วิธีการใช้การตรวจสอบตามเงื่อนไขโดยใช้อีเทอร์เน็ตคู่เดียว

ในระบบอัตโนมัติของโรงงานและ Internet of Things ทางอุตสาหกรรม (IIoT) การตรวจสอบตามเงื่อนไข (CbM) ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับสภาพของสินทรัพย์เพื่อเพิ่มเวลาทำงานและประสิทธิภาพการผลิต ลดต้นทุนการบำรุงรักษา ยืดอายุของสินทรัพย์ และรับประกันความปลอดภัยของพนักงาน ในขณะที่การปรับปรุงเซ็นเซอร์ อัลกอริธึมการวินิจฉัย พลังการประมวลผล และการประยุกต์ใช้เทคนิคปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการเรียนรู้ของเครื่อง (ML) กำลังทำให้ CbM มีประโยชน์มากขึ้น แต่การขาดแคลนโครงสร้างพื้นฐานที่เหมาะสมได้จำกัดการเข้าถึงในการใช้งานจำนวนมาก

อุปกรณ์ในการใช้งานสำหรับการทำเหมืองแร่ น้ำมัน/ก๊าซ สาธารณูปโภค และการผลิต มักตั้งอยู่ในสถานที่ที่ขาดแคลนแหล่งพลังงานหรือเครือข่ายข้อมูล การเดินสายไฟและสายเคเบิลเครือข่ายใหม่ไปยังสถานที่ห่างไกลเหล่านี้อาจมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้งานไม่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน CbM ที่ต้องการพลังงานและอัตราข้อมูลที่ค่อนข้างสูง

ทางเลือกไร้สายมาพร้อมกับข้อดีข้อเสีย ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่สามารถเสนออัตราข้อมูลที่จำกัดเท่านั้น ทำให้การตั้งค่าเหล่านี้ไม่เหมาะสมสำหรับ CbM เพื่อนำความสามารถใหม่ๆ ของ CbM มาสู่สถานที่เหล่านี้ วิศวกรจำเป็นต้องมีตัวเลือกโครงสร้างพื้นฐานทางเลือกที่ให้พลังงานที่เชื่อถือได้และเครือข่ายแบนด์วิธสูงด้วยต้นทุนที่ต่ำ

อีเธอร์เน็ตคู่เดียว 10BASE-T1L (SPE) ได้รับการออกแบบอย่างชัดเจนเพื่อให้ตรงตามเกณฑ์เหล่านี้ โดยให้ข้อมูลและพลังงานในระยะทางสูงสุด 1 กิโลเมตร (km) ซึ่งเกินขีดจำกัดของอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม วิศวกรสามารถปรับใช้เทคโนโลยี CbM ที่ซับซ้อนไปยังสถานที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ก่อนหน้านี้ด้วยเทคโนโลยีใหม่นี้

บทความนี้จะให้ภาพรวมของ CbM และผลกระทบของ AI ก่อนที่จะสรุปข้อดีของ SPE สำหรับสถานที่ห่างไกล โดยเน้นองค์ประกอบที่สำคัญของเซ็นเซอร์ที่ใช้ SPE และเสนอแนวทางในการเลือกเซ็นเซอร์เหล่านั้น สุดท้ายนี้ บทความนี้จะทบทวนพื้นฐานของการออกแบบอินเทอร์เฟซการสื่อสารข้อมูลและพลังงานแบบรวม และจะแสดงวิธีรวมระบบ CbM ที่ใช้ SPE เข้ากับเครือข่ายอุตสาหกรรมที่กว้างขึ้น

CbM และผลกระทบของ AI และ ML

แม้ว่ามีหลายปัจจัยที่ผลักดันการเติบโตของ CbM แต่การเพิ่มขึ้นของ AI และ ML ก็เป็นสิ่งที่น่าจับตามองเป็นพิเศษ เทคโนโลยีเหล่านี้ขยายขอบเขตการเข้าถึงของ CbM นอกเหนือจากอุปกรณ์แบบหมุน เช่น ปั๊ม คอมเพรสเซอร์ และพัดลม เพื่อครอบคลุมเครื่องจักรที่หลากหลายมากขึ้น ซึ่งรวมถึงเครื่องจักร CNC ระบบสายพานลำเลียง และหุ่นยนต์

ความก้าวหน้าเหล่านี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากความสามารถของระบบ AI และ ML ในการรับและตีความข้อมูลมากมาย รวมถึงข้อมูลการสั่นสะเทือน ความดัน อุณหภูมิ และข้อมูลภาพ ด้วยชุดข้อมูลที่หลากหลาย ระบบ AI และ ML สามารถระบุพฤติกรรมที่ผิดปกติที่เทคโนโลยีรุ่นเก่าอาจพลาดไป

เพื่อให้บรรลุผลประโยชน์เหล่านี้ ข้อมูลที่มีความเที่ยงตรงสูงจะต้องพร้อมใช้งานจากอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบ CbM จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการให้บริการการเชื่อมต่อแบบ Edge-to-Cloud ไปยังมุมที่ห่างไกลที่สุดของการดำเนินงาน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ระบบ CbM สมัยใหม่จะต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์เทคโนโลยีการดำเนินงานระยะไกล (OT) เข้ากับระบบเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ข้อดีของ SPE เหนือทางเลือกอื่น

เพื่อให้บริการในพื้นที่ห่างไกลเหล่านี้ วิศวกรจำเป็นต้องมีวิธีที่เป็นมิตรกับไอทีในการส่งข้อมูลและพลังงานที่ลดต้นทุนและรอยเท้าทางกายภาพให้เหลือน้อยที่สุด โซลูชันอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมเป็นตัวเลือกที่ชัดเจนเนื่องจากมีแบนด์วิธข้อมูลทั่วไปที่ 100 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) และ Power over Ethernet (PoE) สูงถึง 30 วัตต์ต่อพอร์ต อย่างไรก็ตาม Industrial Ethernet ถูกจำกัดไว้ที่ระยะ 100 เมตร (m)

ป้อน SPE ซึ่งตามชื่อหมายถึง ให้การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตผ่านสายคู่บิดเกลียวเดี่ยว แทนที่จะเป็นสองคู่สำหรับ 100BASE-TX หรือสี่คู่สำหรับ 10BASE-T เป็นผลให้สายเคเบิล SPE มีขนาดเล็กกว่า เบากว่า และมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่เทียบเท่ากัน แม้จะมีพื้นที่ใช้งานลดลง แต่ SPE ยังรองรับระยะทางสูงสุด 1 กิโลเมตร (km) อัตราข้อมูลสูงสุด 1 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) กำลังไฟสูงสุด 50 วัตต์ และคอนเน็กเตอร์ที่ได้รับการจัดอันดับเป็น IP67 สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

เป็นที่น่าสังเกตว่าการให้คะแนนสูงสุดสำหรับ SPE นั้นไม่เกิดร่วมกัน ตัวอย่างเช่น รองรับความเร็ว 1 Gbps สำหรับการวิ่งระยะสั้นสูงสุด 40 m ในทางตรงกันข้าม อัตราข้อมูลจะถูกจำกัดไว้ที่ 10 Mbps ที่ความยาวสายเคเบิลสูงสุด 1 km

วิธีเลือกอีเธอร์เน็ต MAC เพื่อใช้ในการใช้งาน SPE

เช่นเดียวกับการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตทั้งหมด อินเทอร์เฟซ SPE จะรวมเลเยอร์การควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) และเลเยอร์ฟิสิคัล (PHY) MAC จัดการการรับส่งข้อมูลอีเธอร์เน็ต ในขณะที่ PHY แปลงรูปคลื่นแอนะล็อกจากสายเคเบิลเป็นสัญญาณดิจิทัล

หน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ขั้นสูงจำนวนมากติดตั้ง MAC และบางหน่วยก็มี PHY ด้วย อย่างไรก็ตาม MCU ราคาประหยัดและพลังงานต่ำที่ใช้สำหรับเซ็นเซอร์เอดจ์ขาดคุณสมบัติอย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้ โซลูชันนี้อยู่ใน 10BASE-T1L MAC-PHY ซึ่งใช้ทั้งสององค์ประกอบในชิปที่แยกจากกัน ช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกโปรเซสเซอร์ที่ใช้พลังงานต่ำพิเศษต่างๆ ได้

ตัวอย่างที่ดีก็คือ ADIN1110CCPZ-R7 จาก Analog Devices (รูปที่ 2) ตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L พอร์ตเดียวนี้ได้รับการออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อ SPE 10 Mbps ที่ขยายออกไป ADIN1110 เชื่อมต่อกับโฮสต์ผ่านอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI) แบบ 4 สาย ซึ่งเป็นอินเทอร์เฟซที่พบในไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่

รูปที่ 2: ADIN1110 เป็นตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L พอร์ตเดียวที่เชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์โฮสต์ผ่านอินเทอร์เฟซ SPI 4 สาย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เพื่อปรับปรุงความทนทาน ADIN1110 ได้รวมการตรวจสอบการจ่ายแรงดันไฟฟ้าและวงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) เข้าด้วยกัน นอกจากนี้ ระดับการส่งที่ตั้งโปรแกรมได้ ตัวต้านทานการสิ้นสุดภายนอก และพินการรับและส่งที่เป็นอิสระ ทำให้อุปกรณ์นี้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยภายใน

การออกแบบอินเทอร์เฟซการสื่อสารข้อมูลและพลังงานที่ใช้ร่วมกัน

SPE ให้พลังงานและข้อมูลผ่านสายเดียวกันโดยใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า Power over Data Lines (PoDL) ดังแสดงในรูปที่ 3 ข้อมูลความถี่สูงจะเชื่อมต่อกับคู่บิดเกลียวผ่านตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ในขณะที่กำลังไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จะถูกต่อเข้ากับเส้นโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำ

รูปที่ 3: PoDL ให้สัญญาณกำลังและข้อมูลผ่านคู่บิดเกลียวเดี่ยวโดยใช้การเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำและแบบคาปาซิทีฟตามลำดับ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติมเพื่อความทนทานและความทนทานต่อความเสียหาย ตัวอย่างเช่น แนะนำให้ใช้ไดโอดบริดจ์เรกติไฟเออร์เพื่อป้องกันขั้วที่ไม่ถูกต้องของการเชื่อมต่อสายไฟ ในทำนองเดียวกัน ไดโอดตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) จำเป็นสำหรับความทนทานต่อความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำเป็นต้องมีโช้คเพื่อลดเสียงรบกวนในโหมดทั่วไปจากสายเคเบิล

การเลือกเซ็นเซอร์สำหรับ CbM

ตามที่ระบุไว้ข้างต้น CbM สามารถนำไปใช้กับรูปแบบการตรวจจับที่หลากหลาย ในรูปแบบต่างๆ เหล่านี้ หนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาคือการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและประสิทธิภาพ

ใช้การตรวจจับการสั่นสะเทือนเป็นตัวอย่าง เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่ากับระบบไมโครไฟฟ้าเครื่องกล (MEMS) แต่มีราคาสูงกว่า ทำให้เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับทรัพย์สินที่มีความสำคัญสูงซึ่งมีแนวโน้มที่จะตั้งอยู่ใจกลางเมือง

ในทางตรงกันข้าม สินทรัพย์ที่มีความสำคัญน้อยกว่าจำนวนมากมักจะตั้งอยู่ในบริเวณที่ไกลที่สุดของโรงงาน ดังนั้นจึงไม่ได้รับการตรวจสอบในปัจจุบันเนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุน แต่ข้อมูลของพวกเขายังคงต้องถูกขุดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของระบบโดยรวม การผสมผสานความไวของระยะทางและต้นทุนคือจุดที่ CbM ที่ใช้ SPE เป็นเลิศ ทำให้เซ็นเซอร์ MEMS เข้ากันได้อย่างลงตัว

นอกจากต้นทุนที่ต่ำกว่าแล้ว เซ็นเซอร์ MEMS ยังมีข้อดีอื่นๆ สำหรับเซ็นเซอร์ SPE ตัวอย่างเช่น เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก เซ็นเซอร์ MEMS ส่วนใหญ่มีการกรองแบบดิจิทัล ความเป็นเชิงเส้นที่ดีเยี่ยม น้ำหนักเบา และมีขนาดเล็ก

ตัวเลือกการออกแบบถัดไปคือระหว่างเซ็นเซอร์แกนเดี่ยวและสามแกน ตารางที่ 1 บันทึกความแตกต่างระหว่างสองตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ ADXL357BEZ-RL มาตรความเร่งแบบสามแกนและ ADXL1002BCPZ-RL7 มาตรความเร่งแบบแกนเดียว

ตารางที่ 1: เซ็นเซอร์ ADXL1002BCPZ-RL7 แบบแกนเดี่ยวและ ADXL357BEZ-RL แบบสามแกนให้ข้อพิจารณาที่สำคัญหลายประการ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ดังที่ตารางที่ 1 แสดงให้เห็น เซ็นเซอร์แบบแกนเดี่ยวมีแบนด์วิธที่สูงกว่ามากและมีสัญญาณรบกวนต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์สามแกนสามารถจับการสั่นสะเทือนในแนวตั้ง แนวนอน และแนวแกนได้ ทำให้เข้าใจการทำงานของสินทรัพย์ได้ละเอียดมากขึ้น ข้อผิดพลาดหลายประการ รวมถึงเพลาโค้งงอ โรเตอร์เยื้องศูนย์ ปัญหาเกี่ยวกับแบริ่ง และโรเตอร์ที่ถูกง้าง เป็นสิ่งที่ท้าทายในการระบุด้วยเซ็นเซอร์แกนเดียว

เป็นที่น่าสังเกตว่าเซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตรวจจับข้อผิดพลาดทั้งหมดได้ แม้แต่ข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนเป็นหลักก็ตาม ในบางสถานการณ์ วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดอาจเป็นการจับคู่เซ็นเซอร์แกนเดี่ยวกับเซ็นเซอร์อื่นๆ เช่น เซ็นเซอร์สำหรับกระแสของมอเตอร์หรือสนามแม่เหล็ก ในกรณีอื่นๆ วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดอาจเกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์แกนเดี่ยวตั้งแต่สองตัวขึ้นไป

เนื่องจากข้อควรพิจารณาเหล่านี้มีความซับซ้อน จึงแนะนำให้ทดลองกับเซ็นเซอร์ทั้งสองประเภท ด้วยเหตุนี้ Analog Devices จึงนำเสนอADXL357 บอร์ดประเมินเซนเซอร์ 3 แกน และADXL1002 บอร์ดประเมินเซนเซอร์ 1 แกน .

การรวมระบบ CbM ที่ใช้ SPE เข้ากับเครือข่ายอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

ข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับระบบ CbM คือการให้การเชื่อมต่อกลับไปยังคลาวด์อย่างราบรื่น รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าสามารถทำได้โดยใช้โปรโตคอล Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) โปรโตคอลการส่งข้อความ IIoT น้ำหนักเบานี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ระยะไกลโดยใช้รหัสที่น้อยที่สุดและแบนด์วิธเครือข่ายต่ำ

รูปที่ 4: แสดงเป็นสถาปัตยกรรม CbM ที่ใช้ SPE ส่วนประกอบของระบบเซ็นเซอร์หลัก ได้แก่ เซ็นเซอร์ โปรเซสเซอร์ Edge พลังงานต่ำ และ MAC-PHY (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ Cortex-M4 ราคาประหยัดส่วนใหญ่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันนี้ เนื่องจากชิปเหล่านี้เกือบทั้งหมดจะมีพอร์ต SPI ที่จำเป็นในการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์และ MAC-PHY จากมุมมองของซอฟต์แวร์ ข้อกำหนดหลักคือหน่วยความจำที่เพียงพอสำหรับสแต็ก MQTT ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ (RTOS) ที่เหมาะสม และซอฟต์แวร์การวิเคราะห์ Edge โดยปกติแล้ว จำเป็นต้องใช้ RAM และ ROM เพียงไม่กี่สิบกิโลไบต์

เมื่อสายเคเบิล SPE ไปถึงโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้ว ตัวแปลงสื่อสามารถเปลี่ยนสัญญาณ 10BASE-T1L เป็นเฟรม 10BASE-T สำหรับสายอีเทอร์เน็ตมาตรฐาน โปรดทราบว่าการแปลงนี้เพียงเปลี่ยนรูปแบบทางกายภาพเท่านั้น แพ็กเก็ตอีเธอร์เน็ตยังคงไม่ถูกแตะต้อง จากที่นี่ แพ็กเก็ตเหล่านี้สามารถส่งผ่านเครือข่ายอีเธอร์เน็ตใดก็ได้

สรุป

SPE กำลังเกิดขึ้นในฐานะเทคโนโลยีการเปลี่ยนแปลง โดยจัดการกับความท้าทายของ CbM สำหรับอุปกรณ์ระยะไกลได้อย่างเชี่ยวชาญ ความสามารถของ PoDL ผสานกำลังและการรับส่งข้อมูลอย่างหรูหราผ่านคู่บิดคู่เดียว ทำให้เกิดแนวทางที่มีต้นทุนต่ำในการขยายโครงสร้างพื้นฐานอีเทอร์เน็ตไปยังระยะทางที่ไกลขึ้น ด้วยการเลือกอินเทอร์เฟซ MAC-PHY และเซ็นเซอร์ MEMS อย่างพิถีพิถัน วิศวกรสามารถใช้ความสามารถเหล่านี้เพื่อปรับใช้โซลูชันขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบาซึ่งคุ้มต้นทุนเพียงพอที่จะปรับการใช้งานกับสินทรัพย์ที่มีความสำคัญน้อยกว่า สิ่งนี้ทำให้มองเห็นการดำเนินงานในระดับใหม่ซึ่งระบบ AI และ ML สามารถใช้เพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกในการปฏิบัติงานอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน