【導讀】在工廠自動化和工業物聯網 (IIoT) 中，通過基于狀態的監控 (CbM) 可深入了解資產的健康狀況，從而增加正常運行時間并提高生產率，降低維護成本，延長資產壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 技術的應用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎設施則限制了 CbM 在許多應用領域的推廣。
在工廠自動化和工業物聯網 (IIoT) 中，通過基于狀態的監控 (CbM) 可深入了解資產的健康狀況，從而增加正常運行時間并提高生產率，降低維護成本，延長資產壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方面的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 技術的應用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎設施則限制了 CbM 在許多應用領域的推廣。
采礦、石油/天然氣、公用事業和制造業應用中的設備通常位于缺乏電源或數據網絡的地方。為這些偏遠地點鋪設新的電源和網絡電纜既昂貴又不切實際，對于要求相對較高功率和數據傳輸速率的 CbM 應用而言尤其如此。
可采用無線替代方案，但需要進行權衡。例如，電池供電型傳感器只能提供有限的數據傳輸速率，因此不適合用于 CbM。為了在這些地點也能實現最新的 CbM 功能，工程師需要一種基礎設施選項，以提供成本低、性能可靠的電源和高帶寬網絡。
10BASE-T1L 單對以太網 (SPE) 就是明確為滿足這些標準而明確的。這種以太網的數據和電力傳輸距離長達 1 公里 (km)，遠遠超出了工業以太網的限制。利用這項新技術，工程師可以在以前無法到達的地點部署復雜的 CbM 技術。
本文簡述了 CbM 和 AI 的影響，然后概述了 SPE 在偏遠地點的優勢。本文重點介紹了基于 SPE 的傳感器的關鍵部件，并給出了這些部件的選型指導原則。最后，本文回顧了設計數據和電源組合通信接口的基礎知識，并介紹如何將基于 SPE 的 CbM 系統集成到更廣泛的工業網絡中。
CbM 以及 AL 和 ML 的影響
推動 CbM 增長的因素很多，但 AI 和 ML 的興起尤其值得注意。這些技術正在將 CbM 的范圍從泵、壓縮機和風扇等旋轉設備擴展到包括數控機床、傳送系統和機器人在內的更廣泛的機械領域。
之所以能夠取得這些進步，是因為 AI 和 ML 系統能夠吸收和解析包括振動、壓力、溫度和視覺數據在內的大量數據。有了豐富的數據集，AI 和 ML 系統就能識別老舊技術可能忽略的異常情況。
要實現這些優勢，就必須從所有相關設備中獲取高保真數據，這就是為什么 CbM 系統必須提供從邊緣到云的連接，以連接到最偏遠的運行角落（圖 1）。
圖 1：現代 CbM 系統必須將遠距離操作技術 (OT) 設備與信息技術 (IT) 系統連接起來。（圖片來源：Analog Devices）
SPE 相比其他方法的優勢
要為這些偏遠地區提供服務，工程師需要一種 IT 友好型方法來傳輸數據和電源，并將成本和實際占用空間維持在最低水平。顯然，工業以太網解決方案就是一個不錯的選擇，因為工業以太網能夠提供 100 Mbps 的典型數據帶寬和每個端口高達 30 W 的以太網供電 (PoE) 能力。不過，工業以太網的傳輸距離被限制在 100 m 以內。
顧名思義，單對以太網 (SPE) 通過單根雙絞線提供以太網連接，而不是 100BASE-TX 的兩對線或 10BASE-T 的四對線。因此，與同等工業以太網布線相比，SPE 布線更小、更輕、成本更低。雖然減小了實際占用空間，但 SPE 能夠支持長達 1 km 的運行距離，數據傳輸速率高達 1 Gbps，功率高達 50 W，連接器防護等級達到 IP67，適用于惡劣環境。
值得注意的是，SPE 的兩個最高額定值不能同時實現。例如，1 Gbps 的速度僅支持 40 m 以內的短距離傳輸。相比之下，在最大電纜長度為 1 km 時，數據傳輸速率只能達到 10 Mbps。
如何為 SPE 應用選擇以太網 MAC
與所有以太網連接一樣，SPE 接口包含一個介質訪問控制 (MAC) 層和一個物理 (PHY) 層。MAC 管理以太網流量，而 PHY 則將電纜的模擬波形轉換為數字信號。
許多先進的微控制器 (MCU) 都配備了 MAC，有些還包括了 PHY。然而，用于邊緣傳感器的低成本、低功耗 MCU 卻不具備這些功能。解決方案是采用 10BASE-T1L MAC-PHY，它憑借一顆單獨的芯片滿足了這兩種要求，使設計人員能夠在各種超低功耗處理器中進行選擇。
例如，Analog Devices 的 ADIN1110CCPZ-R7 就是一款很好的產品（圖 2）。這款單端口 10BASE-T1L 收發器用于延長距離、10 Mbps SPE 連接。ADIN1110 通過 4 線串行外設接口 (SPI) 與主機連接，這是大多數現代微控制器都有的接口。
圖 2：ADIN1110 是一款單端口 10BASE-T1L 收發器，通過一個 4 線 SPI 接口與主處理器連接。（圖片來源：Analog Devices）
為了提高穩健性，ADIN1110 集成了電壓電源監控和上電復位 (POR) 電路。此外，可編程發送電平、外部端接電阻器以及獨立的接收和發送引腳，都使該器件適用于本質安全型應用。
設計共享數據和電源通信接口
SPE 采用一種稱為數據線供電 (PoDL) 的技術，通過同一條電線提供電源和數據。如圖 3 所示，高頻數據通過串聯電容器耦合到雙絞線上，而直流 (DC) 電源則通過電感器耦合到線路上。
圖 3：PoDL 利用電感耦合和電容耦合分別通過單根雙絞線提供電源和數據信號。（圖片來源：Analog Devices）
實際上，實現穩健性和容錯性還需要其他組件。例如，建議使用橋式整流二極管來防止電源連接極出現性錯誤。同樣，還需要一個瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管來確保電磁兼容性 (EMC) 的穩健性。值得注意的是，需要使用扼流圈來減少電纜產生的共模噪聲。
為 CbM 選擇傳感器
如前所述，CbM 適用于多種檢測模式。在這些模式中，需要考慮的關鍵因素之一是在性能和效率之間進行權衡。
以振動檢測為例。壓電傳感器的性能優于微機電系統 (MEMS)，但成本較高。這使得壓電傳感器成為高度關鍵型資產的理想選擇，這些資產往往位于中心位置。
相比之下，許多不那么關鍵的資產往往位于設施的最遠端，因此鑒于成本方面的制約，目前還沒有進行監控。然而，仍必須對其數據進行挖掘，以提高整個系統的生產率。距離和成本靈敏度組合正是基于 SPE 的 CbM 的優勢所在，因此 MEMS 傳感器自然成為了最佳選擇。
除了成本較低之外，MEMS 傳感器還為 SPE 傳感器帶來了其他優勢。例如，與壓電傳感器相比，大多數 MEMS 傳感器都有數字濾波功能、出色的線性度、重量輕和體積小等特點。
下一個設計在單軸傳感器和三軸傳感器之間選擇。表 1 列出了兩個典型器件之間的差異（ADXL357BEZ-RL 三軸加速度計和 ADXL1002BCPZ-RL7單軸加速度計）。
表 1：單軸 ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器可在許多需要重點考慮的方面進行權衡。（圖片來源：Analog Devices）
如表 1 所示，單軸傳感器具有更高的帶寬和更低的噪聲。不過，三軸傳感器可以捕捉垂直、水平和軸向振動，從而更詳細地了解資產的運行情況。單軸傳感器很難識別包括軸彎曲、轉子偏心、軸承問題和轉子翹起在內的許多故障。
值得注意的是，僅靠振動傳感器并不能檢測出所有故障，甚至檢測不到那些與振動有關的主要故障。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組合使用（如電機電流或磁場傳感器）。在其他情況下，最佳解決方案可能需要兩個或多個單軸傳感器。
鑒于這些考慮因素的復雜性，最好同時試用這兩種傳感器。為此，Analog Devices 提供 ADXL357 3 軸傳感器評估板和 ADXL1002 1 軸傳感器評估板。
將基于 SPE 的 CbM 系統集成到更大的工業網絡中
提供與云的無縫連接，是對任何 CbM 系統的基本要求。圖 4 說明了如何使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協議實現這一功能。這種輕量級 IIoT 消息傳遞協議能夠以最少的代碼占用量和較低的網絡帶寬連接遠程設備。
圖 4：所示為基于 SPE 的 CbM 架構。傳感器系統的關鍵部件包括傳感器、低功耗邊緣處理器和 MAC-PHY。（圖片來源：Analog Devices）
大多數低成本 Cortex-M4 微控制器都適用于此應用，因為幾乎所有這些芯片都具有連接傳感器和 MAC-PHY 所需的 SPI 端口。從軟件角度看，主要的要求是 MQTT 協議棧有足夠的內存、正確的實時操作系統 (RTOS) 和邊緣分析軟件。通常只需要幾十 KB 的 RAM 和 ROM。
SPE 電纜到達現有基礎設施后，介質轉換器可將 10BASE-T1L 信號轉換為標準以太網電纜的 10BASE-T 幀。請注意，這種轉換只是改變了物理格式；以太網數據包仍保持不變。從這里，這些數據包可以在任何以太網網絡上發送。
結語
SPE 是一項正在興起的顛覆性技術，能很好地解決遠程設備 CbM 所面臨的各種挑戰。其 PoDL 功能將電源和數據傳輸巧妙地融合在一根雙絞線上，以低成本的方式將以太網基礎設施擴展到更遠的地方。通過仔細選擇 MAC-PHY 接口和 MEMS 傳感器，工程師可以利用這些功能部署結構緊湊、重量輕的解決方案。這些解決方案具有足夠的成本效益，足以證明在不太重要的資產上使用這些解決方案是合理的。這使得 AI 和 ML 系統對運營的可視性達到了新的高度，從而提供前所未有的深度運行情況。
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