Jak wdrożyć monitorowanie predykcyjne stanu maszyn przy użyciu jednoparowej sieci ethernetowej

| Technika

W automatyce przemysłowej i aplikacjach Internetu Rzeczy (IIoT) monitorowanie stanu urządzeń (condition-based monitoring, CbM) zapewnia wgląd w stan infrastruktury, co pozwala wydłużyć czas pracy maszyn i zwiększyć produktywność, obniżyć koszty konserwacji i zapewnić bezpieczeństwo pracowników. Coraz lepsze czujniki, algorytmy diagnostyczne, większa dostępna moc obliczeniowa w komputerach oraz narzędzia sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) czynią te działania bardziej użytecznymi, brak odpowiedniej infrastruktury ogranicza możliwość użycia takich rozwiązań w wielu zastosowaniach.

Jak wdrożyć monitorowanie predykcyjne stanu maszyn przy użyciu jednoparowej sieci ethernetowej

Sprzęt stosowany w górnictwie, przemyśle naftowym/gazowym, usługach i przemyśle często pracuje w lokalizacjach, w których brakuje źródła zasilania lub sieci komunikacyjnej. Prowadzenie nowych kabli zasilających i sieciowych do odległych miejsc może być nie tylko kosztowne, ale i niepraktyczne, szczególnie gdy wymagane jest zapewnienie dużej szybkości transmisji danych.

Alternatywna komunikacja bezprzewodowa wiąże się z wieloma kompromisami. Na przykład czujnik zasilany bateryjnie może działać z ograniczoną szybkością transmisji danych lub mieć małą żywotność, co sprawia, że takie konfiguracje są nieodpowiednie dla monitorowania stanu maszyn. Aby skorzystać z wszystkich dostępnych i najnowszych możliwości, infrastruktura musi dostarczyć niezawodne zasilanie i łączność sieciową o dużej przepustowości przy niskich kosztach inwestycyjnych.

Do takich rozwiązań przeznaczony jest jednoparowy Ethernet 10BASE-T1L (SPE). Zapewnia on wymianę danych i dostarczenie zasilania na dystansie do 1 km, a więc znacznie wykraczając poza zasięg tradycyjnego Ethernetu przemysłowego. Dzięki tej nowej technologii inżynierowie mogą wdrożyć zaawansowane monitorowanie stanu we wcześniej niedostępnych lokalizacjach oraz o znacznie lepszej funkcjonalności.

W niniejszym artykule omówiono zagadnienia związane z monitorowaniem stanu maszyn z uwzględnieniem sztucznej inteligencji, a następnie przedstawiono zalety użycia Ethernetu jednoparowego. Pokazano najważniejsze parametry czujników z SPE i podano wskazówki dotyczące ich wyboru. Na koniec w artykule dokonano przeglądu podstaw projektowania połączonego interfejsu do transmisji danych i zasilania oraz pokazano, jak zintegrować system monitoringu oparty na SPE z szerszą siecią przemysłową.

Predykcyjne monitorowanie stanu, AI i ML

Na szczególną uwagę w przedmiotowym obszarze techniki zasługuje rozwój sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego. Technologie te rozszerzają zasięg systemów monitorowania poza maszyny z elementami wirującymi, takie jak pompy, sprężarki i wentylatory, aby objąć szersze spektrum maszyn, w tym maszyny CNC, systemy przenośników i transporterów i roboty.

Postęp ten jest możliwy dzięki zdolności systemów AI i ML do przyjmowania i interpretowania niezliczonych ilości danych, w tym wibracji, ciśnienia, temperatury i danych z systemów wizyjnych. Dzięki nim algorytmy AI i ML mogą identyfikować nietypowe zachowania, które starsze technologie nie były w stanie wykryć.

Aby osiągnąć te korzyści, dane o wysokiej jakości metrologicznej muszą być dostępne do dalszej analizy, dlatego też rzeczą kluczową jest zapewnienie łączności od sensorów działających na krawędzi do chmury obliczeniowej (rys. 1).

 
Rys. 1. Nowoczesne systemy monitorowania predykcyjnego staniu maszyn muszą łączyć rozproszony geograficznie sprzęt klasy OT z systemami IT

Przewaga SPE

Do komunikacji w przemyśle wybór Ethernetu jest dzisiaj oczywistym wyborem, gdyż zapewnia typową przepustowość danych 100 Mbps i pozwala na dostarczanie zasilania w ramach Power over Ethernet (PoE) o mocy nawet do 30 W na port. Jednakże klasyczny Ethernet przemysłowy ma zasięg ograniczony do 100 metrów.

Ten problem rozwiązuje Ethernet jednoparowy SPE, który, jak sama nazwa wskazuje, zapewnia komunikację za pomocą pojedynczej skrętki zamiast dwóch par w 100BASE-TX lub czterech par w 10BASE-T. W rezultacie okablowanie SPE jest mniejsze, przewód jest lżejszy i tańsze niż równoważny kabel klasy "Industrial Ethernet". Pomimo to, SPE działa na dystansie do 1 km, przy szybkości transmisji danych do 1 Gb/ s. Można nim zapewnić zasilanie o mocy do 50 W, a złącza o stopniu ochrony IP67 pozwalają na budowę sieci do pracy w trudnych warunkach.

Warto zaznaczyć, że maksymalne parametry dla SPE wzajemnie się wykluczają. Na przykład prędkości 1 Gb/ s są obsługiwane tylko na krótkich dystansach do 40 m. Natomiast szybkość transmisji danych jest ograniczona do 10 Mb/ s przy maksymalnej długości kabla wynoszącej 1 km. Podobnie jest z mocą zasilania.

Jak wybrać Ethernet MAC do użycia w aplikacji SPE

Podobnie jak we wszystkich innych rodzajach Ethernetu, interfejs SPE zawiera warstwę MAC i warstwę fizyczną PHY.

MAC zarządza danymi w Ethernecie, podczas gdy PHY przekształca analogowe sygnały napięciowe w kablach na sygnały cyfrowe.

Wiele zaawansowanych mikrokontrolerów zawiera MAC, a niektóre zawierają też blok PHY. Jednak te tańsze jednostki o małej wydajności stosowane w czujnikach nie mają żadnej z tych funkcji. Stąd też konieczne jest sięgnięcie po układy 10BASE-T1L MAC-PHY, które implementują oba elementy w oddzielnym chipie, umożliwiając projektantom wybór spośród różnych procesorów o ultraniskim poborze mocy.

Dobrym przykładem jest ADIN1110CCPZ-R7 firmy Analog Devices (rys. 2). Ten jednoportowy transceiver 10BASE-T1L jest przeznaczony do komunikacji SPE o większym zasięgu przy szybkości 10 Mb/s. ADIN1110 łączy się z hostem poprzez 4-przewodowy szeregowy interfejs SPI dostępny w większości nowoczesnych mikrokontrolerów.

 
Rys. 2. ADIN1110 to jednoportowy transceiver 10BASE-T1L, który łączy się z procesorem poprzez 4-przewodowy interfejs SPI

Aby poprawić niezawodność działania, ADIN1110 ma wbudowany obwód monitorowania wartości napięcia zasilania i obwód resetowania po załączeniu napięcia (power-on-reset, POR). Podczas nadawania poziomy sygnału są programowane, szyna komunikacyjna jest terminowana za pomocą zewnętrznych rezystorów, a piny nadajnika i odbiornika zostały rozdzielone. Układ nadaje się do zastosowań iskrobezpiecznych.

Projektowanie interfejsu do transmisji danych i jednocześnie zasilania

W SPE zasilanie i dane przesyłane są tymi samymi przewodami, co zapewnia technologia Power over Data Lines (PoDL). Jak pokazano na rysunku 3, dane w postaci sygnału wysokiej częstotliwości są doprowadzane do skrętki poprzez szeregowe kondensatory, podczas gdy zasilanie DC jest doprowadzane do linii za pomocą dławików.

 
Rys. 3. PoDL zapewnia dystrybucję zasilania i danych za pomocą pojedynczej skrętki, wykorzystując do rozdzielenia sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe

W praktyce, aby zapewnić odporność na uszkodzenia i pewność działania, wymagane są dodatkowe komponenty. Na dioda prostownicza w celu zabezpieczenia przed odwrotną polaryzacją zasilania, tłumik TVS dla ochrony przed przepięciami oraz dławik dla ograniczenia zakłóceń indukujących się w przewodzie.

Dobór czujników

Jak wspomniano wcześniej, systemy monitoringu wykorzystują wiele typów czujników i przy ich wybieraniu zawsze trzeba wziąć pod uwagę kompromisy między ich wydajnością a efektywnością kosztową i funkcjonalnością.

Weźmy na przykład detektory wibracji. Czujniki piezoelektryczne zapewniają lepsze parametry niż MEMS-y, ale są istotnie droższe, stąd są one dobrym wyborem w przypadku bardzo krytycznych zasobów.

Z drugiej strony wiele mniej istotnych zasobów jest często zlokalizowanych w najdalszych zakątkach obiektu i dlatego elementy te nie są obecnie monitorowane pod kątem działania ze względu na ograniczenia kosztowe. Jednak ich dane nadal muszą być jakość, pobierane i odczytywane, aby poprawić ogólną produktywność systemu. Połączenie dużej odległości działania i małych kosztów to dokładnie te czynniki, które wyróżniają monitoring oparty na SPE. W takim rozwiązaniu czujniki MEMS są naturalnym wyborem.

Oprócz niższych kosztów czujniki MEMS oferują inne zalety w sieciach bazujących na SPE. Na przykład, w porównaniu z czujnikami piezoelektrycznymi, większość czujników MEMS realizuje cyfrowe filtrowanie sygnałów, ma doskonałą liniowość i małe gabaryty ułatwiające integrację.

Kolejnym wyborem są czujniki jednoi trójosiowe. W tabeli 1 przedstawiono różnicę między dwoma typowymi sensorami tego typu, tj. trójosiowym akcelerometrem ADXL357BEZ-RL i jednoosiowym akcelerometrem ADXL1002BCPZ- RL7.

Jak pokazano w tabeli 1, jednoosiowe sensory zapewniają szersze pasmo i niższe zakłócenia. Czujniki trójosiowe mają szersze spektrum detekcji zdarzeń, a więc wykryją wiele typów usterek, w tym wygięcia wałów, mimośrodowość wirników, problemy z łożyskami i naprężeniami trudnymi do zidentyfikowania za pomocą detektora jednoosiowego.

Warto zaznaczyć, że same czujniki wibracji nie są w stanie wykryć wszystkich usterek, nawet tych związanych przede wszystkim z wibracjami. W niektórych scenariuszach optymalnym rozwiązaniem może być sparowanie czujnika jednoosiowego z innymi czujnikami, np. czujnikiem prądu lub pola magnetycznego silnika. W innych przypadkach najlepszym rozwiązaniem może być użycie dwóch lub nawet więcej czujników jednoosiowych.

Biorąc pod uwagę złożoność tych rozważań, zaleca się eksperymentowanie z obydwoma typami czujników i wybór najlepszego układów po przeprowadzeniu testów. W tym celu firma Analog Devices przygotowała płytki ewaluacyjne zawierające czujniki ADXL357 i ADXL1002.

System monitorowania predykcyjnego opartego na SPE i większa sieć przemysłowa

Zasadniczym wymogiem każdego systemu monitoringu stanu maszyn jest zapewnienie bezproblemowej łączności z chmurą. Rysunek 4 ilustruje, jak można to osiągnąć przy użyciu protokołu MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), przeznaczonego do przesyłania komunikatów w IIoT przy minimalnej objętości kodu i małej przepustowości sieci.

 
Rys. 4. Architektura systemu monitoringu stanu z użyciem SPE. Kluczowe elementy systemu obejmują czujnik, procesor o niskim poborze mocy i MAC-PHY

Większość tanich mikrokontrolerów z rdzeniem Cortex- M4 nadaje się do tego zastosowania, ponieważ praktycznie wszystkie te chipy mają SPI potrzebny do podłączenia czujników i MAC-PHY. Z punktu widzenia oprogramowania głównymi wymaganiami są wystarczająca ilość pamięci dla stosu MQTT, system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) i oprogramowanie do analizy brzegowej danych. Zwykle potrzebnych jest tylko kilkadziesiąt kilobajtów pamięci RAM i ROM.

Gdy kabel SPE dołączony zostanie do istniejącej infrastruktury, konwerter mediów może zmienić sygnał 10BASE-T1L na 10BASE-T dla standardowego Ethernet. Należy pamiętać, że taka konwersja jedynie zmienia format fizyczny – pakiety Ethernet pozostają niezmienione. Stąd mogą być one przesyłane przez dowolny typ sieci ethernetowej.

Podsumowanie

Dzięki PoDL sieci SPE łączą zasilanie i transmisję danych na pojedynczej skrętce przewodu, zapewniając niedrogi sposób na rozszerzenie infrastruktury sieci ethernetowej na większe odległości. Dzięki dostępności interfejsów MAC- PHY i czujników MEMS inżynierowie mogą wykorzystać te możliwości do wdrożenia kompaktowych rozwiązań, które są niedrogie i wydajne na tyle, aby uzasadnić ich użycie w mniej krytycznych zasobach. Umożliwia to nowy poziom wglądu w operacje, które systemy AI i ML mogą wykorzystać do zapewnienia niespotykanego dotąd wglądu operacyjnego.

 

Digi-Key
www.digikey.pl

Zobacz również