新單對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)：狀態(tài)檢測(cè)場(chǎng)景中的進(jìn)行高質(zhì)量資產(chǎn)健康探測(cè)以及供電的2線制技術(shù)

隨著設(shè)備制造商希望通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備來(lái)提高資產(chǎn)利用率、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，以及通過(guò)采用預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)來(lái)降低維護(hù)成本和設(shè)備停機(jī)時(shí)間，從而提高設(shè)備的吞吐量，狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用變得越來(lái)越重要。狀態(tài)監(jiān)控也被用于提升制造質(zhì)量和制造工廠的安全性。

鑒于計(jì)劃外停機(jī)的成本可能占總制造成本的近四分之一，所以采用預(yù)測(cè)性維護(hù)有望大幅節(jié)省成本并提高生產(chǎn)力。關(guān)注狀態(tài)監(jiān)控的工業(yè)市場(chǎng)報(bào)告顯示，這個(gè)市場(chǎng)的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)在25%至40%之間，主要受兩大增長(zhǎng)領(lǐng)域推動(dòng)。第一，是增加智能傳感器的部署數(shù)量，用于監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的運(yùn)行狀況；第二，是加大人工智能和高級(jí)分析的使用，將資產(chǎn)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的見解，以部署預(yù)測(cè)性維護(hù)功能，創(chuàng)造以服務(wù)為基礎(chǔ)的新型預(yù)測(cè)性維護(hù)業(yè)務(wù)模式機(jī)遇。新型狀態(tài)監(jiān)控的部署增長(zhǎng)涉及各種行業(yè)，包括水和廢水處理、制造、食品和飲料、制藥、金屬和采礦、能源、石油和天然氣裝置等。在這些行業(yè)中，狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備應(yīng)用（泵、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)），而是擴(kuò)展到適合CNC機(jī)床、機(jī)床、編碼器、傳送帶、機(jī)器人和儀器儀表等新應(yīng)用。要使?fàn)顟B(tài)監(jiān)控應(yīng)用不斷得到發(fā)展，需要解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，實(shí)現(xiàn)智能傳感器與更高級(jí)別的管理系統(tǒng)之間的連接，后者根據(jù)從被監(jiān)控的資產(chǎn)獲取的信息實(shí)施操作。

圖1 狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用

截止目前，狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用一直使用有線或無(wú)線連接解決方案，具體由終端應(yīng)用要求決定。無(wú)線連接解決方案在部署方面存在優(yōu)勢(shì)，但帶寬和/或電池壽命通常受到限制。有線連接解決方案有時(shí)受到數(shù)據(jù)帶寬限制，在惡劣的工業(yè)環(huán)境下無(wú)法支持長(zhǎng)距離傳輸，且通常需要采用單獨(dú)的電源線?；?00BASE-TX/10BASE-T的現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案通過(guò)帶PoE的CAT-5或CAT-6/e電纜提供高達(dá)100-Mb速率的高數(shù)據(jù)帶寬，但覆蓋距離在100米之內(nèi)，且不能在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)使用，因?yàn)樗鼈兪歉吖β式鉀Q方案。狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用需要能夠支持潛在的遠(yuǎn)程傳感器，這些傳感器需要在一個(gè)空間和功率受限的IP66/67外殼中進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，因?yàn)樵撏鈿け徊渴鹪趷毫拥墓I(yè)環(huán)境中。這些受限的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用需要采用一種低功耗、高數(shù)據(jù)帶寬的通信解決方案，通過(guò)一根低成本、易于安裝的電纜（采用小型電纜接頭）將電能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)。

由IEEE制定的新單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)物理層標(biāo)準(zhǔn)為傳輸資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用提供了新的連接解決方案。10BASE-T1L是在2019年11月7日經(jīng)過(guò)IEEE認(rèn)證的新以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件的無(wú)縫以太網(wǎng)連接顯著提高工廠運(yùn)營(yíng)效率，變革自動(dòng)化行業(yè)。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制現(xiàn)場(chǎng)使用以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功率、帶寬、布線、距離、數(shù)據(jù)島以及本質(zhì)安全0區(qū)（危險(xiǎn)區(qū)域）應(yīng)用。通過(guò)解決后裝升級(jí)以及前裝安裝的挑戰(zhàn)，10BASE-T1L將有助于獲得以前無(wú)法獲取的新資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息，并將它們無(wú)縫傳送給控制層、云/私人服務(wù)器。這些新的見解將通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)到云或私人服務(wù)器的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（請(qǐng)參見圖2），讓數(shù)據(jù)分析、運(yùn)營(yíng)見解和生產(chǎn)力提高成為可能。

而10BASE-T1L無(wú)需采用傳統(tǒng)通信用于連接至控制和管理網(wǎng)絡(luò)的耗電復(fù)雜網(wǎng)關(guān)，可跨信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)網(wǎng)絡(luò)使能融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)此融合網(wǎng)絡(luò)，可簡(jiǎn)化安裝和器件更換，加快網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和配置。最終將加快軟件更新，簡(jiǎn)化根本原因分析和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)資產(chǎn)維護(hù)。10BASE-T1L物理層與消息傳輸協(xié)議(MQTT)融合，為現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)提供消息傳輸協(xié)議，其中，低功耗智能傳感器僅占用少量?jī)?nèi)存空間。MQTT將資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息直接與云或私人服務(wù)器連接，以實(shí)施高級(jí)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而采用預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)。

要與支持10BASE-T1L的現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)通信，需要具有集成介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)的主機(jī)處理器、無(wú)源介質(zhì)轉(zhuǎn)換器或具有10BASE-T1L端口的交換機(jī)。無(wú)需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅(qū)動(dòng)程序（請(qǐng)參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優(yōu)勢(shì)：

圖2 融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)上的資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息

圖3 采用10BASE-T1L PHY的現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)、智能傳感器連接

●   10BASE-T1L是一種功耗極低的物理層技術(shù)，可以采用高數(shù)據(jù)帶寬連接解決方案實(shí)現(xiàn)極低功耗的智能傳感器部署。

●   通過(guò)10BASE-T1L連接的智能傳感器可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，并可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程更新。傳感器變得越來(lái)越復(fù)雜，軟件也更有可能更新。現(xiàn)在，通過(guò)快速以太網(wǎng)連接，可在現(xiàn)實(shí)時(shí)間段內(nèi)做到這一點(diǎn)。

●   訪問(wèn)高級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)診斷工具簡(jiǎn)化根本原因分析。

●   通過(guò)單條長(zhǎng)達(dá)或超過(guò)1千米的雙絞線（在單條雙絞線上同時(shí)傳輸功率和數(shù)據(jù)），提高智能傳感器安裝的靈活性。

●   現(xiàn)在，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，我們可以遠(yuǎn)程獲取并隨時(shí)隨地訪問(wèn)資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息，使得維護(hù)人員無(wú)需再“四處走動(dòng)”來(lái)監(jiān)控資產(chǎn)運(yùn)行狀況，幫助大幅節(jié)省了成本。

ADIN1100（ADI的10BASE-T1L PHY）可以在超過(guò)1200米長(zhǎng)的單條雙絞線上實(shí)現(xiàn)更低功耗的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為39 mW。采用10BASE-T1L之后，可在單條雙絞線上同時(shí)提供功率和數(shù)據(jù)。10-Mb數(shù)據(jù)帶寬通信鏈路可在同一條電纜上傳輸大量功率，為現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)提供智能傳感器、功率和連接帶寬，以實(shí)現(xiàn)新型狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用。采用10BASE-T1L連接之后，獲取資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息變得更加容易，因?yàn)檫@些信息現(xiàn)在可通過(guò)融合IT/OT以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)獲取。10BASE-T1L可在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)使用（本質(zhì)安全區(qū)域0），用于實(shí)施過(guò)程自動(dòng)化部署，有時(shí)候被稱為以太網(wǎng)APL。10BASE-T1L/以太網(wǎng)APL將提供新的低功耗連接解決方案，將資產(chǎn)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)智能傳感器連接到用于實(shí)施AI和高級(jí)分析的高級(jí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而將資產(chǎn)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作的信息，以部署新的預(yù)測(cè)維護(hù)服務(wù)。

圖4 ADI公司，狀態(tài)監(jiān)控功能

ADI公司為狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。ADI致力于利用在檢測(cè)、信號(hào)處理、連接、機(jī)械封裝技術(shù)和AI等領(lǐng)域數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)下一代狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用。ADI OtoSense?是一款A(yù)I驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)傳感和解譯聲音、振動(dòng)、壓力、電流或溫度等信息，用于連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷，以在各級(jí)客戶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)AI集成。它可以實(shí)時(shí)在終端上的現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)上運(yùn)行（在線和離線），以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)實(shí)施持續(xù)狀態(tài)監(jiān)控。ADI OtoSense?可以自行檢測(cè)異常，通過(guò)與狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域?qū)＜医换ゲ粩鄬W(xué)習(xí)，可創(chuàng)建數(shù)字指紋以幫助識(shí)別故障，并可以提早預(yù)測(cè)故障，從而避免發(fā)生代價(jià)高昂的停機(jī)、損壞或重大故障。

將ADI在檢測(cè)、信號(hào)鏈和系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量等方面的深厚領(lǐng)域知識(shí)與我們的AI檢測(cè)和解譯平臺(tái)融合，幫助客戶更快部署新狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；通過(guò)訪問(wèn)更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和信息，從他們的狀態(tài)監(jiān)控解決方案中獲取更多價(jià)值；改善客戶的制造工藝，延長(zhǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)使用壽命，減少意外停機(jī)時(shí)間，同時(shí)保持最高水平的質(zhì)量和安全。ADI的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)級(jí)解決方案提供技術(shù)和信息，為部署的設(shè)備創(chuàng)建新的、高價(jià)值的預(yù)測(cè)性維護(hù)服務(wù)產(chǎn)品。

作者簡(jiǎn)介

Maurice O’ Brien是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化部的戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理。他負(fù)責(zé)交付以工業(yè)自動(dòng)化為重點(diǎn)的系統(tǒng)級(jí)解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域工作了3年，在電源管理應(yīng)用和營(yíng)銷領(lǐng)域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。