Állapotalapú felügyelet megvalósítása egy érpáras Ethernet használatával

A gyári automatizálásban és a dolgok ipari internete (IIoT) területén az állapotalapú felügyelet az eszközök állapotába nyújt betekintést, az üzemidő és a termelékenység növelése, a karbantartási költségek csökkentése, az eszközök élettartamának meghosszabbítása és a munkavállalók biztonságának biztosítása érdekében. Miközben az érzékelők, a diagnosztikai algoritmusok, az adatfeldolgozási teljesítmény, valamint a mesterséges intelligencia és a gépi tanulási módszerek alkalmazása egyre hasznosabbá teszi az állapotalapú felügyeletet, a megfelelő infrastruktúra hiánya számos esetben korlátozza annak bevethetőségét.

A bányászati, az olaj- vagy gázipari, a közüzemi és a gyártási rendszerekben használt berendezések gyakran olyan helyeken találhatók, ahol nincsennek odavezető táp- vagy adathálózati vezetékek. Új táp- és hálózati kábelek lefektetése ezekhez a távoli helyszínekhez költséges vagy akár kivitelezhetetlen is lehet, különösen a viszonylag nagy villamos teljesítményt és adatátviteli sebességet igénylő állapotalapú felügyelet esetében.

Vezeték nélküli alternatívákat használni kompromisszumokkal jár. Például egy elemmel működő érzékelő csak korlátozott adatátviteli sebességet tud biztosítani, így az ilyen típusú kialakítások nem alkalmasak állapotalapú felügyelethez. Ahhoz, hogy ez a felügyeleti módszer nyújtotta legmodernebb képességek ezekre a helyszínekre is eljussanak, a mérnököknek alternatív infrastrukturális megoldásokra van szükségük, amelyek megbízható áramellátást és nagy sávszélességű hálózatot biztosítanak alacsony költségek mellett.

A 10BASE-T1L egy érpáras Ethernet (SPE) szabványt kifejezetten ezeknek a kritériumoknak való megfelelésre tervezték. Az ipari Ethernet korlátain messze túlmenően akár 1 km távolságon át is képes adat- és energiaellátást biztosítani. Ennek az új technológiának az alkalmazásával a mérnökök precíz állapotalapú felügyeleti módszereket alkalmazhatnak a korábban hozzáférhetetlen helyeken.

Ez a cikk az állapotalapú felügyeletet tekinti át és a mesterséges intelligencia hatásait, majd felvázolja, hogy a távoli helyszínekhez alkalmas SPE alkalmazása milyen előnyökkel jár. Kiemeli az SPE-alapú érzékelők kritikus összetevőit, és iránymutatásokat ad azok kiválasztásához. Végül a cikk áttekinti egy kombinált adat- és energiaátviteli interfész kialakításának alapjait, és bemutatja, hogyan integrálhatók az SPE-alapú állapotfelügyeleti rendszerek szélesebb ipari hálózatokba.

Az állapotalapú felügyelet valamint a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás hatásai

Bár az állapotalapú felügyelet elterjedése mögött számos tényező áll, a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás térnyerése ezen a téren különösen figyelemre méltó. Ezek a technológiák kiterjesztik az állapotalapú felügyelet hatókörét a szivattyúk, kompresszorok, ventilátorok és más forgó berendezéseken túlra, kiterjesztve azt a gépek szélesebb spektrumára, beleértve a CNC-gépeket, a szállítórendszereket és a robotokat.

Ezek az előrelépések annak köszönhetően lehetségesek, hogy a mesterséges intelligencia és a gépi tanulási rendszerek számtalan adat, többek között rezgési, nyomás-, hőmérséklet- és vizuális adatok begyűjtésére és értelmezésére képesek. Gazdag adathalmazok segítségével a mesterséges intelligencia és a gépi tanulási rendszerek olyan rendellenes viselkedéseket is azonosíthatnak, amelyek régebbi technológiák esetén elkerülték volna az automatizált ellenőrzési folyamatok figyelmét.

Ahhoz, hogy ezen előnyök érvényesülhessenek, nagy pontosságú adatoknak kell rendelkezésre állniuk az összes releváns berendezésről, ezért az állapotalapú felügyeleti rendszerek esetén kritikus fontosságúvá vált, hogy a felhőalapú kapcsolat a telepek legtávolabbi pontjaival is biztosított legyen (1. ábra).

1. ábra: A modern állapotalapú felügyeleti rendszereknek össze kell kapcsolniuk a távoli üzemeltetési technológiai (OT) berendezéseket az informatikai (IT) rendszerekkel (kép: Analog Devices)

Az SPE előnyei az alternatívákkal szemben

Ezeknek a távoli helyszíneknek a kiszolgálásához a mérnököknek informatikai szempontból olyan barátságos adat- és energiaellátási módra van szükségük, amely minimálisra csökkenti a költségeket és a fizikai helyigényt. Első választásként úgy tűnhet kézenfekvő ipari Ethernetre épülő megoldásokban gondolkodni, mivel ez a szabvány jellemzően 100 Mbps adatátviteli sávszélességet és csatlakozónként akár 30 wattos Power over Ethernet (PoE) teljesítményt kínál. Az ipari Ethernet azonban 100 méternél nagyobb távolságokra nem használható.

Itt jön képbe az SPE, amely a nevéhez hűen Ethernet-kapcsolatot biztosít egyetlen sodrott vezetékpáron keresztül, a 100BASE-TX esetén a két pár, illetve a 10BASE-T esetén a négy pár helyett. Ennek egyenes következménye, hogy az SPE rendszerek kábelezése kevesebb helyet foglal, valamint könnyebb és olcsóbb is, mint egy azonos ipari Ethernet rendszerben használt kábelezés. A kisebb helyigény ellenére az SPE akár 1 kilométeres távolságok áthidalását, akár 1 Gbps adatátviteli sebességet, akár 50 wattos teljesítményt és a zord környezetekhez akár IP67-es védettségű csatlakozókat kínál.

Ezen a ponton fontos megjegyezni, hogy az SPE maximális névleges értékei kölcsönösen kizárják egymást. Az 1 Gbps-os sebesség például csak rövid, legfeljebb 40 m-es távokon érhető el. Ellenpólusaként, az adatátviteli sebesség csak legfeljebb 10 Mbps lehet a maximális, 1 km-es kábelhossz esetén.

Megfelelő Ethernet MAC kiválasztása SPE-rendszerekhez

Mint minden Ethernet-kapcsolat, az SPE-interfészeknél is létezik egy MAC (közeghozzáférés-vezérlő) és egy PHY (fizikai) réteg. A MAC kezeli az Ethernet-forgalmat, míg a PHY a kábelről érkező analóg hullámformákat alakítja át digitális jelekké.

Sok fejlett mikrovezérlő (MCU) rendelkezik MAC-val, és némelyik PHY-t is tartalmaz. A peremhálózati érzékelőkben használt olcsó, kis fogyasztású MCU-k azonban nem biztosítják ezen funkciók egyikét sem. A megoldás a 10BASE-T1L MAC-PHY, amely mindkét részegységet egy különálló chipben valósítja meg, lehetővé téve a tervezők számára, hogy különböző ultraalacsony fogyasztású processzorok közül válasszanak.

Jó példa erre az Analog Devices ADIN1110CCPZ-R7 jelű integrált áramköre (2. ábra). Ezt az egyportos 10BASE-T1L adó-vevőegységet kiterjesztett hatótávolságú, 10 Mbps sebességű SPE-kapcsolatokhoz tervezték. Az ADIN1110 a legtöbb modern mikrovezérlőn megtalálható 4 vezetékes soros perifériás interfészen (SPI) keresztül csatlakozik a gazdaeszközhöz.

2. ábra: Az ADIN1110 egy egyportos 10BASE-T1L adó-vevő, amely egy négyvezetékes SPI-interfészen keresztül csatlakozik a gazdaprocesszorhoz (kép: Analog Devices)

A minél robosztusabb működéshez az ADIN1110 integrált tápfeszültség-felügyeleti és bekapcsolás utáni visszaállítási (power-on-reset, POR) áramkörrel rendelkezik. Továbbá, a programozható átviteli szintek, a külső lezáró ellenállások és a független vételi és átviteli érintkezők az eszközt eredendően biztonságos rendszerekben való használatra is alkalmassá teszik.

Közös adat- és energiaátviteli interfész létrehozása

Az SPE a Power over Data Lines (PoDL) nevű technológia segítségével biztosítja ugyanazon a vezetéken keresztül az áramellátást és az adatátvitelt. Amint a 3. ábrán látható, a nagyfrekvenciás adatok soros kondenzátorokon keresztül kapcsolódnak a sodrott érpárhoz, míg az egyenáram tekercseken keresztül továbbítódik a vonalakra.

3. ábra: A PoDL technológia induktív és kapacitív csatolással biztosítja a tápellátást és az adatjelek átvitelét egyetlen sodrott érpáron keresztül (kép: Analog Devices)

A gyakorlatban a robusztussághoz és a hibatűréshez azonban további komponensekre van szükség. Villamos hálózathoz való téves polaritású csatlakoztatás elleni védelemre például hídkapcsolású egyenirányító dióda ajánlott, a jó elektromágneses kompatibilitási megfelelőséghez pedig szupresszor (TVS) diódát kell beiktatni. Kiemelendő, hogy a kábelből származó közös módusú zajok mérsékléséhez egy azokat elnyomó fojtóra van szükség.

Állapotalapú felügyeletre alkalmas érzékelők kiválasztása

Amint azt korábban említettük, az állapotalapú felügyelet széleskörűen alkalmazható a különböző érzékelési és adatgyűjtési módszerekkel együtt. Ezen adatgyűjtési módszereket illetően, az egyik kritikus tényező, amelyet figyelembe kell venni a teljesítmény és a hatékonyság közötti kompromisszum.

Vegyük például a rezgésérzékelést. A piezoelektromos érzékelők a mikro-elektromechanikus (MEMS) típusúakhoz képest jobb teljesítményt nyújtanak, használatuk viszont magasabb költségekkel jár. Ez jó választássá teszi a piezoelektromos érzékelőket a rendkívül kritikus, általában központi helyen található eszközöknél történő használatra.

Ezzel szemben számos kevésbé kritikus eszköz gyakran egy-egy létesítmény legtávolabbi pontján található, és ezért költségkorlátok miatt állapotukat általában nem figyelik. Ettől függetlenül azonban az ő adataikat is ki kell bányászni a rendszer általános termelékenységének javítása érdekében. A nagyobb távolság és a fennálló költségvetési korlátok pontosan az az eset, ami ilyenkor kiemeli az SPE-alapú állapotfelügyelet a többi lehetőség közül, így természetes választás a MEMS-érzékelők használata.

Az alacsonyabb költségek mellett a MEMS-érzékelők más előnyöket is kínálnak az SPE-alapú érzékeléshez. Például a piezoelektromos érzékelőkhöz képest a legtöbb MEMS-érzékelő digitális szűrést, kiváló linearitást, kis súlyt és kis méretet kínál.

A következő meghozandó döntés tervezéskor az, hogy egy- vagy háromtengelyes érzékelőt válasszunk. Az 1. táblázatban két tipikus eszköz, az ADXL357BEZ-RL háromtengelyes gyorsulásmérők és az ADXL1002BCPZ-RL7 egytengelyes gyorsulásmérők közötti eltérések láthatók.

1. táblázat: Az egytengelyes ADXL1002BCPZ-RL7 vagy a háromtengelyes ADXL357BEZ-RL érzékelők melletti döntés esetén, számos fontos területen szükséges kompromisszumot hozni (táblázat: Analog Devices)

Amint az 1. táblázat mutatja, az egytengelyes érzékelők lényegesen nagyobb sávszélességet és alacsonyabb zajszintet kínálnak. A háromtengelyű érzékelők azonban képesek a függőleges, vízszintes és tengelyirányú rezgések észlelésére is, így részletesebb képet adnak az eszköz működéséről. Sok hiba, például meghajlott tengelyek, excentrikus forgórészek, csapágyproblémák és elgörbült forgórészek nehezen azonosíthatók egytengelyű érzékelőkkel.

Érdemes megjegyezni, hogy a rezgésérzékelők önmagukban nem képesek minden hibát észlelni, még azokat sem, amelyek elsősorban a rezgésekhez kapcsolódnak. Bizonyos esetekben az optimális megoldás az lehet, ha egy egytengelyű érzékelőt más érzékelőkkel, például egy motoráram- vagy mágnesesmező-figyelő érzékelővel párosítunk. Más esetekben a legjobb megoldás két vagy több egytengelyű érzékelő használata lehet.

Tekintettel ezen problémák összetettségére, célszerű mindkét típusú érzékelővel kísérletezni. Erre a célra az Analog Devices az ADXL357 fejlesztői kártyát kínálja 3 tengelyes érzékeléshez valamint az ADXL1002 fejlesztői kártyát 1 tengelyes érzékeléshez.

SPE-alapú állapotfelügyeleti rendszerek integrálása nagyobb ipari hálózatokba

Minden állapotalapú felügyeleti rendszerre nézve alapvető követelmény, hogy akadálytalan felhőkapcsolatot biztosítson. A 4. ábra szemlélteti, hogy ez hogyan valósítható meg az MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) protokoll segítségével. Ez az egyszerű üzenetküldő IIoT-protokoll távoli eszközök összekapcsolását teszi lehetővé minimális programkód és alacsony hálózati sávszélesség mellett.

4. ábra: Az ábrán egy SPE-n alapuló állapotfelügyelet-architektúra látható. Az érzékelőrendszer kulcsfontosságú elemei az érzékelő, egy alacsony fogyasztású peremhálózati processzor és a MAC-PHY (kép: Analog Devices)

A legtöbb olcsó Cortex-M4 mikrovezérlő alkalmas erre a feladatra, mivel gyakorlatilag mindegyik chip rendelkezik az érzékelő(k)höz és a MAC-PHY-hoz való csatlakozáshoz szükséges SPI portokkal. Szoftveres szempontból a fő követelmények az MQTT stack számára elegendő memória, egy megfelelő valós idejű operációs rendszer (RTOS) és a peremhálózati elemző szoftver. Általában néhány tíz kilobájt RAM és ROM elegendő.

Amint az SPE-kábel eléri a meglévő infrastruktúrát, egy médiakonverter a 10BASE-T1L jelet 10BASE-T keretekké alakíthatja a szabványos Ethernet-kábelek számára. Megjegyzendő, hogy ez az átalakítás csupán a fizikai formátumot változtatja meg, az Ethernet-csomagok változatlanok maradnak. Innen kezdve ezek a csomagok bármelyik Ethernet-hálózaton továbbküldhetők.

Összegzés

Az SPE alkalmazása egyre terjed, olyan innovatív technológiaként, amellyel a távoli berendezések állapotalapú felügyelete ügyesen megoldható. Elegánsan egyesíti a tápellátás és az adatátvitel biztosítását (PoDL) egyetlen csavart érpáron keresztül, így egy alacsony költségű módszert jelent az Ethernet-infrastruktúra nagyobb távolságokra történő kiterjesztésekor. A MAC-PHY interfészek és a MEMS-érzékelők átgondolt kiválasztásával a mérnökök ez a szabvány nyújtotta képességeket kompakt, könnyű megoldások telepítésére használhatják, amelyek kellően költséghatékonyak ahhoz, hogy a kevésbé kritikus eszközökön való alkalmazásuk indokolt legyen. Ezen új szint bevitelével megnő a műveletek átláthatósága, ami a mesterséges intelligencia és a gépi tanulási rendszerek segítségével soha nem látott módon nyújthat betekintést a rendszerek működésébe.