Оглавление:
В устройствах промышленной автоматизации и Интернета вещей, мониторинг на основе состояния (CbM) обеспечивает видимость состояния инфраструктуры, помогая увеличить время безотказной работы и производительность оборудования, сократить затраты на техническое обслуживание и обеспечить безопасность сотрудников. Все более совершенные датчики, диагностические алгоритмы, большая доступная вычислительная мощность и инструменты искусственного интеллекта и машинного обучения делают эту деятельность более полезной, а отсутствие соответствующей инфраструктуры ограничивает возможность использования таких решений.
Оборудование, используемое в горнодобывающей, нефтегазовой, сервисной и промышленной отраслях, часто работает в местах где нет источника питания или сети связи. Прокладка новых силовых и сетевых кабелей в удаленных местах может быть не только дорогостоящей, но и непрактичной задачей, особенно когда требуются высокие скорости передачи данных.
Альтернативная беспроводная связь предполагает множество компромиссов. Например, датчик с батарейным питанием может работать с ограниченной скоростью передачи данных или иметь короткий срок службы, что делает такие конфигурации непригодными для мониторинга состояния. Чтобы воспользоваться всеми доступными и новейшими возможностями, инфраструктура должна обеспечивать надежное электропитание и сетевое соединение с высокой пропускной способностью при низких инвестиционных затратах.
Однопарный Ethernet 10BASE-T1L (SPE) как раз и предназначен для таких решений. Он обеспечивает обмен данными и одновременную подачу питания на расстояние до 1 км, значительно превышая дальность действия традиционного промышленного Ethernet. С помощью этой новой технологии инженеры могут реализовать расширенный мониторинг в ранее недоступных местах, со значительно улучшенной функциональностью.
Давайте рассмотрим вопросы, связанные с контролем состояния машин с учетом искусственного интеллекта, а затем преимущества использования однопарного Ethernet. Изучим наиболее важные параметры датчиков SPE и советы по их выбору. Основы проектирования комбинированного интерфейса данных и питания и как интегрировать систему мониторинга на основе SPE в более широкую промышленную сеть.
Прогнозирующий мониторинг состояния
Особого внимания в этой области заслуживает развитие искусственного интеллекта и машинного обучения. Эти технологии расширяют возможности систем мониторинга за пределы вращающихся машин, таких как насосы, компрессоры и вентиляторы, и охватывают более широкий спектр устройств, включая станки с ЧПУ, конвейерные системы и роботов.
Прогресс стал возможен благодаря способности систем искусственного интеллекта и машинного обучения принимать и интерпретировать бесчисленные объемы данных, включая вибрацию, давление, температуру и данные систем машинного зрения. Благодаря им алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения могут выявлять необычное поведение, которое не могли обнаружить старые технологии.
Чтобы достичь этих преимуществ, высококачественные метрологические данные должны быть доступны для дальнейшего анализа, поэтому крайне важно обеспечить подключение периферийных датчиков к облаку.
Преимущество SPE
Сегодня для промышленных коммуникаций Ethernet является очевидным выбором, поскольку он обеспечивает типичную пропускную способность 100 Мбит/с и обеспечивает подачу мощности Power over Ethernet (PoE) до 30 Вт на порт. Но классический промышленный Ethernet имеет радиус действия, ограниченный 100 метрами.
Эту проблему решает SPE Single Pair Ethernet, который, как следует из названия, обеспечивает связь по одной витой паре вместо 2 пар в 100BASE-TX или 4 пар в 10BASE-T. В результате кабели SPE меньше по размеру, легче и дешевле, чем эквивалентный кабель класса «Промышленный Ethernet». Тем не менее, SPE работает на расстоянии до 1 км, со скоростью передачи данных до 1 Гбит/с. Он может обеспечить мощность до 50 Вт, а разъемы IP67 позволяют построить сеть для работы в сложных условиях.
Стоит отметить, что максимальные параметры для SPE являются взаимоисключающими. Например, скорость 1 Гбит/с поддерживается только на коротких расстояниях до 40 м. Но скорость передачи данных ограничена 10 Мбит/с при максимальной длине кабеля 1 км. То же самое касается и электропитания.
Выбор MAC-адреса Ethernet для SPE
Как и все другие типы Ethernet, интерфейс SPE включает в себя уровень MAC и физический уровень PHY.
MAC управляет данными через Ethernet, а PHY преобразует аналоговые сигналы напряжения на кабелях в цифровые сигналы.
Многие современные микроконтроллеры включают MAC, а некоторые и блок PHY. Однако эти более дешевые и малопроизводительные блоки, используемые в датчиках, не имеют ни одной из этих функций. Следовательно, необходимо обратиться к устройствам 10BASE-T1L MAC-PHY, в которых оба элемента реализованы на отдельном кристалле, что позволяет разработчикам выбирать из множества процессоров со сверхнизким энергопотреблением.
Хорошим примером является ADIN1110CCPZ-R7 от Analog Devices. Этот однопортовый трансивер 10BASE-T1L предназначен для связи SPE на больших расстояниях со скоростью 10 Мбит/с. ADIN1110 подключается к хосту через 4-проводной последовательный интерфейс SPI, доступный на большинстве современных микроконтроллеров.
Для повышения эксплуатационной надежности ADIN1110 имеет встроенную схему контроля напряжения питания и схему сброса при включении питания (POR). Во время передачи уровни сигнала программируются, коммуникационная шина терминируется с помощью внешних резисторов, а выводы передатчика и приемника разъединяются. Система подходит для искробезопасных применений.
Проектирование интерфейса для передачи данных и электропитания одновременно
В SPE питание и данные передаются по одним и тем же кабелям, что обеспечивается технологией Power over Data Lines (PoDL). Как показано на рисунке, высокочастотные данные подаются на витую пару через последовательно включенные конденсаторы, а мощность постоянного тока подается на линию через дроссели.
На практике для обеспечения отказоустойчивости и надёжной работы требуются дополнительные компоненты. Имеется выпрямительный диод для защиты от обратной полярности источника питания, подавитель TVS для защиты от перенапряжений и дроссель для ограничения помех, наводимых в кабеле.
Выбор датчика для мониторинга
Как упоминалось ранее, в системах мониторинга используются многие типы датчиков, и при их выборе всегда приходится учитывать компромисс между их производительностью, экономической эффективностью и функциональностью.
Возьмем, к примеру, датчики вибрации. Пьезоэлектрические датчики обеспечивают лучшую производительность, чем МЭМС, но значительно дороже.
С другой стороны, многие второстепенные активы часто расположены в самых дальних уголках объекта и поэтому в настоящее время не контролируются на предмет производительности из-за ограничений по стоимости. Но их данные по-прежнему должны быть качественными, извлекаться и считываться для повышения общей производительности системы. Сочетание большого расстояния работы и низкой стоимости — это именно те факторы, которые отличают мониторинг на основе SPE. В таком случае датчики MEMS являются естественным выбором.
Помимо более низкой стоимости, МЭМС-датчики предлагают и другие преимущества в сетях на базе SPE. Например, по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками, большинство МЭМС-сенсоров реализуют цифровую фильтрацию сигналов, имеют превосходную линейность и небольшой размер, что упрощает интеграцию.
Следующий выбор — одно- и трехосные датчики. Одноосные датчики обеспечивают более широкую полосу пропускания и меньшие помехи. Трехосные — более широкий спектр обнаружения событий, поэтому они обнаруживают многие типы неисправностей, включая изгибы вала, эксцентриситет ротора, проблемы с подшипниками и напряжения, которые трудно идентифицировать с помощью одноосного детектора.
Стоит отметить, что сами по себе датчики вибрации не могут обнаружить все неисправности, даже те, которые связаны в первую очередь с вибрацией. В некоторых сценариях может оказаться оптимальным объединить одноосный датчик с другими датчиками, такими как датчик тока двигателя или датчик магнитного поля. В других случаях лучше всего использовать два или даже более одноосных датчиков.
Система прогнозного мониторинга на базе SPE
Важным требованием любой системы мониторинга состояния оборудования является обеспечение бесперебойного подключения к облаку. Этого можно достичь например с помощью протокола Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), разработанного для обмена сообщениями IoT с минимальным объемом кода и низкой пропускной способностью сети.
Для этого применения подходят большинство недорогих микроконтроллеров с ядром Cortex-M4, поскольку практически все эти чипы имеют SPI, необходимый для подключения датчиков и MAC-PHY. С точки зрения программного обеспечения основными требованиями являются достаточный объем памяти для стека MQTT, операционная система реального времени (RTOS) и программное обеспечение для анализа периферийных данных. Обычно требуется всего несколько десятков килобайт ОЗУ и ПЗУ.
Когда кабель SPE подключен к существующей инфраструктуре, медиаконвертер может преобразовать сигнал 10BASE-T1L в 10BASE-T для стандартного Ethernet. Обратите внимание, что это преобразование меняет только физический формат — пакеты Ethernet остаются неизменными. Отсюда они могут передаваться по сети Ethernet любого типа.
Выводы по материалу
Благодаря PoDL SPE объединяют питание и данные по одной витой паре кабеля, обеспечивая экономичный способ расширения инфраструктуры Ethernet на большие расстояния. Благодаря наличию интерфейсов MAC-PHY и датчиков MEMS инженеры могут использовать эти возможности для реализации компактных решений, которые являются доступными и достаточно производительными. Это обеспечивает новый уровень прозрачности операций, который системы искусственного интеллекта и машинного обучения могут использовать для обеспечения оперативной аналитики.
