新型單對乙太網路技術:狀態監測場景中進行高品質資產健康探測以及供電的2線制技術

作者:ADI策略行銷經理 Maurice O’Brien


隨著設備製造商希望透過即時監測設備來提高資產利用率、延長設備的使用壽命,以及透過採用預測性維護技術來降低維護成本和設備停機時間,藉以提高設備的輸送量,狀態監測應用變得越來越重要。狀態監測也被用於提升製造品質和製造工廠的安全性。

有鑑於計畫外停機的成本可能占總製造成本的近四分之一,所以採用預測性維護可望大幅節省成本並提高生產力。關注狀態監測的工業市場報告顯示,這個市場的複合年均成長率預計在25%至40%之間,主要是受到兩大成長領域推動。第一,是增加智慧感測器的部署數量,用於監測資產的運行狀況;第二,是增加人工智慧和進階分析的使用,將資產運行狀況資料轉化為可執行的見解,以部署預測性維護功能,創造以服務為基礎的新型預測性維護業務模式機遇。新型狀態監測的部署增長涉及各種產業,包含水和廢水處理、製造、食品和飲料、製藥、金屬和採礦、能源、石油和天然氣裝置等。在這些產業中,狀態監測應用不再侷限於傳統的旋轉設備應用(抽水機、壓縮機和風機),而是擴展到適合CNC機床、機床、編碼器、傳送帶、機器人和儀器儀錶等新應用。要使狀態監測應用不斷得到發展,需要解決的一個關鍵挑戰是,實現智慧感測器與更高級別的管理系統之間的連接,後者根據從被監測的資產獲取的資訊實施操作。

Condition monitoring applications

圖1:狀態監測應用

截止目前為止,狀態監測應用一直使用有線或無線連接解決方案,具體由終端應用要求決定。無線連接解決方案在部署方面存在優勢,但頻寬和/或電池壽命通常受到限制。有線連接解決方案有時受到資料頻寬限制,在惡劣的工業環境下無法支援長距離傳輸,且通常需要採用單獨的電源線。基於100BASE-TX/10BASE-T的現有工業乙太網路解決方案透過具有PoE的CAT-5或CAT-6/e電纜提供高達100-Mb速率的高資料頻寬,但覆蓋距離在100米之內,且不能在危險區域內使用,因為它們是高功率解決方案。狀態監測應用需要能夠支援潛在的遠端感測器,這些感測器需要在一個空間和功率受限的IP66/67外殼中進行遠端通訊,因為該外殼被部署在惡劣的工業環境中。這些受限的感測器節點應用需要採用一種低功耗、高資料頻寬的通訊解決方案,透過一根低成本、易於安裝的電纜(採用小型電纜接頭)將電能和資料傳輸到感測器節點。

由IEEE制定的新型單對乙太網路(SPE)實體層標準為傳輸資產運行狀況資訊,實施狀態監測應用提供了新的連接解決方案。10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新型乙太網路實體層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將透過與現場級元件的無縫乙太網路連接顯著提高工廠運營效率,變革自動化產業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制現場使用乙太網路的挑戰。這些挑戰包含功率、頻寬、佈線、距離、資料站以及本質安全0區(危險區域)應用。透過解決後裝升級以及前裝安裝的挑戰,10BASE-T1L將有助於獲得以前無法獲取的新資產運行狀況資訊,並將它們無縫傳送給控制層、雲端/私人伺服器。這些新的見解將透過從現場資產到雲端或私人伺服器的融合乙太網網路(請參見圖2),讓資料分析、營運見解和生產力提高成為可能。

Asset health insights on a converged IT/OT network

圖2:融合IT/OT網路上的資產運行狀況資訊

而10BASE-T1L無需採用傳統通訊用於連接至控制和管理網路的耗電複雜閘道,可跨資訊技術(IT)和操作技術(OT)網路使能融合乙太網網路。透過此融合網路,可簡化安裝和元件更換,加速網路調試和配置。最終將加速軟體更新,簡化根本原因分析和現場級資產維護。10BASE-T1L實體層與消息傳輸協定(MQTT)融合,為現場資產提供消息傳輸協定,其中,低功耗智慧感測器僅佔用少量記憶體空間。MQTT將資產運行狀況資訊直接與雲端或私人伺服器連接,以實施進階資料分析,進而採用預測性維護技術。

要與支援10BASE-T1L的現場資產通訊,需要具有整合介質存取控制(MAC)的主機處理器、被動介質轉換器或具有10BASE-T1L埠的交換機。無需其他軟體、自訂TCP/IP堆疊和特殊驅動程式(請參見圖3)。而這就使10BASE-T1L元件可具有明顯的優勢:

  • 10BASE-T1L是一種功耗極低的實體層技術,可以採用高資料頻寬連接解決方案實現極低功耗的智慧感測器部署。
  • 透過10BASE-T1L連接的智慧感測器可透過網路瀏覽,並可隨時隨地遠端更新。感測器變得越來越複雜,軟體也更有可能更新。現在,透過快速乙太網路連接,可在現實時間段內做到這一點。
  • 瀏覽先進的乙太網路診斷工具簡化根本原因分析。
  • 透過單條長達或超過1km的雙絞線(在單條雙絞線上同時傳輸功率和資料)提高智慧感測器安裝的靈活性。
  • 現在,透過在現場資產上運行的網路伺服器,我們可以遠端獲取並隨時隨地瀏覽資產運行狀況資訊,使得維護人員無需再「四處走動」來監測資產運行狀況,大幅節省成本。
Field asset, smart sensor connectivity

圖3:採用10BASE-T1L PHY的現場資產、智慧感測器連接

ADIN1100(ADI的10BASE-T1L PHY)可以在超過1200m長的單條雙絞線上實現更低功耗的乙太網路連接,其功耗僅為39 mW。採用10BASE-T1L之後,可在單條雙絞線上同時提供功率和資料。10-Mb資料頻寬通訊鏈路可在同一條電纜上傳輸大量功率,為現場資產提供智慧感測器、功率和連接頻寬,以實現新型狀態監測應用。採用10BASE-T1L連接之後,獲取資產運行狀況資訊變得更加容易,因為這些資訊現在可透過融合IT/OT乙太網路獲取。10BASE-T1L可在危險區域內使用(本質安全區域0),用於實施過程自動化部署,有時候被稱為乙太網路APL。10BASE-T1L/乙太網路APL將提供新的低功耗連接解決方案,將資產運行狀況監測智慧感測器連接到用於實施AI和進階分析的進階資料管理系統,從而將資產運行狀況資料轉換為可操作的資訊,以部署新的預測維護服務。

ADI為狀態監測應用提供完整的系統級解決方案,實現對現場資產的即時監測。ADI致力於利用在感測、訊號處理、連接、機械封裝技術和AI等領域數十年的經驗,實現下一代狀態監測應用。 ADI OtoSense, 是一款AI驅動的平台,能夠即時感測和解譯聲音、振動、壓力、電流或溫度等資訊,用於連續狀態監測和按需求進行診斷,以在各級客戶系統中實現AI整合。它可以即時在終端上的現場資產上運行(線上和離線),以對現場資產實施持續狀態監測。ADI OtoSense可以自行檢測異常,透過與狀態監測領域專家交互不斷學習,可建立數位指紋以協助識別故障,並可以提早預測故障,從而避免發生代價高昂的停機、損壞或重大故障。

將ADI在感測、訊號鏈和系統設計考量等方面的深厚領域知識與我們的AI感測和解譯平台融合,使客戶能更快部署新狀態監測系統;透過瀏覽更高品質的資料和資訊,從他們的狀態監測解決方案中獲取更多價值;改善客戶的製程、延長設備的現場使用壽命,減少意外停機時間,同時保持較高水準的品質和安全。ADI的狀態監測系統級解決方案提供技術和資訊,為部署的設備創建新的、高價值的預測性維護服務產品。

Analog Devices' condition monitoring capabilities

圖4:ADI的狀態監測功能

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