Come implementare il monitoraggio basato sulle condizioni con l'uso di Single-Pair Ethernet

Nell'automazione di fabbrica e nell'Internet delle cose industriale (IIoT), il monitoraggio basato sulle condizioni (CbM) fornisce informazioni sulla salute delle risorse per aumentare i tempi di servizio e la produttività, ridurre i costi di manutenzione, estendere la durata di dette risorse e garantire la sicurezza dei lavoratori. Sebbene i miglioramenti di sensori, algoritmi diagnostici, potenza di elaborazione e applicazione di tecniche di intelligenza artificiale (IA) e apprendimento automatico (ML) stiano rendendo il CbM più utile, in molte applicazioni la mancanza di infrastrutture adeguate ne ha limitato la portata.

Le apparecchiature in applicazioni per il settore dell'estrazione mineraria, petrolchimico, delle utenze e manifatturiero sono spesso situate in luoghi privi di alimentazione o di reti dati. La posa di nuovi cavi di alimentazione e di rete in queste località remote può essere costosa e poco pratica, soprattutto per le applicazioni CbM che richiedono una potenza e una velocità di trasmissione dati relativamente elevate.

Le alternative wireless comportano dei compromessi. Ad esempio, un sensore alimentato a batteria può offrire una velocità di trasmissione dati limitata, rendendo queste configurazioni inadatte al CbM. Per portare le più recenti funzionalità CbM in queste sedi, gli ingegneri hanno bisogno di opzioni infrastrutturali alternative che forniscano energia affidabile e reti ad alta larghezza di banda a costi contenuti.

10BASE-T1L Single-Pair Ethernet (SPE) è stato esplicitamente progettato per soddisfare questi criteri. Fornisce dati e alimentazione su distanze fino a 1 km, ben oltre i limiti dell'Industrial Ethernet. Grazie a questa nuova tecnologia, gli ingegneri possono installare una sofisticata tecnologia CbM in luoghi precedentemente inaccessibili.

Questo articolo fornisce una panoramica sul CbM e sull'impatto dell'IA prima di illustrare i vantaggi della SPE per le sedi remote. Evidenzia quindi i componenti critici dei sensori basati su SPE e offre linee guida per la loro scelta. Infine, l'articolo passa in rassegna le basi della progettazione di un'interfaccia di comunicazione combinata dati e potenza e mostra come integrare un sistema CbM basato su SPE in una rete industriale più ampia.

CbM e l'impatto di IA e ML

Sebbene siano molti i fattori che spingono la crescita del CbM, l'ascesa di IA e ML è particolarmente degna di nota. Queste tecnologie stanno estendendo la portata del CbM al di là delle apparecchiature rotanti come pompe, compressori e ventole, per includere un più ampio spettro di macchinari come macchine CNC, sistemi di trasporto e robotica.

Questi progressi sono possibili grazie alla capacità dei sistemi di IA e ML di ingerire e interpretare una miriade di dati, tra cui vibrazioni, pressione, temperatura e dati visivi. Con ricchi set di dati, i sistemi di IA e ML possono identificare comportamenti anomali che le vecchie tecnologie potrebbero non aver notato.

Per ottenere questi vantaggi, i dati ad alta fedeltà devono essere disponibili da tutte le apparecchiature rilevanti, motivo per cui è diventato fondamentale per i sistemi CbM fornire connettività dall'edge al cloud nei punti più remoti di un'installazione (Figura 1).

Figura 1: I moderni sistemi di CbM devono collegare apparecchiature di tecnologia operativa (OT) con sistemi di tecnologia informatica (IT) molto distanti tra loro. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I vantaggi di SPE rispetto alle alternative

Per servire queste sedi remote, gli ingegneri hanno bisogno di un modo semplice per fornire dati ed energia che riduca al minimo i costi e l'ingombro fisico. Le soluzioni Industrial Ethernet sono una scelta ovvia, in quanto offrono una larghezza di banda dati tipica di 100 Mbps e Power over Ethernet (PoE) fino a 30 W per porta. Tuttavia, Industrial Ethernet è limitata a una distanza di 100 metri.

Così nasce SPE, che, come dice il nome, fornisce la connettività Ethernet su un singolo doppino intrecciato, invece di due coppie per 100BASE-TX o quattro coppie per 10BASE-T. Di conseguenza, il cablaggio SPE è più piccolo, più leggero e meno costoso di un cablaggio Industrial Ethernet equivalente. Nonostante l'ingombro ridotto, SPE supporta tratte fino a 1 km, velocità di trasmissione dati fino a 1 Gbps, potenza fino a 50 W e connettori con grado di protezione IP67 per ambienti difficili.

Vale la pena notare che i massimi limiti di impiego per SPE si escludono a vicenda. Ad esempio, la velocità di 1 Gbps è supportata solo per tratte brevi fino a 40 m. La velocità dati è invece limitata a 10 Mbps alla lunghezza massima del cavo di 1 km.

Come selezionare un MAC Ethernet da utilizzare in un'applicazione SPE

Come tutte le connessioni Ethernet, le interfacce SPE incorporano uno strato MAC (Media Access Control) e uno strato fisico (PHY). Il MAC gestisce il traffico Ethernet, mentre il PHY trasforma le forme d'onda analogiche del cavo in segnali digitali.

Molti microcontroller (MCU) avanzati sono dotati di un MAC e alcuni includono un PHY. Tuttavia, gli MCU a basso costo e a basso consumo utilizzati per i sensori edge non offrono queste caratteristiche. La soluzione sta nel MAC-PHY 10BASE-T1L, che implementa entrambi gli elementi in un chip separato, consentendo ai progettisti di scegliere tra vari processori a bassissimo consumo.

Un buon esempio è ADIN1110CCPZ-R7 di Analog Devices (Figura 2). Questo transceiver 10BASE-T1L a una porta è progettato per connessioni SPE a 10 Mbps di portata estesa. ADIN1110 si collega all'host tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI) a 4 fili, un'interfaccia presente nella maggior parte dei moderni microcontroller.

Figura 2: ADIN1110 è un transceiver 10BASE-T1L a una porta che si collega al processore host tramite un'interfaccia SPI a 4 fili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per migliorare la robustezza, ADIN1110 è dotato di un CI di monitoraggio dell'alimentazione e di reset all'accensione (POR). Inoltre, i livelli di trasmissione programmabili, i resistori di terminazione esterni e i pin di ricezione e trasmissione indipendenti rendono il dispositivo adatto ad applicazioni a sicurezza intrinseca.

Progettazione di un'interfaccia di comunicazione dati e potenza condivisa

SPE fornisce alimentazione e dati sugli stessi cavi grazie a una tecnologia chiamata Power over Data Line (PoDL). Come illustrato nella Figura 3, i dati ad alta frequenza sono accoppiati al doppino intrecciato tramite condensatori in serie, mentre l'alimentazione in c.c. è accoppiata alle linee tramite induttori.

Figura 3: PoDL fornisce segnali di alimentazione e dati su un singolo doppino utilizzando rispettivamente l'accoppiamento induttivo e capacitivo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In pratica, sono necessari componenti aggiuntivi per la robustezza e la tolleranza ai guasti. Ad esempio, si consiglia di utilizzare un diodo raddrizzatore a ponte per proteggere il collegamento di alimentazione da errori di polarità. Allo stesso modo, è necessario un diodo soppressore di tensioni transitorie (TVS) per garantire la compatibilità elettromagnetica (EMC). In particolare, è necessaria una bobina di arresto per attenuare il rumore di modo comune proveniente dal cavo.

Selezione dei sensori per CbM

Come già detto, il CbM può essere applicato a un'ampia gamma di modalità di rilevamento. In tutte queste modalità, uno dei fattori critici da considerare è il compromesso tra prestazioni ed efficienza.

Prendiamo ad esempio il rilevamento delle vibrazioni. I sensori piezoelettrici offrono prestazioni superiori ai sistemi microelettromeccanici (MEMS), ma a un costo più elevato. Ciò rende i sensori piezoelettrici una buona scelta per le risorse altamente critiche, che tendono ad essere situate in posizioni centrali.

Per contro, molte risorse meno critiche sono spesso situate nelle zone più lontane di una struttura e, pertanto, non sono attualmente monitorate a causa di vincoli di costo. Tuttavia, i loro dati devono essere estratti per migliorare la produttività complessiva del sistema. La combinazione di sensibilità alla distanza e ai costi è esattamente l'ambito in cui eccelle il CbM basato su SPE, rendendo i sensori MEMS una soluzione naturale.

Oltre al costo inferiore, i sensori MEMS offrono altri vantaggi per i sensori SPE. Ad esempio, rispetto ai sensori piezoelettrici, la maggior parte dei sensori MEMS offre un filtraggio digitale, un'eccellente linearità, un peso ridotto e piccole dimensioni.

La scelta successiva è tra sensori a uno o tre assi. La Tabella 1 riporta le differenze tra due esempi tipici, l'accelerometro a tre assi ADXL357BEZ-RL e l'accelerometro a un asse ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabella 1: I sensori ADXL1002BCPZ-RL7 a un asse e ADXL357BEZ-RL a tre assi offrono compromessi su molti aspetti importanti da considerare. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Come dimostra la Tabella 1, i sensori a un asse offrono una larghezza di banda notevolmente superiore e un rumore inferiore. Tuttavia, i sensori a tre assi possono rilevare le vibrazioni verticali, orizzontali e assiali, offrendo una comprensione più dettagliata del funzionamento di un impianto. Molti guasti, tra cui alberi piegati, rotori eccentrici, problemi ai cuscinetti e rotori bloccati, sono difficili da identificare con un sensore a un solo asse.

Vale la pena notare che i sensori di vibrazione da soli non sono in grado di rilevare tutti i guasti, anche quelli principalmente legati alle vibrazioni. In alcuni scenari, la soluzione ottimale può essere quella di accoppiare un sensore a un asse con altri sensori, come un sensore per la corrente o il campo magnetico di un motore. In altri casi, la soluzione migliore può essere rappresentata da due o più sensori a un asse.

Data la complessità di queste considerazioni, è consigliabile sperimentare con entrambi i tipi di sensori. A tal fine, Analog Devices offre la scheda di valutazione ADXL357 per sensori a 3 assi e la scheda di valutazione ADXL1002 per sensori a 1 asse.

Integrazione di un sistema CbM basato su SPE in una rete industriale più ampia

Un requisito essenziale per qualsiasi sistema CbM è quello di fornire una connettività continua al cloud. La Figura 4 illustra come ciò sia possibile utilizzando il protocollo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Questo protocollo di messaggistica IIoT consente la connessione di dispositivi remoti con un codice minimo e una bassa larghezza di banda di rete.

Figura 4: Architettura CbM basata su SPE. I componenti chiave del sistema di sensori comprendono il sensore, un processore edge a basso consumo e il MAC-PHY. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La maggior parte dei microcontroller Cortex-M4 a basso costo è adatta a questa applicazione, poiché praticamente tutti i chip hanno le porte SPI necessarie per il collegamento ai sensori e al MAC-PHY. Dal punto di vista software, i requisiti principali sono una memoria sufficiente per lo stack MQTT, un sistema operativo in tempo reale (RTOS) adeguato e un software di analisi all'edge. In genere, sono necessarie solo poche decine di kilobyte di RAM e ROM.

Una volta che il cavo SPE raggiunge l'infrastruttura esistente, un convertitore multimediale può trasformare il segnale 10BASE-T1L in frame 10BASE-T per i cavi Ethernet standard. Si noti che questa conversione cambia solo il formato fisico; i pacchetti Ethernet rimangono inalterati. Da qui, questi pacchetti possono essere inviati attraverso qualsiasi rete Ethernet.

Conclusione

SPE sta emergendo come una tecnologia trasformativa, in grado di affrontare le sfide del CbM per le apparecchiature remote. Le sue funzionalità PoDL uniscono elegantemente alimentazione e trasmissione dati su un unico doppino intrecciato, offrendo un modo economico per estendere l'infrastruttura Ethernet su distanze maggiori. Con una scelta ponderata delle interfacce MAC-PHY e dei sensori MEMS, gli ingegneri possono utilizzare queste capacità per implementare soluzioni compatte e leggere, sufficientemente economiche da giustificarne l'uso su risorse meno critiche. Ciò assicura nuovi livelli di visibilità alle operazioni che i sistemi di IA e di ML possono utilizzare per fornire approfondimenti operativi senza precedenti.