作者：Kenton Williston

　　在工廠自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM) 提供對資產(chǎn)健康狀況的洞察，以增加正常運行時間和生產(chǎn)力、降低維護成本、延長資產(chǎn)壽命并確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 技術的應用的改進使 CbM 更加有用，但缺乏合適的基礎設施限制了其在許多應用中的影響力。

　　采礦、石油/天然氣、公用事業(yè)和制造應用中的設備通常位于缺乏電力或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的位置。將新的電源和網(wǎng)絡電纜連接到這些遠程位置可能成本高昂且不切實際，特別是對于需要相對較高功率和數(shù)據(jù)速率的 CbM 應用而言。

　　無線替代方案需要權衡。例如，電池供電的傳感器只能提供有限的數(shù)據(jù)速率，使得這些設置不適合 CbM。為了將最新的 CbM 功能引入這些地點，工程師需要替代基礎設施選項，以低成本提供可靠的電力和高帶寬網(wǎng)絡。

　　10BASE-T1L 單對以太網(wǎng) (SPE) 專為滿足這些標準而設計。它可在長達 1 公里 (km) 的距離內提供數(shù)據(jù)和電力，遠遠超出了工業(yè)以太網(wǎng)的限制。工程師可以利用這項新技術將復雜的 CbM 技術部署到以前無法到達的位置。

　　本文概述了 CbM 和人工智能的影響，然后概述了 SPE 對于遠程位置的優(yōu)勢。它重點介紹了基于 SPE 的傳感器的關鍵組件，并提供了選擇它們的指南。最后，本文回顧了設計組合數(shù)據(jù)和電力通信接口的基礎知識，并展示了如何將基于 SPE 的 CbM 系統(tǒng)集成到更廣泛的工業(yè)網(wǎng)絡中。

　　CbM 以及人工智能和機器學習的影響

　　雖然推動 CbM 增長的因素有很多，但人工智能和機器學習的崛起尤其值得注意。這些技術正在將 CbM 的應用范圍擴展到泵、壓縮機和風扇等旋轉設備之外，涵蓋更廣泛的機械，包括數(shù)控機床、輸送機系統(tǒng)和機器人。

　　這些進步之所以成為可能，是因為人工智能和機器學習系統(tǒng)能夠攝取和解釋大量數(shù)據(jù)，包括振動、壓力、溫度和視覺數(shù)據(jù)。憑借豐富的數(shù)據(jù)集，人工智能和機器學習系統(tǒng)可以識別舊技術可能遺漏的異常行為。

　　為了實現(xiàn)這些優(yōu)勢，所有相關設備都必須提供高保真數(shù)據(jù)，這就是為什么 CbM 系統(tǒng)為運營中最偏遠的角落提供邊緣到云連接變得至關重要的原因(圖 1)。

　　圖 1：現(xiàn)代 CbM 系統(tǒng)必須將遠程操作技術 (OT) 設備與信息技術 (IT) 系統(tǒng)連接起來。 (圖片來源：Analog Devices)

　　SPE 相對于其他替代方案的優(yōu)勢

　　為了服務這些遠程地點，工程師需要一種 IT 友好的方式來提供數(shù)據(jù)和電力，從而將成本和物理占地面積降至最低。工業(yè)以太網(wǎng)解決方案是一個顯而易見的選擇，因為它們提供每秒 100 兆比特 (Mbps) 的典型數(shù)據(jù)帶寬，以及每端口高達 30 瓦的以太網(wǎng)供電 (PoE)。然而，工業(yè)以太網(wǎng)的距離限制為 100 米 (m)。

　　輸入 SPE，顧名思義，它通過單對雙絞線提供以太網(wǎng)連接，而不是 100BASE-TX 的兩對雙絞線或 10BASE-T 的四對雙絞線。因此，SPE 布線比同等的工業(yè)以太網(wǎng)布線更小、更輕且成本更低。盡管占地面積減少，SPE 仍支持長達 1 公里 (km) 的運行距離、高達 1 千兆位每秒 (Gbps) 的數(shù)據(jù)速率、高達 50 瓦的功率以及適用于惡劣環(huán)境的 IP67 等級連接器。

　　值得注意的是，SPE 的最大額定值是相互排斥的。例如，僅在長達 40 m 的短距離運行中才支持 1 Gbps 速度。相比之下，在最大電纜長度為 1 km 時，數(shù)據(jù)速率限制為 10 Mbps。

　　如何選擇用于 SPE 應用的以太網(wǎng) MAC

　　與所有以太網(wǎng)連接一樣，SPE 接口包含媒體訪問控制 (MAC) 層和物理 (PHY) 層。 MAC 管理以太網(wǎng)流量，而 PHY 將電纜中的模擬波形轉換為數(shù)字信號。

　　許多先進的微控制器單元 (MCU) 都配備了 MAC，有些還包含 PHY。然而，用于邊緣傳感器的低成本、低功耗 MCU 缺乏其中任何一個功能。該解決方案在于 10BASE-T1L MAC-PHY，它在單獨的芯片中實現(xiàn)這兩個元素，使設計人員能夠從各種超低功耗處理器中進行選擇。

　　Analog Devices 的ADIN1110CCPZ-R7就是一個很好的例子(圖 2)。該單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器專為擴展范圍、10 Mbps SPE 連接而設計。 ADIN1110 通過 4 線串行外設接口 (SPI) 連接到主機，這是大多數(shù)現(xiàn)代微控制器上都有的接口。

　　圖 2：ADIN1110 是一款單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，通過 4 線 SPI 接口連接到主機處理器。 (圖片來源：Analog Devices)

　　為了提高魯棒性，ADIN1110 集成了電源電壓監(jiān)控和上電復位 (POR) 電路。此外，可編程發(fā)送電平、外部終端電阻器以及獨立的接收和發(fā)送引腳使該器件適合本質安全應用。

　　設計共享數(shù)據(jù)和電源通信接口

　　SPE 使用稱為數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 的技術通過同一根電線提供電源和數(shù)據(jù)。如圖 3 所示，高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容器耦合到雙絞線，而直流 (DC) 電源則使用電感器耦合到線路。

　　圖 3：PoDL 分別使用電感和電容耦合通過單根雙絞線提供電源和數(shù)據(jù)信號。 (圖片來源：Analog Devices)

　　在實踐中，需要額外的組件來實現(xiàn)穩(wěn)健性和容錯能力。例如，建議使用橋式整流二極管來防止電源連接極性錯誤。同樣，瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管對于電磁兼容性 (EMC) 魯棒性也是必需的。值得注意的是，需要一個扼流圈來減輕電纜的共模噪聲。

　　選擇 CbM 傳感器

　　如前所述，CbM 可應用于多種傳感方式。在這些模式中，需要考慮的關鍵因素之一是性能和效率之間的權衡。

　　以振動傳感為例。壓電傳感器的性能優(yōu)于微機電系統(tǒng) (MEMS)，但成本較高。這使得壓電傳感器成為往往位于中心位置的高度關鍵資產(chǎn)的良好選擇。

　　相比之下，許多不太重要的資產(chǎn)通常位于設施最遠的地方，因此由于成本限制目前并未受到監(jiān)控。然而，仍然必須挖掘他們的數(shù)據(jù)以提高整體系統(tǒng)的生產(chǎn)力。距離和成本敏感性的結合正是基于 SPE 的 CbM 的優(yōu)勢，使 MEMS 傳感器成為自然選擇。

　　除了成本較低之外，MEMS 傳感器還為 SPE 傳感器提供了其他優(yōu)勢。例如，與壓電傳感器相比，大多數(shù) MEMS 傳感器具有數(shù)字濾波、出色的線性度、重量輕和尺寸小等特點。

　　下一個設計選擇是在單軸傳感器和三軸傳感器之間進行選擇。表 1 列出了兩個典型示例ADXL357BEZ-RL三軸加速度計和ADXL1002BCPZ-RL7單軸加速度計之間的差異。

　　表 1：單軸 ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器在許多重要的考慮領域進行權衡。 (圖片來源：Analog Devices)

　　如表 1 所示，單軸傳感器可提供更高的帶寬和更低的噪聲。然而，三軸傳感器可以捕獲垂直、水平和軸向振動，從而更詳細地了解資產(chǎn)的運行情況。使用單軸傳感器很難識別許多故障，包括彎曲軸、偏心轉子、軸承問題和翹起轉子。

　　值得注意的是，振動傳感器本身無法檢測到所有故障，即使是那些主要與振動相關的故障。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配對，例如用于電機電流或磁場的傳感器。在其他情況下，最佳解決方案可能涉及兩個或更多單軸傳感器。

　　考慮到這些考慮因素的復雜性，建議對兩種類型的傳感器進行試驗。為此，Analog Devices 提供了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(tǒng)集成到更大的工業(yè)網(wǎng)絡中

　　任何 CbM 系統(tǒng)的一個基本要求是提供與云的無縫連接。圖 4 說明了如何使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協(xié)議來實現(xiàn)這一點。這種輕量級 IIoT 消息傳遞協(xié)議能夠以最少的代碼占用量和較低的網(wǎng)絡帶寬連接遠程設備。

　　圖 4：所示為基于 SPE 的 CbM 架構。關鍵傳感器系統(tǒng)組件包括傳感器、低功耗邊緣處理器和 MAC-PHY。 (圖片來源：Analog Devices)

　　大多數(shù)低成本 Cortex-M4 微控制器都適合此應用，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。從軟件角度來看，主要要求是用于 MQTT 堆棧的足夠內存、適當?shù)膶崟r操作系統(tǒng) (RTOS) 和邊緣分析軟件。通常，只需要幾十 KB 的 RAM 和 ROM。

　　一旦 SPE 電纜到達現(xiàn)有基礎設施，媒體轉換器就可以將 10BASE-T1L 信號轉換為標準以太網(wǎng)電纜的 10BASE-T 幀。請注意，此轉換僅更改物理格式;以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包保持不變。從這里，這些數(shù)據(jù)包可以通過任何以太網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)送。

　　結論

　　SPE 正在成為一種變革性技術，能夠巧妙地解決遠程設備 CbM 的挑戰(zhàn)。其 PoDL 功能通過一根雙絞線優(yōu)雅地融合了電力和數(shù)據(jù)傳輸，提供了一種將以太網(wǎng)基礎設施擴展到更遠距離的低成本方式。通過精心選擇 MAC-PHY 接口和 MEMS 傳感器，工程師可以利用這些功能來部署緊湊、輕量級的解決方案，這些解決方案具有足夠的成本效益，足以證明其在不太重要的資產(chǎn)上的使用是合理的。這使得人工智能和機器學習系統(tǒng)可以使用新的操作可見性來提供前所未有的操作洞察力。