Ethernet jednoparowy

Systemy ciągłego monitorowania stanu i konserwacji predykcyjnej działające w czasie rzeczywistym wciąż zyskują na znaczeniu. Dzieje się tak, gdyż producenci starają się zwiększać produktywność przy jednoczesnym skróceniu przestojów, zmniejszaniu kosztów serwisu i utrzymania ruchu. Monitorowanie stanu maszyn i instalacji pozwala też wydłużać ich żywotność, poprawiając jakość produkcji i zwiększając bezpieczeństwo w fabrykach.

Monitorowanie stanu w inteligentnych fabrykach

Biorąc pod uwagę, że nieplanowane przestoje mogą stanowić prawie jedną czwartą całkowitych kosztów produkcji, co wynika z raportu "The Costs and Benefits of Advanced Maintenance in Manufacturing", opublikowanego w kwietniu 2018 przez U.S. Department of Commerce, konserwacja predykcyjna może zapewnić znaczne oszczędności i zwiększyć produktywność.

W raportach rynkowych dotyczących rozwiązań do monitorowania stanu prognozowane są roczne wzrosty na poziomie od 25% do 40%, przy czym wynikać one będą przede wszystkim z rozwoju dwóch obszarów. Pierwszym z nich jest wdrażanie inteligentnych czujników do monitorowania stanu urządzeń. Drugim jest wykorzystanie sztucznej inteligencji i zaawansowanych analiz do przekształcania tego typu danych w przydatne informacje do konserwacji predykcyjnej. Rozwój nowych wdrożeń w zakresie monitorowania stanu będzie dotyczył wielu sektorów, w tym:

zagospodarowania odpadów i oczyszczania ścieków,
produkcyjnego,
papierniczego,
spożywczego,
farmaceutycznego,
metalurgicznego i górniczego,
energetycznego,
oil & gas.

W wymienionych branżach aplikacje do monitorowania stanu wykraczają poza tradycyjne zastosowania w pompach, sprężarkach i wentylatorach, obejmując nowe obszary, w tym maszyny CNC, obrabiarki, enkodery, przenośniki i systemy robotyczne (rys. 1).

Rys. 1. Aplikacje do monitorowania stanu

Obecne wyzwania w zakresie komunikacji

Transmisja danych z inteligentnych czujników do systemów zarządzania wyższego poziomu stanowi jedno z najważniejszych wyzwań w aplikacjach monitorowania stanu. Do tej pory korzystano tu z łączności przewodowej lub bezprzewodowej, w zależności od wymagań aplikacji końcowej. Zaletą łączności bezprzewodowej jest łatwe wdrożenie, natomiast wadą jest mała szerokość pasma i/lub krótki czas pracy urządzeń bateryjnych. Z kolei systemy łączności przewodowej charakteryzują się niekiedy ograniczoną przepustowością, a transmisja danych na duże odległości w trudnych warunkach przemysłowych nie zawsze jest możliwa. Często jest też wymagany oddzielny kabel zasilający.

Przemysłowe sieci Ethernet pracujące w standardzie 100BASE-TX/10BASE-T zapewniają szybkość transmisji danych do 100 Mb/s z równoczesną możliwością zasilania w standardzie PoE przez kabel Cat-5 lub Cat-6e, ale ich długość jest ograniczona do 100 m, a dodatkowo ze względu na znaczną przesyłaną energię nie nadają się one do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Systemy do monitorowania stanu wymagają komunikacji na dużą odległość ze zdalnymi czujnikami, zamykanymi niekiedy w obudowach o stopniu ochrony IP66/IP67, pracujących w ciężkich warunkach przemysłowych. Aplikacje wykorzystujące sieć małogabarytowych, energooszczędnych czujników wymagają szerokopasmowego, energooszczędnego i łatwego do zaimplementowania standardu komunikacji, umożliwiającego równoczesne przesyłanie danych i zasilania.

Systemy komunikacji oparte na jednoparowym ethernecie

Standardy warstwy fizycznej SPE (Single Pair Ethernet) opracowane przez IEEE wprowadzają nowe rozwiązania komunikacyjne do aplikacji monitorowania stanu. 10BASE-T1L to nowy standard warstwy fizycznej Ethernet (IEEE 802.3cg-2019) zatwierdzony przez IEEE w listopadzie 2019 roku. Radykalnie zmieni on branżę automatyki, zapewniając bezproblemową łączność ethernetową z urządzeniami i systemami automatyki. 10BASE-T1L rozwiązuje problemy, które do tej pory ograniczały wykorzystanie sieci Ethernet do komunikacji z tego typu zasobami. Obejmują one zasilanie, przepustowość, okablowanie, zasięg transmisji oraz możliwość zastosowania w strefie 0 (Intrinsically Safe Zone 0).

Rozwiązując powyższe problemy zarówno w modernizowanych, jak i nowych instalacjach, 10BASE-T1L zapewni przesyłanie niedostępnych wcześniej informacji o stanie zasobów i przekaże je do warstwy kontrolnej oraz do chmury obliczeniowej lub serwera prywatnego. Otwiera to nowe możliwości w zakresie analizy danych oraz zwiększa produktywność dzięki konwergentnej sieci Ethernet, łączącej zasoby lokalne z chmurą obliczeniową lub prywatnym serwerem (rys. 2).

Rys. 2. Wgląd w stan zasobów w konwergentnej sieci IT/OT

Zalety komunikacji w standardzie ethernet 10BASE-T1L

10BASE-T1L eliminuje potrzebę stosowania złożonych, energochłonnych bram wymaganych do łączenia się z siecią sterowania i zarządzania w starszym standardzie komunikacji oraz umożliwia realizację konwergentnej ethernetowej sieci informatycznej (IT) i operacyjnej (OT). Ta konwergentna sieć ułatwia instalację i wymianę urządzeń oraz skraca czas konfigurowania i rozruchu. Zapewnia to szybszą aktualizację oprogramowania oraz ułatwia analizę pierwotnych przyczyn problemów i serwisowanie urządzeń pracujących w terenie. Warstwa fizyczna 10BASE-T1L w połączeniu ze standardem MQTT oferuje protokół przesyłania wiadomości do inteligentnych czujników zdalnych o małej pojemności pamięci i małym poborze mocy. MQTT zapewnia bezpośredni wgląd w stan urządzeń pracujących w terenie z poziomu chmury obliczeniowej lub prywatnego serwera, umożliwiający prowadzenie zaawansowanej analizy danych i predykcyjnego utrzymania ruchu (konserwacji predykcyjnej).

Zapewnienie komunikacji z urządzeniem zdalnym z interfejsem 10BASE-T1L wymaga mikrokontrolera host z wbudowanym kontrolerem MAC (Medium Access Control) oraz pasywnego konwertera mediów lub switcha z portami 10BASE-T1L. Niepotrzebne jest natomiast dodatkowe oprogramowanie, specjalne sterowniki ani stosy protokołów TCP/IP (rys. 3). Daje to następujące zalety urządzeń z interfejsem 10BASE-T1L:

Możliwość wdrażania inteligentnych czujników o bardzo małym poborze mocy i dużej szybkości transmisji.
Inteligentny czujnik z interfejsem 10BASE-T1L jest dostępny z sieci i umożliwia zdalny upgrade w dowolnym miejscu i czasie. W miarę, jak czujniki stają się coraz bardziej złożone, rośnie prawdopodobieństwo konieczności aktualizacji ich oprogramowania. Dzięki szybkiemu łączu ethernetowemu, aktualizacje mogą być przeprowadzane w krótkim czasie.
Dostęp do zaawansowanych narzędzi diagnostycznych sieci Ethernet, ułatwiający analizę pierwotnych przyczyn problemów.
Większa elastyczność przy instalowaniu inteligentnych czujników komunikujących się za pomocą pojedynczej skrętki o długości 1 km i więcej, umożliwiająca równoczesne przesyłanie danych i zasilania.
Wgląd w stan zasobów jest teraz możliwy za pośrednictwem webserwera działającego na urządzeniu zdalnym, co eliminuje konieczność wizyty personelu technicznego i obniża koszty.

Rys. 3. Połączenie inteligentnego czujnika w urządzeniu zdalnym za pomocą interfejsu 10BASE-T1L

Transmisja danych i zasilania za pomocą dwóch przewodów w standardzie 10BASE-T1L ADIN1100, kontroler warstwy fizycznej 10BASE-T1L z oferty firmy Analog Devices, zapewnia energooszczędne połąpołączenie ethernetowe za pomocą pojedynczej pary przewodów na odległość ponad 1000 m przy poborze mocy zaledwie 39 mW. Łącze komunikacyjne o przepustowości 10 Mb/s, umożliwiające przesyłanie znacznej mocy zasilania po tym samym kablu, pozwala na zastosowania w inteligentnych czujnikach nowych aplikacji umożliwiających monitorowanie warunków pracy. Komunikacja w standardzie 10BASE-T1L zapewnia większą dostępność informacji dotyczących stanu zasobów w konwergentnej sieci ethernetowej IT/OT. Ponadto 10BASE-T1L wspiera aplikacje z zakresu automatyzacji procesów pracujące w obszarach zagrożonych wybuchem (strefa iskrobezpieczna 0), które określane są też mianem Ethernet-APL.

Technologia 10BASE-T1L/Ethernet-APL pozwoli na realizację nowych, energooszczędnych systemów integrujących inteligentne czujniki do monitorowania stanu urządzeń z systemami zarządzania wyższego poziomu. Umożliwi to systemom sztucznej inteligencji i analitycznym przekształcanie danych o stanie urządzeń w bardziej użyteczne informacje oraz wdrażanie nowych usług predykcyjnego serwisowania i utrzymania ruchu.

Rozwiązania systemowe i platformy ai przyspieszają wdrażanie systemów monitorowania stanu

Systemowe rozwiązania do monitorowania stanu urządzeń będą miały kluczowe znaczenie dla zapewnienia lepszej jakości danych, pozwalając znacznie usprawnić procesy produkcyjne. Rozwój systemów 10BASE-T1L/Ethernet-APL w połączeniu z technologiami pomiarowymi czasu rzeczywistego opartymi na sztucznej inteligencji – takimi jak ADI OtoSense, może umożliwić integrowanie AI na wszystkich poziomach systemów klienta. Platforma ADI OtoSense wykrywa i interpretuje wszelkie dźwięki i wibracje oraz wartości ciśnienia, prądu i temperatury, zapewniając ciągłe monitorowanie systemu w oparciu o stan urządzeń oraz diagnostykę na żądanie. Pracuje na urządzeniach zdalnych w czasie rzeczywistym w trybach online i offline. ADI OtoSense wykrywa anomalie i uczy się na podstawie interakcji z ekspertami z dziedziny monitorowania stanu, tworząc cyfrowy odcisk palca pomagający zidentyfikować usterki maszyny. Dzięki temu może przewidzieć anomalie, zanim spowodują one kosztowne przestoje, a nawet zniszczenie podzespołów.

Postępy w technice pomiarowej, przetwarzaniu sygnałów, komunikacji i sztucznej inteligencji umożliwiają tworzenie nowych systemów do monitorowania stanu oraz konserwacji predykcyjnej, które mogą zapewniać znaczne oszczędności i poprawę wydajności. Nowe rozwiązania na poziomie systemowym do monitorowania stanu będą obejmowały czujniki MEMS do pomiaru wstrząsów i wibracji, precyzyjne przetworniki do systemów akwizycji danych oraz komputery edge do tworzenia wysokiej jakości danych opisujących stan urządzeń. Energooszczędne systemy komunikacji przewodowej i bezprzewodowej pobierają z urządzeń zdalnych informacje dotyczące ich stanu. Do systemów bezprzewodowych należą SmartMesh i Wireless HART, a do przewodowych RS-485 oraz 10BASE-T1L zapewniający transmisję danych i zasilania za pomocą jednego kabla dwużyłowego. Technologie te wraz z funkcjami zarządzania energią są stosowane w sprzętowych systemach do monitorowania zasobów (takich jak OtoSense) korzystających ze sztucznej inteligencji, które można zamontować na urządzeniach do prowadzenia konserwacji predykcyjnej (rys. 4).

Lepszy wgląd w stan urządzeń i większa szybkość transmisji wydłużą żywotność sprzętu, zmniejszą koszty konserwacji i wyeliminują nieplanowane przestoje, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego poziomu jakości i bezpieczeństwa produkcji w inteligentnych fabrykach.

Więcej informacji, dotyczących rozwiązań systemowych, oferty w zakresie sztucznej inteligencji do aplikacji monitorowania stanu oraz pomocy oferowanej klientom przez firmę Analog Devices w szybkim opracowaniu i wdrożeniu kompleksowych rozwiązań do monitorowania i konserwacji predykcyjnej, można znaleźć pod adresem analog.com/cbm.