Hoe toestandsbewaking implementeren met single-pair Ethernet

In de fabrieksautomatisering en het Industrial Internet of Things (IIoT) biedt op conditie gebaseerde bewaking (CbM) inzicht in de gezondheid van bedrijfsmiddelen om de uptime en productiviteit te verhogen, onderhoudskosten te verlagen, de levensduur van bedrijfsmiddelen te verlengen en de veiligheid van werknemers te garanderen. Hoewel verbeteringen in sensoren, diagnostische algoritmen, verwerkingskracht en de toepassing van kunstmatige intelligentie- (AI) en machine learning-technieken (ML) CbM nuttiger maken, heeft een gebrek aan geschikte infrastructuur het bereik in veel toepassingen beperkt.

Apparatuur in toepassingen voor mijnbouw, olie/gas, nutsbedrijven en productie bevindt zich vaak op locaties zonder stroom of datanetwerken. Het leggen van nieuwe stroom- en netwerkkabels naar deze afgelegen locaties kan kostbaar en onpraktisch zijn, vooral voor CbM-toepassingen die relatief hoge stroom- en gegevenssnelheden vereisen.

Draadloze alternatieven hebben nadelen. Een sensor op batterijen kan bijvoorbeeld slechts een beperkte gegevenssnelheid bieden, waardoor deze opstellingen ongeschikt zijn voor CbM. Om de nieuwste CbM-mogelijkheden naar deze locaties te brengen, hebben technici alternatieve infrastructuuropties nodig die betrouwbare stroom en netwerken met hoge bandbreedte leveren tegen lage kosten.

10BASE-T1L single-pair Ethernet (SPE) is expliciet ontworpen om aan deze criteria te voldoen. Het biedt gegevens en voeding over afstanden tot 1 kilometer (km), veel verder dan de beperkingen van Industrial Ethernet. Ingenieurs kunnen met deze nieuwe technologie geavanceerde CbM-technologie inzetten op voorheen ontoegankelijke locaties.

Dit artikel geeft een overzicht van CbM en de impact van AI voordat de voordelen van SPE voor afgelegen locaties worden geschetst. Het belicht kritische componenten van SPE-gebaseerde sensors en biedt richtlijnen voor de keuze ervan. Tot slot bespreekt het artikel de basisprincipes van het ontwerpen van een gecombineerde data- en stroomcommunicatie-interface en laat het zien hoe een op SPE gebaseerd CbM-systeem kan worden geïntegreerd in een breder industrieel netwerk.

CbM en de impact van AI en ML

Er zijn veel factoren die de groei van CbM stimuleren, maar vooral de opkomst van AI en ML is opmerkelijk. Deze technologieën breiden het bereik van CbM uit van roterende apparatuur zoals pompen, compressoren en ventilatoren naar een breder spectrum van machines, waaronder CNC-machines, transportsystemen en robotica.

Deze vooruitgang is mogelijk dankzij het vermogen van AI- en ML-systemen om talloze gegevens op te nemen en te interpreteren, waaronder trillingen, druk, temperatuur en visuele gegevens. Met rijke datasets kunnen AI- en ML-systemen abnormaal gedrag identificeren dat oudere technologieën mogelijk hebben gemist.

Om deze voordelen te behalen, moeten betrouwbare gegevens beschikbaar zijn van alle relevante apparatuur. Daarom is het cruciaal geworden dat CbM-systemen edge-to-cloud-connectiviteit bieden tot in de verste uithoeken van een bedrijf (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Moderne CbM-systemen moeten verafgelegen operationeel-technologische (OT) apparatuur verbinden met informatietechnologische (IT) systemen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De voordelen van SPE ten opzichte van de alternatieven

Om deze afgelegen locaties te bedienen, hebben technici een IT-vriendelijke manier nodig om gegevens en stroom te leveren die de kosten en fysieke voetafdruk tot een minimum beperkt. Industriële Ethernetoplossingen zijn een voor de hand liggende keuze omdat ze een typische gegevensbandbreedte van 100 megabits per seconde (Mbps) bieden en Power over Ethernet (PoE) tot 30 watt per poort. Industrieel Ethernet is echter beperkt tot een afstand van 100 meter (m).

SPE, dat, zoals de naam al aangeeft, Ethernet-connectiviteit biedt via één getwist paar draden, in plaats van twee paar voor 100BASE-TX of vier paar voor 10BASE-T. Als gevolg hiervan is SPE-bekabeling kleiner, lichter en goedkoper dan gelijkwaardige industriële Ethernet-bekabeling. Ondanks de kleinere voetafdruk ondersteunt SPE reeksen tot 1 kilometer (km), gegevenssnelheden tot 1 gigabit per seconde (Gbps), vermogen tot 50 watt en connectoren met IP67-classificatie voor ruwe omgevingen.

Opgemerkt moet worden dat de maximumratings voor SPE elkaar uitsluiten. Snelheden van 1 Gbps worden bijvoorbeeld alleen ondersteund voor korte trajecten tot 40 m. De gegevenssnelheden zijn daarentegen beperkt tot 10 Mbps bij een maximale kabellengte van 1 km.

Hoe een Ethernet MAC selecteren voor gebruik in een SPE-toepassing

Net als alle Ethernetverbindingen bevatten SPE-interfaces een media access control (MAC) laag en een fysieke (PHY) laag. De MAC beheert het Ethernetverkeer, terwijl de PHY analoge golfvormen van de kabel omzet in digitale signalen.

Veel geavanceerde microcontrollers (MCU's) zijn uitgerust met een MAC en sommige bevatten een PHY. De goedkope, energiezuinige MCU's die worden gebruikt voor edge sensors hebben echter geen van deze functies. De oplossing ligt in de 10BASE-T1L MAC-PHY, die beide elementen in een afzonderlijke chip implementeert, waardoor ontwerpers kunnen kiezen uit verschillende ultralaagvermogenprocessors.

Een goed voorbeeld is de ADIN1110CCPZ-R7 van Analog Devices (Afbeelding 2). Deze single-port 10BASE-T1L-zendontvanger is ontworpen voor SPE-verbindingen met een groot bereik van 10 Mbps. De ADIN1110 maakt verbinding met de host via een 4-draads seriële periferie-interface (SPI), een interface die op de meeste moderne microcontrollers te vinden is.

Afbeelding 2: De ADIN1110 is een single-port 10BASE-T1L-zendontvanger die via een 4-draads SPI-interface verbinding maakt met de hostprocessor. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om de robuustheid te verbeteren, heeft de ADIN1110 geïntegreerde spanningsbewaking en power-on-reset (POR) circuits. Verder maken programmeerbare zendniveaus, externe afsluitweerstanden en onafhankelijke ontvangst- en zendpennen het apparaat geschikt voor intrinsieke veiligheidstoepassingen.

Een gedeelde data- en stroomcommunicatie-interface ontwerpen

SPE levert stroom en gegevens via dezelfde draden met behulp van een technologie die Power over Data Lines (PoDL) wordt genoemd. Zoals geïllustreerd in Afbeelding 3, worden hoogfrequente gegevens gekoppeld aan het getwiste paar door seriecondensators, terwijl gelijkstroom (DC) aan de lijnen wordt gekoppeld met behulp van spoelen.

Afbeelding 3: PoDL levert voedings- en gegevenssignalen via een enkel getwist paar met behulp van respectievelijk inductieve en capacitieve koppeling. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In de praktijk zijn extra componenten nodig voor robuustheid en fouttolerantie. Een bruggelijkrichterdiode wordt bijvoorbeeld aanbevolen als bescherming tegen onjuiste polariteit van de voedingsaansluiting. Op dezelfde manier is een TVS-diode (Transient Voltage Suppressor) nodig voor de robuustheid van elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Er is met name een smoorspoel nodig om common-mode ruis van de kabel te beperken.

Sensors selecteren voor CbM

Zoals eerder opgemerkt, kan CbM worden toegepast op een grote verscheidenheid aan detectiemodaliteiten. Bij al deze modaliteiten is een van de kritieke factoren om rekening mee te houden de afweging tussen prestatie en efficiëntie.

Neem trillingsdetectie als voorbeeld. Piëzo-elektrische sensors bieden betere prestaties dan micro-elektromechanische systemen (MEMS), maar tegen hogere kosten. Hierdoor zijn piëzo-elektrische sensors een goede keuze voor zeer kritische bedrijfsmiddelen, die vaak centraal gelegen zijn.

Daarentegen bevinden veel minder kritieke bedrijfsmiddelen zich vaak in de verste uithoeken van een faciliteit en worden daarom momenteel niet gemonitord vanwege de kosten. Toch moeten hun gegevens nog steeds worden verzameld om de algehele productiviteit van het systeem te verbeteren. De combinatie van afstands- en kostengevoeligheid is precies waar CbM op basis van SPE uitblinkt, waardoor MEMS-sensoren hier perfect bij passen.

Naast lagere kosten bieden MEMS-sensors nog andere voordelen voor SPE-sensoren. Vergeleken met piëzo-elektrische sensors bieden de meeste MEMS-sensors bijvoorbeeld digitale filtering, uitstekende lineariteit, laag gewicht en kleine afmetingen.

De volgende ontwerpkeuze is tussen sensoren met één of drie assen. Tabel 1 toont het verschil tussen twee typische voorbeelden, de ADXL357BEZ-RL drieassige versnellingsmeter en de ADXL1002BCPZ-RL7 eenassige versnellingsmeter.

Tabel 1: Enkelassige ADXL1002BCPZ-RL7- en drieassige ADXL357BEZ-RL-sensors bieden compromissen op veel belangrijke gebieden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zoals Tabel 1 laat zien, bieden enkelassige sensoren een aanzienlijk hogere bandbreedte en minder ruis. Triaxiale sensors kunnen echter verticale, horizontale en axiale trillingen registreren, waardoor een gedetailleerder inzicht wordt verkregen in de werking van een installatie. Veel fouten, zoals kromme assen, excentrische rotors, lagerproblemen en verdraaide rotors, zijn moeilijk te identificeren met een enkelassige sensor.

Het is de moeite waard om op te merken dat trillingssensoren alleen niet alle fouten kunnen detecteren, zelfs niet die fouten die primair gerelateerd zijn aan trillingen. In sommige scenario's kan de optimale oplossing zijn om een eenassige sensor te koppelen aan andere sensoren, zoals een sensor voor de stroom of het magnetische veld van een motor. In andere gevallen kan de beste oplossing bestaan uit twee of meer enkelassige sensors.

Gezien de complexiteit van deze overwegingen is het raadzaam om met beide soorten sensors te experimenteren. Hiervoor biedt Analog Devices het ADXL357 3-assige sensor evaluatiebord en het ADXL1002 1-assige sensorevaluatiebord.

Een op SPE gebaseerd CbM-systeem integreren in een groter industrieel netwerk

Een essentiële vereiste voor elk CbM-systeem is het bieden van naadloze connectiviteit met de cloud. Afbeelding 4 laat zien hoe dit bereikt kan worden met het Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol. Dit lichtgewicht IIoT-berichtenprotocol maakt het mogelijk om externe apparaten te verbinden met een minimale code en een lage netwerkbandbreedte.

Afbeelding 4: Weergegeven is een CbM-architectuur gebaseerd op SPE. De belangrijkste onderdelen van het sensorsysteem zijn de sensor, een energiezuinige randprocessor en de MAC-PHY. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De meeste goedkope Cortex-M4-microcontrollers zijn geschikt voor deze toepassing, omdat vrijwel al deze chips de SPI-poorten hebben die nodig zijn om verbinding te maken met de sensor(s) en de MAC-PHY. Vanuit een softwareperspectief zijn de belangrijkste vereisten voldoende geheugen voor de MQTT-stack, een geschikt real-time besturingssysteem (RTOS) en software voor randanalyse. Meestal zijn er slechts enkele tientallen kilobytes RAM en ROM nodig.

Zodra de SPE-kabel de bestaande infrastructuur bereikt, kan een mediaconvertor het 10BASE-T1L-signaal veranderen in 10BASE-T frames voor standaard Ethernetkabels. Merk op dat deze conversie alleen het fysieke formaat verandert; de Ethernetpakketten blijven onaangeroerd. Van hieruit kunnen deze pakketten over elk Ethernetnetwerk verzonden worden.

Conclusie

SPE ontpopt zich als een transformatieve technologie die de uitdagingen van CbM voor apparatuur op afstand adequaat aanpakt. De PoDL-mogelijkheden combineren op elegante wijze stroom- en gegevenstransmissie via één getwist paar, waardoor een goedkope manier wordt geboden om Ethernet-infrastructuur uit te breiden naar grotere afstanden. Met een zorgvuldige selectie van MAC-PHY-interfaces en MEMS-sensors kunnen ingenieurs deze mogelijkheden gebruiken om compacte, lichtgewicht oplossingen te implementeren die voldoende kosteneffectief zijn om hun gebruik op minder kritieke bedrijfsmiddelen te rechtvaardigen. Dit maakt nieuwe niveaus van zichtbaarheid in activiteiten mogelijk die AI- en ML-systemen kunnen gebruiken om ongekende operationele inzichten te bieden.