformativ teknologi som håndterer utfordringene med CbM for eksternt utstyr på en god måte. PoDL-funksjonene kombinerer elegant strøm- og dataoverføring over ett tvunnet par, noe som gir en prisgunstig måte å utvide Ethernet-infrastrukturen til større avstander. Med det gjennomtenkte utvalget av MAC-PHY-grensesnitt og MEMS-sensorer kan teknikere bruke disse funksjonene til å implementere kompakte, lette løsninger som er tilstrekkelig kostnadseffektive til at de rettferdiggjør bruken på mindre viktige eiendeler. Dette muliggjør nye nivåer av synlighet inn i virksomheter noe som AI- og ML-systemer kan bruke til å gi enestående driftsmessig innsikt.