כיצד לממש ניטור מבוסס-תנאים באמצעות Ethernet-זוג-יחיד

מאת &lrm;קנטון וויליסטון

באדיבות &lrm;DigiKey's North American Editors

2023-12-13

באוטומציה במפעלים ובאינטרנט תעשייתי של דברים (IIoT), ניטור מבוסס תנאים (CbM) מספק תובנות לגבי בריאות הנכסים כדי להגדיל את זמן הפעולה והפרודוקטיביות, להפחית את עלויות התחזוקה, להאריך את חיי הנכסים ולהבטיח את בטיחות העובדים. בעוד ששיפורים בחיישנים, אלגוריתמי דיאגנוסטיקה, כוח עיבוד ויישום טכניקות בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) הופכים את ה-CbM לשימושי יותר מכיוון שהיעדר תשתית מתאימה הגביל את הטווח שלו ביישומים רבים.

ציוד ביישומים לכרייה, נפט/גז, שירותים וייצור, ממוקם לעתים קרובות במקומות נעדרי הספקת-כוח או רשתות נתונים. פריסת כבלי כוח ורשת חדשים למיקומים מרוחקים אלה עלולה להיות יקרה ולא מעשית, במיוחד עבור יישומי CbM הדורשים קצבי הספק ונתונים גבוהים יחסית.

חלופות אלחוטיות מגיעות עם פשרות. לדוגמה, חיישן המופעל באמצעות סוללה יכול להציע רק קצבי נתונים מוגבלים, והופך מערכים אלו ללא-מתאימים עבור CbM. כדי להביא את יכולות ה-CbM העדכניות למיקומים אלו, המהנדסים זקוקים לאפשרויות תשתית חלופיות המביאות הספקת-כוח אמין ורוחב פס גבוה בעלות נמוכה.

Ethernet זוג-יחיד (SPE‏) 10BASE-T1L‏ תוכנן במיוחד כדי לעמוד בקריטריונים אלה. הוא מספק נתונים וכוח למרחקים של עד קילומטר אחד (ק"מ), הרבה מעבר למגבלות של Ethernet תעשייתי. המהנדסים יכולים לפרוס טכנולוגיית CbM מתוחכמת למיקומים שלא היו נגישים בעבר באמצעות טכנולוגיה חדשה זו.

מאמר זה מספק סקירה כללית על CbM ועל ההשפעה של AI ומתאר את היתרונות של SPE עבור מיקומים מרוחקים. הוא מדגיש רכיבים קריטיים של חיישנים מבוססי SPE ומציע הנחיות עבור בחירתם. לבסוף, המאמר סוקר את היסודות של תכנון ממשק תקשורת נתונים וכוח משולב, והוא מראה כיצד לשלב מערכת CbM מבוססת-SPE לתוך רשת תעשייתית רחבה יותר.

CbM וההשפעה של AI ו-ML

בעוד שגורמים רבים מניעים את הצמיחה של CbM, העלייה של AI ו-ML ראויה לציון במיוחד. טכנולוגיות אלו מרחיבות את טווח ההגעה של CbM מעבר לציוד מסתובב כגון משאבות, מדחסים ומאווררים, כדי להקיף קשת רחבה יותר של מכונות הכוללת מכונות CNC, מערכות מסועים ורובוטיקה.

חידושים אלו אפשריים הודות ליכולתן של מערכות AI ו-ML לקלוט ולפרש אינספור נתונים, כולל רעידות, לחץ, טמפרטורה ונתונים ויזואליים. עם מערכי נתונים עשירים, מערכות AI ו-ML יכולות לזהות התנהגויות חריגות שטכנולוגיות ישנות יותר עלולות להחמיץ.

כדי להשיג את היתרונות הללו, נתונים בנאמנות-גבוהה חייבים להיות זמינים מכל הציוד הרלוונטי, וזו הסיבה שמערכות CbM הפכו לקריטיות כדי לספק חיבוריות קצה-לענן לפינות המרוחקות ביותר של פעולות (איור 1).

תרשים של מערכות CbM מודרניות החייבות לחבר טכנולוגיית פעולות מרוחקות איור 1: מערכות CbM מודרניות חייבות לחבר ציוד של טכנולוגיית פעולה (OT) מרוחקות עם מערכות טכנולוגיות מידע (IT). (מקור התמונה: Analog Devices)

היתרונות של SPE על פני האלטרנטיבות

כדי לשרת מיקומים מרוחקים אלה, המהנדסים צריכים דרך ידידותית-ל-IT כדי לספק נתונים וכוח כך שחתימת-השטח והעלויות יהיו במינימום. פתרונות Ethernet תעשייתי הם הבחירה הברורה שכן הם מציעים רוחב-פס נתונים טיפוסי של 100 מגה-ביט לשנייה (Mbps), וה-Power over Ethernet‏ (PoE‏) יהיה עד 30 וואט לכל נקודת-חיבור. עם זאת, Ethernet תעשייתי מוגבל למרחק של עד 100 מטר.

כאן נכנס ה-SPE, אשר, כפי שהשם מרמז, מספק חיבוריות Ethernet על זוג חוטים מפותל יחיד, במקום שני זוגות עבור 100BASE-TX או ארבעה זוגות עבור 10BASE-T. כתוצאה מכך כבלי SPE הם קטנים יותר, קלים יותר ויקרים פחות לעומת כבלי Ethernet תעשייתי מקבילים. למרות חתימת-השטח המוקטנת, SPE תומך במרחקים של עד 1 קילומטר (ק"מ), קצבי נתונים של עד 1 גיגה-ביט לשנייה (Gbps), הספק של עד 50 וואט, ומחברים בדירוג IP67 עבור סביבות קשות.

ראוי לציין שהדירוגים המקסימליים עבור SPE הם מנוגדים אחד לשני. לדוגמה, מהירויות של Gbps‏ 1‏ נתמכות רק במרחקים קצרים של עד 40 מטר. לעומת זאת, קצבי הנתונים מוגבלים ל-Mbps‏ 10‏ באורך כבל מקסימלי של 1 ק"מ.

כיצד לבחור Ethernet MAC עבור שימוש ביישום SPE

כמו כל חיבורי Ethernet, ממשקי SPE משלבים שכבת בקרת גישה למדיה (MAC) ושכבה פיזית (PHY). ה-MAC מנהל תעבורת Ethernet, בעוד שה-PHY הופך צורות גל אנלוגיות מהכבל לאותות דיגיטליים.

יחידות מיקרו-בקר (MCU) מתקדמות רבות מצוידות ב-MAC, וחלקן כוללות PHY. עם זאת, ה-MCU בעלות נמוכה והספק נמוך המשמשים עבור חיישני קצה חסרים מאפיינים אלו. הפתרון טמון ב-10BASE-T1L MAC-PHY, המיישם את שני האלמנטים בשבב נפרד, ומאפשר למתכננים לבחור מבין מעבדים שונים בעלי הספק אולטרה-נמוך.

דוגמה טובה היא ADIN1110CCPZ-R7 של Analog Devices‏ (איור 2). מקמ"ש 10BASE-T1L בעל נקודת-חיבור יחידה זה מתוכנן עבור טווח מורחב וחיבורי SPE של Mbps‏ 10‏. ה-ADIN1110 מתחבר למארח באמצעות ממשק היקפי טורי (SPI) של 4 חוטים, ממשק הנמצא ברוב המיקרו-בקרים המודרניים.

תרשים של ADIN1110 של Analog Devices‏ שהוא מקמ"ש 10BASE-T1L בעל נקודת-חיבור יחידה איור 2‏: ה-ADIN1110 הוא מקמ"ש 10BASE-T1L בעל נקודת-חיבור יחידה המתחבר למעבד המארח באמצעות ממשק SPI של 4 חוטים. (מקור התמונה: Analog Devices)

כדי לשפר את החוסן, ה-ADIN1110 משלב ניטור הספקת מתח ומעגלי איפוס בהפעלה (POR‏). יתר על כן, רמות שידור הניתנות לתכנות, נגדי סיומת חיצוניים ופיני קליטה ושידור עצמאיים הופכים את ההתקן למתאים עבור יישומי בטיחות אינטרינזית.

תכנון ממשק תקשורת נתונים והספקת-כוח משותפים

SPE מעניק הספקת-כוח ונתונים על אותם חוטים באמצעות טכנולוגיה הנקראת Power over Data Lines‏ (PoDL‏). כמתואר באיור 3, נתונים בתדר גבוה מחוברים לזוג חוטים מפותל דרך קבלים טוריים, בעוד שהספק זרם ישר (DC) מחובר לקווים באמצעות משרנים.

.רשים של PoDL המספק אותות הספקת-כוח ונתונים על פני זוג חוטים מפותל יחיד איור 3‏: PoDL מספק אותות הספקת-כוח ונתונים על פני זוג חוטים מפותל יחיד באמצעות חיבורים השראתיים וקיבוליים, בהתאמה. (מקור התמונה: Analog Devices)

בפועל, נדרשים רכיבים נוספים עבור חוסן וטולרנס לתקלות. לדוגמה, דיודת מיישר גשר מומלצת כדי להגן מפני קוטביות שגויה של חיבור הספקת-הכוח. בדומה, דיודת משכך מתחים טרזיינטיים (TVS) נדרשת עבור חוסן תאימות אלקטרומגנטית (EMC). יש לציין כי יש צורך במשנק כדי להפחית רעשי אופן-משותף (CM‏) מהכבל.

בחירת חיישנים עבור CbM

כפי שצוין קודם לכן, ניתן ליישם CbM על מגוון רחב של שיטות חישה. על פני שיטות אלה, אחד הגורמים הקריטיים שיש לקחת בחשבון הוא הפשרה בין ביצועים לבין יעילות.

ניקח את חישת רעידות כדוגמה. חיישנים פיזואלקטריים מציעים ביצועים מעולים עבור מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) אך בעלות גבוהה יותר. זה הופך חיישנים פיזואלקטריים לבחירה טובה עבור נכסים קריטיים ביותר, הנוטים להיות ממוקמים במרכז.

לעומת זאת, נכסים רבים פחות קריטיים ממוקמים לעתים קרובות במקומות הרחוקים ביותר של מתקן, ולכן אינם מנוטרים כיום עקב אילוצי עלויות. אך עדיין יש לכרות את הנתונים שלהם כדי לשפר את פרודוקטיביות המערכת הכוללת. השילוב של מרחק ועלות הוא בדיוק המקום שבו CbM מבוסס-SPE מצטיין, והופך חיישני MEMS להתאמה טבעית.

ביחד עם עלות נמוכה יותר, חיישני MEMS מציעים יתרונות נוספים עבור חיישני SPE. לדוגמה, בהשוואה לחיישנים פייזואלקטריים, רוב חיישני MEMS מציעים סינון דיגיטלי, ליניאריות מעולה, משקל נמוך וגודל קטן.

בחירת התכנון הבאה היא בין חיישני צירים בודדים לבין תלת-צירים. טבלה 1 מציינת את ההבדל בין שתי דוגמאות טיפוסיות, מד תאוצה תלת-צירי ADXL357BEZ-RL ומד תאוצה חד-צירי ADXL1002BCPZ-RL7‏.

פרמטר	ADXL357	ASXL1002
מספר הצירים	3	1
גודל	2.2 מ"מ x‏ 5.6 מ"מ x‏ 6 מ"מ	1.8 מ"מ x‏ 5 מ"מ x‏ 5 מ"מ
ADC משולב	כן	ללא
ספק-כוח	V‏ 2.25‏ עד V‏ 3.6‏	V‏ 3.3‏ עד V‏ 5.25‏
ממשק	SPI	אנלוגי
משקל	< 0.2 גרם	< 0.2 גרם
רעש	μg/√hz‏ 80‏	μg/√hz‏ 25‏
רוחב-פס	kHz‏ 1‏	kHz‏ 11‏
צריכת זרם	μA‏ 200‏	μA‏ 1,000‏

טבלה 1: חיישני ADXL1002BCPZ-RL7 חד-צירי ו-ADXL357BEZ-RL תלת-צירי מציעים פשרות על פני תחומים חשובים רבים של שיקולים. (מקור התמונה: Analog Devices)

כפי שמדגימה טבלה 1, חיישנים חד-ציריים מציעים רוחב-פס גבוה ורעש נמוך יותר משמעותית. עם זאת, חיישנים תלת-ציריים יכולים לקלוט רעידות אנכיות, אופקיות וציריות, ומציעים הבנה מפורטת יותר של פעולת הנכסים. תקלות רבות, כולל צירים מכופפים, רוטורים אקסצנטריים, בעיות מיסבים ורוטורים משופעים מאתגרים את הזיהוי באמצעות חיישן חד-צירי.

ראוי לציין שחיישני רעידות לבדם אינם יכולים לזהות את כל התקלות, אפילו אלה הקשורות בעיקר לרעידות. בתרחישים מסוימים, הפתרון האופטימלי עשוי להיות חיבור חיישן חד-צירי לחיישנים אחרים, כמו חיישן זרם או שדה מגנטי של המנוע. במקרים אחרים, הפתרון הטוב ביותר עשוי לכלול שני חיישנים חד-ציריים או יותר.

בהתחשב במורכבות של שיקולים אלו, מומלץ להתנסות עם שני סוגי החיישנים. לשם כך, Analog Devices מציעה את לוח ההערכה עם חיישן תלת-צירי ADXL357‏ ואת לוח ההערכה עם חיישן חד-צירי ADXL1002‏.

שילוב של מערכת CbM מבוססת-SPE לתוך רשת תעשייתית גדולה יותר

דרישה חיונית לכל מערכת CbM היא לספק חיבוריות חלקה חזרה לענן. איור 4 ממחיש כיצד ניתן להשיג זאת באמצעות פרוטוקול Message Queuing Telemetry Transport‏ (MQTT‏). פרוטוקול הודעות IIoT קל-משקל זה מאפשר חיבור של התקנים מרוחקים עם טביעת-רגל קוד מינימלית ורוחב-פס רשת קטן.

איור 4: ארכיטקטורת CbM המבוססת על SPE. רכיבי מערכת החיישנים העיקריים כוללים את החיישן, מעבד קצה בהספק נמוך ו-MAC-PHY‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

מרבית המיקרו-בקרים בעלות נמוכה Cortex-M4 מתאימים עבור יישום זה, מכיוון שלמעשה לכל השבבים הללו יהיו נקודות-חיבור SPI הדרושות לחיבור לחיישן/ים ול-MAC-PHY. מנקודת מבט של התוכנה, הדרישות העיקריות הן די זיכרון עבור חבילת התוכנה של ה-MQTT, מערכת הפעלה בזמן-אמת (RTOS) מתאימה ותוכנת אנליטיקה בקצה. בדרך כלל, יש צורך רק בכמה עשרות קילו-בייטים של זיכרון RAM ו-ROM.

ברגע שכבל SPE מגיע לתשתית הקיימת, ממיר מדיה יכול לשנות את אותות 10BASE-T1L לחבילות (Frames‏) 10BASE-T עבור כבלי Ethernet סטנדרטיים. שימו לב שהמרה זו רק משנה את הפורמט הפיזי; מנות (Packets‏) ה-Ethernet נשארות מבלי שיגעו בהן. מכאן ניתן לשלוח מנות אלו בכל רשת Ethernet.

סיכום

SPE מתפתח כטכנולוגיה טרנספורמטיבית, המתמודדת בצורה מיומנת עם האתגרים של CbM עבור ציוד מרוחק. יכולות ה-PoDL שלו ממזגות באלגנטיות הספקת-כוח והעברת נתונים על פני זוג חוטים מפותל יחיד, ומספקות דרך בעלות נמוכה להרחבת תשתית Ethernet למרחקים גדולים יותר. עם בחירה מחושבת היטב של ממשקי MAC-PHY וחיישני MEMS, המהנדסים יכולים להשתמש ביכולות הללו כדי לפרוס פתרונות קומפקטיים וקלי-משקל שהם חסכוניים דיים כדי להצדיק את השימוש שלהם בנכסים פחות קריטיים. זה מאפשר רמות חדשות של נראות לתוך פעולות שבהן יכולות מערכות AI ו-ML להשתמש כדי לספק תובנות תפעוליות חסרות-תקדים.

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.