Wdrażanie monitorowanie stanu urządzeń przy użyciu jednoparowej sieci Ethernet

W automatyce przemysłowej i przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) monitorowanie stanu urządzeń (CbM) zapewnia wgląd w stan aktywów w celu wydłużenia czasu pracy i wydajności, obniżenia kosztów konserwacji, wydłużenia okresu użytkowania aktywów i zapewnienia bezpieczeństwa pracowników. Udoskonalenia w zakresie czujników, algorytmów diagnostycznych, mocy obliczeniowej oraz zastosowanie technik sztucznej inteligencji (SI) i uczenia maszynowego (ML) sprawiają, że monitorowanie stanu urządzeń (CbM) jest bardziej użyteczne, przy czym jednak brak odpowiedniej infrastruktury ograniczył jego zasięg w wielu zastosowaniach.

Urządzenia w zastosowaniach dla górnictwa, przemysłu naftowego i gazowego, mediów i produkcji są często umieszczane w miejscach, w których brakuje zasilania lub sieci danych. Prowadzenie nowych kabli zasilających i sieciowych do tych odległych lokalizacji może być kosztowne i niepraktyczne, szczególnie w przypadku zastosowań w obszarze monitorowania stanu urządzeń (CbM), które wymagają stosunkowo dużej mocy i szybkości transmisji danych.

Bezprzewodowe rozwiązania alternatywne wiążą się z pewnymi kompromisami. Na przykład czujnik z zasilaniem bateryjnym może oferować tylko ograniczone szybkości przesyłu danych, co sprawia, że takie konfiguracje nie są odpowiednie do stosowania w monitorowaniu stanu urządzeń (CbM). Aby wykorzystać najnowsze możliwości monitorowania stanu urządzeń (CbM) w tych lokalizacjach, inżynierowie potrzebują alternatywnych opcji infrastruktury, które zapewnią niezawodne zasilanie i dużą szerokość pasma przy niskich kosztach.

Specjalnie z myślą o spełnieniu tych kryteriów zaprojektowano jednoparową sieć Ethernet (SPE) 10BASE-T1L. Przesyła ona dane i zasilanie na odległości do 1km, co znacznie przekracza ograniczenia przemysłowych sieci Ethernet. Dzięki tej nowej technologii inżynierowie mogą wdrożyć zaawansowaną technologię monitorowania stanu urządzeń (CbM) w niedostępnych wcześniej lokalizacjach.

Niniejszy artykuł zawiera omówienie monitorowania stanu urządzeń (CbM) oraz wpływu sztucznej inteligencji na korzyści płynące z jednoparowej sieci Ethernet (SPE) w odległych lokalizacjach. Przedstawiono w nim najważniejsze czujniki oparte na technologii jednoparowej sieci Ethernet (SPE) i podano wskazówki dotyczące ich doboru. Artykuł omawia również podstawy projektowania połączonego interfejsu transmisji danych i zasilania oraz pokazuje, jak zintegrować system monitorowania stanu urządzeń (CbM) oparty na technologii jednoparowej sieci Ethernet (SPE) z szerszą siecią przemysłową.

Monitorowanie stanu urządzeń (CbM) oraz wpływ sztucznej inteligencji (SI) i uczenia maszynowego (ML)

Chociaż rozwój monitorowania stanu urządzeń (CbM) napędza wiele czynników, to szczególnie godny uwagi jest rozwój sztucznej inteligencji (SI) i tłumaczenia maszynowego (ML). Technologie te rozszerzają zasięg monitorowania stanu urządzeń (CbM) poza urządzenia wirujące, takie jak pompy, sprężarki i wentylatory, i obejmują one szersze spektrum maszyn, w tym maszyny CNC, systemy przenośnikowe i robotykę.

Postęp ten jest możliwy dzięki zdolności systemów sztucznej inteligencji (SI) i uczenia maszynowego (ML) do przyjmowania i interpretacji niezliczonych danych, w tym danych dotyczących drgań, ciśnienia, temperatury oraz danych wizualnych. Dzięki bogatym zbiorom danych systemy sztucznej inteligencji (SI) i uczenia maszynowego (ML) mogą identyfikować nietypowe zachowania, które mogłyby zostać przeoczone w starszych technologiach.

Aby osiągnąć te korzyści, dane wysokiej jakości muszą być dostępne ze wszystkich odpowiednich urządzeń, dlatego krytyczne stało się, aby systemy monitorowania stanu urządzeń (CbM) zapewniały łączność brzegową z chmurą w najbardziej odległych zakątkach roboczych (ilustracja 1).

Ilustracja 1: nowoczesne systemy monitorowania stanu urządzeń (CbM) muszą łączyć urządzenia z technologią dalekiego zasięgu (OT) z systemami informatycznymi (IT). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Korzyści jednoparowej sieci Ethernet (SPE) na tle innych rozwiązań

Do obsługi tych odległych lokalizacji inżynierowie potrzebują sposobu dostarczania danych i zasilania, który ograniczy do minimum koszty i zajmowaną powierzchnię, a przy tym łatwe będzie jego sprzężenie z systemami informatycznymi. Rozwiązania w obszarze przemysłowej sieci Ethernet są oczywistym wyborem, ponieważ oferują typową przepustowość danych 100Mbps oraz zasilanie PoE (Power over Ethernet) do 30W na jeden port. Jednak zasięg przemysłowej sieci Ethernet jest ograniczony do 100m.

Jednoparowa sieć Ethernet (SPE), jak jej nazwa sama wskazuje, zapewnia łączność Ethernet za pomocą jednej skrętki dwużyłowej, zamiast dwóch par jak w 100BASE-TX lub czterech par jak w 10BASE-T. W rezultacie okablowania w jednoparowych sieciach Ethernet (SPE) jest mniej oraz jest ono lżejsze i tańsze niż analogiczne okablowanie w przemysłowej sieci Ethernet. Pomimo zmniejszonej zajmowanej powierzchni, jednoparowa sieć Ethernet (SPE) pozwala na wykonanie instalacji na dystansie do 1km, charakteryzuje się prędkością przesyłu danych do 1Gbps i mocą do 50W a jej złącza posiadają stopień ochrony IP67 do trudnych warunków środowiskowych.

Warto zauważyć, że maksymalne wartości znamionowe dla jednoparowej sieci Ethernet (SPE) wzajemnie się wykluczają. Na przykład prędkości 1Gbps są obsługiwane tylko dla krótkich odległości do 40m. Natomiast przy maksymalnej długości kabla 1km szybkość transmisji danych jest ograniczona do 10Mbps.

Dobór adresu MAC sieci Ethernet do użycia w jednoparowej sieci Ethernet (SPE)

Podobnie jak wszystkie połączenia Ethernet, interfejsy w jednoparowej sieci Ethernet (SPE) zawierają warstwę kontroli dostępu do mediów (MAC) i warstwę fizyczną (PHY). Kontroler dostępu do mediów (MAC) zarządza ruchem w sieci Ethernet, natomiast warstwa fizyczna (PHY) przekształca przebiegi analogowe z kabla na sygnały cyfrowe.

Wiele zaawansowanych mikrokontrolerów (MCU) jest wyposażonych w kontroler dostępu do mediów (MAC), a niektóre zawierają warstwę fizyczną (PHY). Jednak niedrogie mikrokontrolery MCU niskiej mocy stosowane w czujnikach brzegowych nie posiadają żadnego z tych elementów. Rozwiązanie leży w układzie warstwy fizycznej i kontrolera dostępu do mediów (MAC-PHY) 10BASE-T1L, w którym oba elementy są zaimplementowane w oddzielnym układzie półprzewodnikowym, co pozwala projektantom wybierać spośród różnych procesorów ultraniskiej mocy.

Dobrym przykładem może być urządzenie ADIN1110CCPZ-R7 firmy Analog Devices (ilustracja 2). Ten jednoportowy nadajniko-odbiornik 10BASE-T1L został zaprojektowany z myślą o rozszerzonych połączeniach SPE 10Mbps. Urządzenie ADIN1110 łączy się z hostem za pośrednictwem 4-przewodowego szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI), który można znaleźć w większości nowoczesnych mikrokontrolerów.

Ilustracja 2: ADIN1110 jest jednoportowym nadajniko-odbiornikiem 10BASE-T1L, który łączy się z procesorem hosta za pośrednictwem 4-przewodowego szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby zwiększyć wytrzymałość, urządzenie ADIN1110 posiada zintegrowane obwody monitorowania napięcia zasilania i resetowania w momencie włączenia zasilania (POR). Co więcej, dzięki programowanym poziomom nadawania, zewnętrznym rezystorom końcowym oraz niezależnym wtykom nadawania i odbioru omawiane urządzenie jest odpowiednie do zastosowań o bezpieczeństwie samoistnym.

Projektowanie współużytkowanego interfejsu transmisji danych i zasilania

Jednoparowa sieć Ethernet (SPE) dostarcza zasilanie i dane przez te same przewody, wykorzystując technologię o nazwie Power over Data Lines (PoDL). Jak pokazano na ilustracji 3, dane o wysokiej częstotliwości są przesyłane do skrętki dwużyłowej przez kondensatory szeregowe, natomiast zasilanie prądem stałym jest przesyłane do linii za pomocą cewek indukcyjnych.

Ilustracja 3: technologia zasilania przez linie danych (PoDL) podaje zasilanie i sygnały danych przez pojedynczą skrętkę dwużyłową z wykorzystaniem odpowiednio sprzężenia indukcyjnego i pojemnościowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W praktyce dla zapewnienia wytrzymałości i odporności na usterki wymagane są dodatkowe komponenty. Na przykład w celu ochrony przed nieprawidłową biegunowością połączenia zasilania zaleca się zastosowanie diody mostka prostowniczego. Podobnie dioda ogranicznika przepięciowego (TVS) jest również wymagana dla zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). W szczególności potrzebny jest dławik do tłumienia szumów w trybie wspólnym z kabla.

Dobór czujników pod kątem monitorowania stanu urządzeń (CbM)

Jak wspomniano wcześniej, technologia monitorowania stanu urządzeń (CbM) może mieć zastosowanie do szerokiej gamy metod pomiarowych. We wszystkich tych warunkach jednym z kluczowych czynników, który należy wziąć pod uwagę, jest kompromis między parametrami działania a sprawnością.

Weźmy na przykład pomiar drgań. Czujniki piezoelektryczne oferują lepsze parametry działania w porównaniu z systemami mikroelektromechanicznymi (MEMS), ale są droższe. To sprawia, że czujniki piezoelektryczne są dobrym wyborem w przypadku aktywów o krytycznym znaczeniu, które zwykle są zlokalizowane centralnie.

W przeciwieństwie do tego, wiele mniej krytycznych aktywów często znajduje się w najdalszych zakątkach obiektu i dlatego nie są obecnie monitorowane ze względu na ograniczenia kosztowe. Jednak ich dane nadal muszą być poddawane dogłębnym analizom, aby poprawić ogólną wydajność systemu. To właśnie w przypadku kompromisu między odległością i kosztem technologia monitorowania stanu urządzeń (CbM) bazująca na jednoparowej sieci Ethernet (SPE) sprawdza się najlepiej, a jej naturalnym uzupełnieniem są czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS).

Oprócz niższych kosztów, czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS) oferują również inne korzyści w przypadku instalacji jako czujniki w jednoparowej sieci Ethernet (SPE). Na przykład, w porównaniu z czujnikami piezoelektrycznymi, większość czujników mikroelektromechanicznych (MEMS) oferuje filtrowanie cyfrowe, znakomitą liniowość, niską wagę i niewielkie rozmiary.

Kolejną decyzję projektową należy podjąć, wybierając czy czujnik ma być jednoosiowy czy trójosiowy. Tabela 1 zwraca uwagę na różnicę między dwoma typowymi przykładami, przyspieszeniomierzem trójosiowym ADXL357BEZ-RL oraz przyspieszeniomierzem jednoosiowym ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabela 1: jednoosiowe czujniki ADXL1002BCPZ-RL7 i trzyosiowe czujniki ADXL357BEZ-RL charakteryzują się kompromisami w wielu ważnych obszarach. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jak pokazuje tabela 1, czujniki jednoosiowe oferują znacznie większą szerokość pasma i niższe szumy. Jednak czujniki trójosiowe mogą wykrywać drgania pionowe, poziome i osiowe, oferując bardziej szczegółowy obraz działania aktywów. W przypadku czujnika jednoosiowego trudno jest zidentyfikować wiele usterek, w tym wygięte wały, niewspółśrodkowe i przekrzywione wirniki oraz problemy z łożyskami.

Warto zauważyć, że same czujniki drgań nie są w stanie wykryć wszystkich usterek, nawet tych związanych głównie z drganiami. W niektórych sytuacjach optymalnym rozwiązaniem może być sparowanie czujnika jednoosiowego z innymi czujnikami, takimi jak czujnik prądu lub pola magnetycznego silnika. W innych przypadkach najlepszym rozwiązaniem może być wykorzystanie dwóch lub większej liczby czujników jednoosiowych.

Biorąc pod uwagę złożoność tych zagadnień, zaleca się eksperymentowanie z oboma typami czujników. W tym celu firma Analog Devices oferuje płytkę ewaluacyjną czujnika 3-osiowego ADXL357 oraz płytkę ewaluacyjną czujnika 1-osiowego ADXL1002.

Integracja systemu monitorowania stanu urządzeń (CbM) opartego na jednoparowej sieci Ethernet (SPE) z większą siecią przemysłową

Zasadniczym wymogiem dla każdego systemu monitorowania stanu urządzeń (CbM) jest zapewnienie bezproblemowej łączności z powrotem z chmurą. Ilustracja 4 pokazuje sposób, w jaki można to osiągnąć za pomocą protokołu Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Ten lekki protokół przesyłania komunikatów przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) umożliwia podłączanie zdalnych urządzeń przy minimalnej ilości kodu i niskiej przepustowości sieci.

Ilustracja 4: na ilustracji architektura systemu monitorowania stanu urządzeń (CbM) opartego na jednoparowej sieci Ethernet (SPE). Kluczowe komponenty systemu czujnikowego to m.in. czujnik, procesor brzegowy niskiej mocy oraz układ warstwy fizycznej i kontrolera dostępu do mediów (MAC-PHY). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Do tego zastosowania nadaje się większość niedrogich mikrokontrolerów Cortex-M4, ponieważ praktycznie wszystkie te układy półprzewodnikowe będą miały porty szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) potrzebne do połączenia z czujnikami i układem warstwy fizycznej i kontrolera dostępu do mediów (MAC-PHY). Z punktu widzenia oprogramowania główne wymagania to wystarczająca ilość pamięci dla stosu MQTT, odpowiedni system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) i oprogramowanie do analityki brzegowej. Zazwyczaj potrzeba tylko kilkudziesięciu kilobajtów pamięci RAM i ROM.

Gdy do istniejącej infrastruktury wprowadzony zostanie kabel szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPE), sygnał 10BASE-T1L można zamienić na klatki 10BASE-T dla standardowych kabli Ethernet, używając do tego konwertera mediów. Należy zauważyć, że ta konwersja zmienia jedynie fizyczny format; pakiety Ethernet pozostają nienaruszone. Stąd pakiety te mogą być wysyłane przez dowolną sieć Ethernet.

Podsumowanie

Jednoparowa sieć Ethernet (SPE) to technologia transformacyjna, która doskonale radzi sobie z wyzwaniami charakterystycznymi dla systemów monitorowania stanu urządzeń (CbM) w urządzeniach zlokalizowanych w oddaleniu. Funkcje zasilania przez linie danych (PoDL) sprawnie łączą zasilanie i transmisję danych w jednej skrętce dwużyłowej, zapewniając niedrogi sposób zwiększenia zasięgu infrastruktury Ethernet. Dzięki przemyślanemu doborowi interfejsów układu warstwy fizycznej i kontrolera dostępu do mediów oraz czujników mikroelektromechanicznych (MEMS) inżynierowie mogą wykorzystać te funkcje do wdrażania kompaktowych, lekkich rozwiązań, które będą wystarczająco ekonomiczne, aby uzasadnić ich użycie w aktywach o mniej krytycznym znaczeniu. Zapewnia to nowe poziomy widoczności operacji, które mogą być wykorzystywane przez systemy sztucznej inteligencji (SI) i uczenia maszynowego (ML) do zapewnienia bezprecedensowego wglądu operacyjnego.