【導讀】在工廠自動化和工業物聯網 (IIoT) 中
，通過基於狀態的監控 (CbM) 可深入了解資產的健康狀況，從而增加正常運行時間並提高生產率
，降低維護成本，延長資產壽命並確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法
、處理能力方麵的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 技術的應用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎設施則限製了 CbM 在許多應用領域的推廣。

在工廠自動化和工業物聯網 (IIoT) 中，通過基於狀態的監控 (CbM) 可深入了解資產的健康狀況，從而增加正常運行時間並提高生產率，降低維護成本，延長資產壽命並確保工人安全。雖然傳感器、診斷算法、處理能力方麵的進步以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 技術的應用正在使 CbM 變得更加有用，但缺乏合適的基礎設施則限製了 CbM 在許多應用領域的推廣。

采礦、石油/天然氣

、gongyongshiyehezhizaoyeyingyongzhongdeshebeitongchangweiyuquefadianyuanhuoshujuwangluodedifang。weizhexiepianyuandidianpushexindedianyuanhewangluodianlanjiangguiyoubuqieshiji
，duiyuyaoqiuxiangduijiaogaogonglvheshujuchuanshusulvde CbM 應用而言尤其如此。

可采用無線替代方案，但需要進行權衡。例如，電池供電型傳感器隻能提供有限的數據傳輸速率，因此不適合用於 CbM。為了在這些地點也能實現最新的 CbM 功能，工程師需要一種基礎設施選項，以提供成本低、性能可靠的電源和高帶寬網絡。

10BASE-T1L 單對以太網 (SPE) 就是明確為滿足這些標準而明確的。這種以太網的數據和電力傳輸距離長達 1 公裏 (km)
，遠遠超出了工業以太網的限製。利用這項新技術，工程師可以在以前無法到達的地點部署複雜的 CbM 技術。

本文簡述了 CbM 和 AI 的影響，然後概述了 SPE 在偏遠地點的優勢。本文重點介紹了基於 SPE 的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)，並(bing)給(gei)出(chu)了(le)這(zhe)些(xie)部(bu)件(jian)的(de)選(xuan)型(xing)指(zhi)導(dao)原(yuan)則(ze)。最(zui)後(hou)
，本(ben)文(wen)回(hui)顧(gu)了(le)設(she)計(ji)數(shu)據(ju)和(he)電(dian)源(yuan)組(zu)合(he)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)的(de)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)，並(bing)介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)將(jiang)基(ji)於(yu) SPE 的 CbM 係統集成到更廣泛的工業網絡中。

CbM 以及 AL 和 ML 的影響

推動 CbM 增長的因素很多
，但 AI 和 ML 的興起尤其值得注意。這些技術正在將 CbM 的範圍從泵、壓縮機和風扇等旋轉設備擴展到包括數控機床、傳送係統和機器人在內的更廣泛的機械領域。

之所以能夠取得這些進步，是因為 AI 和 ML 係統能夠吸收和解析包括振動、壓力
、溫度和視覺數據在內的大量數據。有了豐富的數據集，AI 和 ML 係統就能識別老舊技術可能忽略的異常情況。

要實現這些優勢，就必須從所有相關設備中獲取高保真數據，這就是為什麼 CbM 係統必須提供從邊緣到雲的連接，以連接到最偏遠的運行角落（圖 1）。

圖 1：現代 CbM 係統必須將遠距離操作技術 (OT) 設備與信息技術 (IT) 係統連接起來。（圖片來源：Analog Devices）

SPE 相比其他方法的優勢

要為這些偏遠地區提供服務
，工程師需要一種 IT 友(you)好(hao)型(xing)方(fang)法(fa)來(lai)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)和(he)電(dian)源(yuan)，並(bing)將(jiang)成(cheng)本(ben)和(he)實(shi)際(ji)占(zhan)用(yong)空(kong)間(jian)維(wei)持(chi)在(zai)最(zui)低(di)水(shui)平(ping)。顯(xian)然(ran)
，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)不(bu)錯(cuo)的(de)選(xuan)擇(ze)，因(yin)為(wei)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong) 100 Mbps 的典型數據帶寬和每個端口高達 30 W 的以太網供電 (PoE) 能力。不過

，工業以太網的傳輸距離被限製在 100 m 以內。

顧名思義，單對以太網 (SPE) 通過單根雙絞線提供以太網連接，而不是 100BASE-TX 的兩對線或 10BASE-T 的四對線。因此，與同等工業以太網布線相比，SPE 布線更小
、更輕
、成本更低。雖然減小了實際占用空間，但 SPE 能夠支持長達 1 km 的運行距離，數據傳輸速率高達 1 Gbps，功率高達 50 W
，連接器防護等級達到 IP67，適用於惡劣環境。

值得注意的是，SPE 的兩個最高額定值不能同時實現。例如，1 Gbps 的速度僅支持 40 m 以內的短距離傳輸。相比之下，在最大電纜長度為 1 km 時，數據傳輸速率隻能達到 10 Mbps。

如何為 SPE 應用選擇以太網 MAC

與所有以太網連接一樣，SPE 接口包含一個介質訪問控製 (MAC) 層和一個物理 (PHY) 層。MAC 管理以太網流量，而 PHY 則將電纜的模擬波形轉換為數字信號。

許多先進的微控製器 (MCU) 都配備了 MAC，有些還包括了 PHY。然而，用於邊緣傳感器的低成本、低功耗 MCU 卻不具備這些功能。解決方案是采用 10BASE-T1L MAC-PHY，它憑借一顆單獨的芯片滿足了這兩種要求，使設計人員能夠在各種超低功耗處理器中進行選擇。

例如
，Analog Devices 的 ADIN1110CCPZ-R7 就是一款很好的產品（圖 2）。這款單端口 10BASE-T1L 收發器用於延長距離
、10 Mbps SPE 連接。ADIN1110 通過 4 線串行外設接口 (SPI) 與主機連接，這是大多數現代微控製器都有的接口。

圖 2：ADIN1110 是一款單端口 10BASE-T1L 收發器，通過一個 4 線 SPI 接口與主處理器連接。（圖片來源：Analog Devices）

為了提高穩健性，ADIN1110 集成了電壓電源監控和上電複位 (POR) 電路。此外
，可編程發送電平、外部端接電阻器以及獨立的接收和發送引腳
，都使該器件適用於本質安全型應用。

設計共享數據和電源通信接口

SPE 采用一種稱為數據線供電 (PoDL) 的技術
，通過同一條電線提供電源和數據。如圖 3 所示，高頻數據通過串聯電容器耦合到雙絞線上，而直流 (DC) 電源則通過電感器耦合到線路上。

圖 3：PoDL 利用電感耦合和電容耦合分別通過單根雙絞線提供電源和數據信號。（圖片來源：Analog Devices）

實(shi)際(ji)上(shang)，實(shi)現(xian)穩(wen)健(jian)性(xing)和(he)容(rong)錯(cuo)性(xing)還(hai)需(xu)要(yao)其(qi)他(ta)組(zu)件(jian)。例(li)如(ru)，建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)橋(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)來(lai)防(fang)止(zhi)電(dian)源(yuan)連(lian)接(jie)極(ji)出(chu)現(xian)性(xing)錯(cuo)誤(wu)。同(tong)樣(yang)，還(hai)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi)器(qi) (TVS) 二極管來確保電磁兼容性 (EMC) 的穩健性。值得注意的是，需要使用扼流圈來減少電纜產生的共模噪聲。

為 CbM 選擇傳感器

如前所述
，CbM 適用於多種檢測模式。在這些模式中
，需要考慮的關鍵因素之一是在性能和效率之間進行權衡。

以振動檢測為例。壓電傳感器的性能優於微機電係統 (MEMS)，但成本較高。這使得壓電傳感器成為高度關鍵型資產的理想選擇
，這些資產往往位於中心位置。

相xiang比bi之zhi下xia，許xu多duo不bu那na麼me關guan鍵jian的de資zi產chan往wang往wang位wei於yu設she施shi的de最zui遠yuan端duan

，因yin此ci鑒jian於yu成cheng本ben方fang麵mian的de製zhi約yue，目mu前qian還hai沒mei有you進jin行xing監jian控kong。然ran而er，仍reng必bi須xu對dui其qi數shu據ju進jin行xing挖wa掘jue，以yi提ti高gao整zheng個ge係xi統tong的de生sheng產chan率lv。距ju離li和he成cheng本ben靈ling敏min度du組zu合he正zheng是shi基ji於yu SPE 的 CbM 的優勢所在
，因此 MEMS 傳感器自然成為了最佳選擇。

除了成本較低之外，MEMS 傳感器還為 SPE 傳感器帶來了其他優勢。例如

，與壓電傳感器相比，大多數 MEMS 傳感器都有數字濾波功能、出色的線性度、重量輕和體積小等特點。

下一個設計在單軸傳感器和三軸傳感器之間選擇。表 1 列出了兩個典型器件之間的差異（ADXL357BEZ-RL 三軸加速度計和 ADXL1002BCPZ-RL7單軸加速度計）。

表 1：單軸 ADXL1002BCPZ-RL7 和三軸 ADXL357BEZ-RL 傳感器可在許多需要重點考慮的方麵進行權衡。（圖片來源：Analog Devices）

如表 1 所示
，單軸傳感器具有更高的帶寬和更低的噪聲。不過，三軸傳感器可以捕捉垂直、水平和軸向振動，從而更詳細地了解資產的運行情況。單軸傳感器很難識別包括軸彎曲、轉子偏心、軸承問題和轉子翹起在內的許多故障。

值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，僅(jin)靠(kao)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)並(bing)不(bu)能(neng)檢(jian)測(ce)出(chu)所(suo)有(you)故(gu)障(zhang)，甚(shen)至(zhi)檢(jian)測(ce)不(bu)到(dao)那(na)些(xie)與(yu)振(zhen)動(dong)有(you)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)故(gu)障(zhang)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，最(zui)佳(jia)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)能(neng)是(shi)將(jiang)單(dan)軸(zhou)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)組(zu)合(he)使(shi)用(yong)（如電機電流或磁場傳感器）。在其他情況下
，最佳解決方案可能需要兩個或多個單軸傳感器。

鑒於這些考慮因素的複雜性，最好同時試用這兩種傳感器。為此，Analog Devices 提供 ADXL357 3 軸傳感器評估板和 ADXL1002 1 軸傳感器評估板。

將基於 SPE 的 CbM 係統集成到更大的工業網絡中

提供與雲的無縫連接，是對任何 CbM 係統的基本要求。圖 4 說明了如何使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協議實現這一功能。這種輕量級 IIoT 消息傳遞協議能夠以最少的代碼占用量和較低的網絡帶寬連接遠程設備。

圖 4：所示為基於 SPE 的 CbM 架構。傳感器係統的關鍵部件包括傳感器、低功耗邊緣處理器和 MAC-PHY。（圖片來源：Analog Devices）

大多數低成本 Cortex-M4 微控製器都適用於此應用，因為幾乎所有這些芯片都具有連接傳感器和 MAC-PHY 所需的 SPI 端口。從軟件角度看，主要的要求是 MQTT 協議棧有足夠的內存、正確的實時操作係統 (RTOS) 和邊緣分析軟件。通常隻需要幾十 KB 的 RAM 和 ROM。

SPE 電纜到達現有基礎設施後，介質轉換器可將 10BASE-T1L 信號轉換為標準以太網電纜的 10BASE-T 幀。請注意
，這種轉換隻是改變了物理格式；以太網數據包仍保持不變。從這裏
，這些數據包可以在任何以太網網絡上發送。

結語

SPE 是一項正在興起的顛覆性技術，能很好地解決遠程設備 CbM 所麵臨的各種挑戰。其 PoDL 功能將電源和數據傳輸巧妙地融合在一根雙絞線上，以低成本的方式將以太網基礎設施擴展到更遠的地方。通過仔細選擇 MAC-PHY 接口和 MEMS 傳感器
，工程師可以利用這些功能部署結構緊湊
、重量輕的解決方案。這些解決方案具有足夠的成本效益，足以證明在不太重要的資產上使用這些解決方案是合理的。這使得 AI 和 ML 係統對運營的可視性達到了新的高度，從而提供前所未有的深度運行情況。

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

微型機器學習（tinyML）在電源管理係統中的應用

意法半導體公布2023年第四季度及全年財報和電話會議時間安排

百家跨國公司看中國丨意法半導體曹誌平：持續完善在華產業鏈部署

認識精密電阻的分類及核心參數

『這個知識不太冷』探索 RF 濾波器技術（下）