CbM-kunnonvalvonnan toteuttaminen yksiparisella Ethernetillä

Tehdasautomaatiossa ja teollisessa esineiden internetissä (Industrial Internet of Things, IIoT) tilaan perustuva kunnonvalvonta (CbM) antaa tietoa laitteen kunnosta. Sen avulla voidaan lisätä käyttöaikaa ja tuottavuutta, vähentää kunnossapitokustannuksia, pidentää laitteen käyttöikää ja varmistaa työntekijöiden turvallisuus. Vaikka antureiden, diagnostiikka-algoritmien, prosessointitehon sekä tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (ML) tekniikoiden kehittyminen lisäävät CbM-kunnonvalvonnan käyttökelpoisuutta, sopivan infrastruktuurin puute on rajoittanut sen käyttöä monissa sovelluksissa.

Kaivos-, öljy- ja kaasualalla, kunnallistekniikassa ja teollisuussovelluksissa käytettävät laitteet sijaitsevat usein paikoissa, joissa ei ole sähköä eikä tietoverkkoa. Uusien virta- ja verkkokaapeleiden vieminen näihin syrjäisiin paikkoihin voi olla kallista ja epäkäytännöllistä, erityisesti CbM-sovelluksissa, jotka vaativat suhteellisen korkeaa tehoa ja tiedonsiirtonopeutta.

Langattomiin vaihtoehtoihin liittyy kompromisseja. Esimerkiksi paristokäyttöinen anturi voi tarjota vain rajoitetun tiedonsiirtonopeuden, minkä vuoksi tällaiset teknologia ei sovellu CbM-kunnonvalvontaan. Jotta uusimmat CbM-ominaisuudet voitaisiin tuoda näihin paikkoihin, suunnittelijat tarvitsevat vaihtoehtoisia infrastruktuurivaihtoehtoja, jotka tarjoavat luotettavan virran sekä verkkoyhteydet korkealla kaistanleveydellä sekä edullisesti.

10BASE-T1L yksiparinen Ethernet (Single-Pair Ethernet, SPE) suunniteltiin nimenomaisesti täyttämään nämä kriteerit. Se tarjoaa tiedonsiirron ja virransyötön jopa 1 kilometrin (km) etäisyydelle, mikä ylittää huomattavasti teollisuus-Ethernetin rajoitukset. Tämän uuden teknologian avulla suunnittelijat voivat käyttää sofistikoitunutta CbM-teknologiaa paikoissa, joissa se ei aiemmin ollut mahdollista.

Tässä artikkelissa luodaan yleiskatsaus CbM-kunnonvalvontaan ja tekoälyn vaikutukseen, ennen kuin siinä kuvataan SPE-teknologian etuja syrjäisien sijaintien kannalta. Siinä korostetaan SPE-pohjaisten antureiden kriittisiä komponentteja ja tarjotaan ohjeita niiden valintaan. Lopuksi artikkelissa tarkastellaan yhdistetyn tiedonsiirto- ja virransyöttöliitännän suunnittelun perusteita ja näytetään, miten SPE-pohjainen CbM-järjestelmä voidaan integroida laajempaan teollisuusverkkoon.

CbM sekä tekoälyn ja koneoppimisen vaikutus

Vaikka monet tekijät vaikuttavat CbM-teknologian kasvuun, tekoälyn ja koneoppimisen yleistyminen on erityisen huomattavaa. Nämä teknologiat laajentavat CbM-teknologian käyttöaluetta pyörivien laitteiden, kuten pumppujen, kompressoreiden ja puhaltimien, ulkopuolelle ja mahdollistavat sen käytön laajemmassa konekannassa, johon kuuluvat CNC-koneet, kuljetinjärjestelmät ja robotiikka.

Nämä edistysaskeleet ovat mahdollisia, koska tekoäly- ja koneoppimisjärjestelmät pystyvät keräämään ja tulkitsemaan mitä erilaisimpia tietoja, kuten tärinä-, paine-, lämpötila- ja visuaalisia tietoja. Monipuolisten datajoukkojen avulla tekoäly- ja koneoppimisjärjestelmät voivat tunnistaa epänormaaleja käyttäytymismalleja, jotka vanhemmat teknologiat ovat saattaneet jäädä huomaamatta.

Näiden hyötyjen saavuttamiseksi kaikista seurattavista laitteista on saatava tarkat tiedot. Tästä syystä CbM-järjestelmien on kriittisen tärkeää tarjota reunalta pilveen -yhteys myös operaatioiden kaikkein kaukaisimmissakin kolkissa sijaitseville laitteille (kuva 1).

Kuva 1: Nykyaikaisten CbM-järjestelmien on yhdistettävä kaukana sijaitsevat OT-teknologian (Operations Technology) laitteet IT-järjestelmiin (Information Technology). (Kuvan lähde: Analog Devices)

SPE-teknologian edut vaihtoehtoihin verrattuna

Näiden kaukana sijaitsevien paikkojen käyttämiseksi suunnittelijat tarvitsevat IT-ystävällisen tavan siirtää dataa ja syöttää virtaa, joka pitää kustannukset ja fyysisen koon mahdollisimman pienenä. Industrial Ethernet -ratkaisut ovat itsestään selvä valinta, sillä ne tarjoavat tyypillisesti 100 megabittiä sekunnissa (Mbps) kaistanleveyttä tiedonsiirtoa varten ja Power over Ethernet (PoE) jopa 30 wattia porttia kohti. Teollisuus-Ethernet on kuitenkin rajoitettu 100 metrin (m) etäisyyteen.

Ratkaisu on SPE, joka nimensä mukaisesti tarjoaa Ethernet-yhteyden yhdellä kierretyllä johdinparilla (100BASE-TX käyttää kahta paria ja 10BASE-T neljää paria). Tämän seurauksena SPE-kaapelointi on pienempi, kevyempi ja edullisempi kuin vastaava teollisuus-Ethernet-kaapelointi. Pienemmästä tilantarpeesta huolimatta SPE tukee jopa 1 kilometrin (km) etäisyyttä, jopa 1 gigabitin (Gbps) tiedonsiirtonopeutta sekunnissa, jopa 50 watin tehoa ja IP67-luokiteltuja liittimiä vaativia ympäristöjä varten.

On syytä huomata, että SPE-teknologian enimmäisluokitusarvot eivät ole käytettävissä samanaikaisesti. Esimerkiksi 1 Gbps:n nopeus on tuettu vain lyhyillä, enintään 40 metrin etäisyyksillä. Sitä vastoin tiedonsiirtonopeus on laskee arvoon 10 Mbps kaapelin enimmäispituudella 1 km.

Miten valita Ethernet MAC käytettäväksi SPE-sovelluksessa

Kuten kaikki Ethernet-yhteydet, SPE-rajapinnat sisältävät MAC-kerroksen (Media Access Control) ja PHY-kerroksen (PHYsical). MAC hallinnoi Ethernet-liikennettä, kun taas PHY muuttaa kaapelista saatavat analogiset aaltomuodot digitaalisiksi signaaleiksi.

Monissa kehittyneissä mikrokontrolleriyksiköissä (MCU) on MAC, ja joissakin on myös PHY. Reuna-antureissa käytetyistä edullisista ja vähävirtaisista mikrokontrollereista puuttuu kuitenkin kumpikin näistä ominaisuuksista. Ratkaisu on 10BASE-T1L MAC-PHY, joka toteuttaa molemmat elementit erillisellä sirulla, jolloin suunnittelijat voivat valita useista erittäin vähävirtaisista prosessoreista.

Hyvä esimerkki on ADIN1110CCPZ-R7 yritykseltä Analog Devices (kuva 2). Tämä yksiporttinen 10BASE-T1L-lähetinvastaanotin on suunniteltu pitkän etäisyyden 10 Mbps:n SPE-yhteyksiä varten. ADIN1110 yhdistetään isäntälaitteeseen useimmista nykyaikaisista mikrokontrollereista löytyvän 4 johtimen SPI-sarjaliitännän (Serial Peripheral Interface) kautta.

Kuva 2: ADIN1110 on yksiporttinen 10BASE-T1L-lähetin-vastaanotin, joka yhdistetään isäntäprosessoriin 4 johtimen SPI-liitännän kautta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Robustisuuden parantamiseksi ADIN1110 sisältää jännitelähteen seurannan sekä POR-piirin (Power-On-Reset). Lisäksi säädettävät lähetystasot, ulkoiset terminointivastukset sekä riippumattomat vastaanotto- ja lähetysnastat tekevät laitteesta sopivan luonnostaan vaarattomiin sovelluksiin.

Yhteisen tiedonsiirto- ja virransyöttörajapinnan suunnittelu

SPE tarjoaa tiedonsiirron ja virransyötön samojen johtimien kautta käyttäen teknologiaa nimeltä Power over Data Lines (PoDL). Kuten kuvassa 3 esitetään, korkeataajuinen data kytketään kierrettyyn pariin sarjaan kytkettyjen kondensaattorien kautta, kun taas tasavirta (DC) kytketään linjoihin käyttäen induktiokeloja.

Kuva 3: PoDL tarjoaa virransyötön ja datasignaalit yhdessä kierretyssä parissa käyttäen induktiivista ja kapasitiivista kytkeytymistä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Käytännössä tähän tarvitaan lisäkomponentteja robustisuuden ja vikasietoisuuden parantamiseksi. On esimerkiksi suositeltavaa käyttää siltatasasuuntaajadiodia suojaamaan virtaliitäntä virheelliseltä polariteetilta. Vastaavasti transienttijännitteen vaimennusdiodi (TVS-diodi) tarvitaan EMC (ElectroMagnetic Compatibility) -robustisuutta varten. Tärkeää on myös huomata, että kaapelista tulevan yhteismuotokohinan vähentämiseksi tarvitaan kuristinta.

Antureiden valitseminen CbM-kunnonvalvontaa varten

Kuten aiemmin todettiin, CbM-kunnonvalvonnassa voidaan käyttää erilaisia mittaustapoja. Yksi kriittinen tekijä näissä mittaustavoissa on suorituskyvyn ja tehokkuuden välinen kompromissi.

Tarkastellaanpa esimerkiksi tärinämittausta. Pietsosähköiset anturit ovat suorituskyvyltään parempia kuin mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS), mutta kalliimpia. Tämän vuoksi pietsosähköiset anturit ovat hyvä valinta erittäin kriittisiin kohteisiin, jotka sijaitsevat yleensä keskitetysti.

Sitä vastoin monet vähemmän kriittiset kohteet sijaitsevat usein laitoksen kaukaisimmissa osissa, eikä niitä siksi nykyisin valvota kustannusrajoitusten vuoksi. Niiden tietoja on kuitenkin hyödynnettävä järjestelmän kokonaistuottavuuden parantamiseksi. SPE-pohjainen CbM loistaa juurikin etäisyyden ja kustannusherkkyyden yhdistelmässä, mikä tekee MEMS-antureista hyvän valinnan.

MEMS-anturit tarjoavat edullisemman hinnan lisäksi muitakin etuja SPE-anturikäytössä. Useimmat MEMS-anturit tarjoavat pietsosähköisiin antureihin verrattuna esimerkiksi digitaalisen suodatuksen, erinomaisen lineaarisuuden, alhaisen painon ja pienen koon.

Seuraavaksi suunnittelussa on valittava yksi- ja kolmiakselisten antureiden välillä. Taulukossa 1 esitetään eroja kahden tyypillisen esimerkin välillä: kolmiakselinen ADXL357BEZ-RL-kiihtyvyysmittari ja yksiakselinen ADXL1002BCPZ-RL7-kiihtyvyysmittari.

Taulukko 1: Yksiakselisessa ADXL1002BCPZ-RL7- ja kolmiakselisessa ADXL357BEZ-RL-anturissa on eroja useissa tärkeissä tekijöissä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuten taulukko 1 osoittaa, yksiakseliset anturit tarjoavat huomattavasti korkeamman kaistanleveyden ja pienemmän kohinan. Kolmiaksiaalisilla antureilla voidaan kuitenkin mitata pysty-, vaaka- ja aksiaalisuuntaisia värähtelyjä, mikä antaa yksityiskohtaisemman käsityksen kohteen toiminnasta. Monia vikoja, kuten taipunut akseli, epäkeskeinen roottori, laakerivika ja kallistunut roottori, on vaikeaa tunnistaa yksiakselisella anturilla.

On syytä huomata, että tärinäanturit eivät yksinään pysty havaitsemaan kaikkia vikoja, eivät edes niitä, jotka liittyvät ensisijaisesti tärinään. Joissakin tilanteissa optimaalinen ratkaisu voi olla yksiakselisen anturin yhdistäminen muihin antureihin, kuten moottorin virtaa tai magneettikenttää mittaaviin antureihin. Toisissa tapauksissa paras ratkaisu voi olla kaksi tai useampia yksiakselisia antureita.

Koska nämä seikat ovat monimutkaisia, on suositeltavaa kokeilla molempia anturityyppejä. Analog Devices tarjoaa tähän tarkoitukseen 3-akselisen anturin evaluointikorttia ADXL357 sekä 1-akselisen anturin evaluointikorttia ADXL1002.

SPE-pohjaisen CbM-järjestelmän integrointi laajempaan teollisuusverkkoon

Jokaisen CbM-järjestelmän perusvaatimus on tarjota saumaton yhteys takaisin pilveen. Kuvassa 4 näytetään miten tämä voidaan toteuttaa käyttämällä MQTT-protokollaa (Message Queuing Telemetry Transport). Tämä kevyt IIoT-viestiprotokolla mahdollistaa etälaitteiden yhdistämisen minimaalisella koodilla ja pienellä verkon kaistanleveydellä.

Kuva 4: Kuvassa näytetään SPE-teknologiaan perustuva CbM-arkkitehtuuri. Tärkeimmät anturijärjestelmänkomponentit ovat anturi, vähävirtainen reunaprosessori ja MAC-PHY. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Useimmat edulliset Cortex-M4-mikrokontrollerit soveltuvat tähän tarkoitukseen, koska lähes kaikissa näissä piireissä on SPI-portit, joita tarvitaan antureita ja MAC-PHY-piiriä varten. Ohjelmiston kannalta tärkeimpiä vaatimuksia ovat riittävä muisti MQTT-pinolle, sopiva reaaliaikainen käyttöjärjestelmä (RTOS) ja reuna-analyysiohjelmisto. Tyypillisesti RAM- ja ROM-muistia tarvitaan vain muutamia kymmeniä kilotavuja.

Kun SPE-kaapeli saavuttaa olemassa olevan infrastruktuurin, mediamuunnin voi muuttaa 10BASE-T1L-signaalin 10BASE-T-kehyksiksi tavallisia Ethernet-kaapeleita varten. Huomaa, että tämä muunnos muuttaa vain fyysistä muotoa; Ethernet-paketit säilyvät ennallaan. Tästä eteenpäin nämä paketit voidaan lähettää minkä tahansa Ethernet-verkon kautta.

Yhteenveto

SPE on kehittymässä mullistavaksi teknologiaksi, joka vastaa sopivasti etälaitteiden CbM-kunnonvalvonnan haasteisiin. Sen PoDL-tuki yhdistää virransyötön ja tiedonsiirron tyylikkäästi yhteen kierrettyyn pariin, mikä tarjoaa edullisen tavan laajentaa Ethernet-infrastruktuuria pitkille etäisyyksille. Kun MAC-PHY-liitännät ja MEMS-anturit valitaan harkitusti, suunnittelijat voivat käyttää näitä ominaisuuksia kompakteissa ja kevyissä ratkaisuissa, jotka ovat riittävän kustannustehokkaita, jotta niiden käyttö myös vähemmän kriittisissä kohteissa on perusteltua. Tämä mahdollistaa uudenlaisen näkyvyyden tehtaan toimintaan, jota tekoäly- ja koneoppimisjärjestelmät voivat käyttää tarjotakseen ennennäkemätöntä operatiivista tietoa.