为工业4.0启用牢靠的根据状况的有线监控

根据状况的监控关于完成工业4.0至关重要

政府行动（例如德国的工业4.0和我国的我国制作2025）正在加速制作业朝向遍及网络自动化开展的趋势。此外，智能传感器体系正在进步自动化程度，供给更多的数据来监测和操控出产过程。特别是，我国制作2025旨在快速开展包含电动汽车、新一代信息技能(IT)和电信、先进机器人和人工智能在内的高科技产业。有了更先进的体系之后，就需求选用更先进的办法来确保体系的牢靠性。

对机器人和旋转机器（例如涡轮机、电扇、泵和电机）施行的根据状况的监控会记载与机器的健康和功能相关的实时数据，以便有针对性地施行猜测维护和优化操控。在机器生命周期的前期进行有针对性的猜测维护，能够削减出产停机的危险，然后进步牢靠性、显着节约本钱和进步工厂的出产率。

怎么施行根据状况的有线监控处理计划？

要对工业机器施行根据状况的监控，能够运用一系列传感器数据，如电气丈量、振荡、温度、油品质量、声学和流程丈量（如流量和压力）。可是，振荡丈量是现在最常见的，由于它能够最牢靠地指示出机械问题，例如不平衡和轴承毛病。本文首要研讨振荡传感的运用，但该办法相同适用于来自其他传感器的数据。

这种传输意味着将来自感测节点的传感器数据发送至主操控器或许云高度依靠运用。在许多运用中，一些本地数据会在终端节点处理，汇总数据随后经过无线方法发送至网络网关，或许直接经过蜂窝链路发送至云或剖析服务器。在这些情况下，传输的数据量一般都适当低，并且由于终端节点是由电池供电，一切一般要求坚持低功耗。在其他运用中，需求进行原始传感器数据传输。例如，在剖析之前或许需求对来自多个传感器的数据进行调整和交融。在运用数据进行实时操控的运用中，也需求进行原始数据传输。在这些运用中，更或许选用有线接口作为数据传输处理计划。

工业运用的CbM能够运用ADI公司经过优化的微机电体系(MEMS)加速度计、低功耗微操控器和有线iCoupler®阻隔接口信号链来提取、调整来自长途CbM从机的机器健康状况数据，并将其牢靠回传至主操控器进行剖析。跟着时刻的推移，能够运用机器健康数据创立根据软件的模型来确认机器行为的改变，并自动维护机器健康。在一些运用中，如数控机床，数据也能够用来实时优化体系功能。

完成有线CbM接口的应战包含：在长电缆上运转时EMC的稳健性、以高波特率传输时数据的完好性（用于实时传输CbM数据流），以及通讯物理层/协议的不匹配。ADI公司的信号链和体系级专业知识为完成有线CbM接口供给了几种或许的挑选。

本文分两个部分，榜首部分介绍了ADI公司的有线接口处理计划，该计划协助客户缩短规划周期和测验时刻，让工业CbM处理计划更快地进入市场。下一篇文章要点介绍具体的物理层规划考量要素，包含主操控器和有线CbM从操控器。

有线CbM规划完成

规划和安置根据状况的有线监控处理计划需求考量多个体系功能要素，并进行权衡取舍。

首要，在挑选适宜的MEMS加速度计时，有必要考虑需求丈量的毛病类型，然后挑选适宜的带宽和噪声功能MEMS来满意体系的要求。边际节点处理需求细心匹配所选的处理器，以确保最高的体系灵活性。

其次，有线CbM体系的规划需求精心挑选适宜的有线通讯协议和物理层，以完成高速实时数据流传输。完成有线接口需求细心考虑EMC功能、数据传输电缆、衔接器和电缆上的电源传输。

挑选适宜的MEMS加速度计

挑选适宜的MEMS振荡传感器包含几个方面：

轴数

被监测的轴数一般与毛病类型和传感器的设备安置呈函数联系。假如能显着看出毛病触及一个主导轴，并且在该轴上有一个明晰的传输途径，那么选用单轴传感器就足够了。三轴传感关于多轴中包含能量的毛病或毛病能量传输途径不明确的毛病是有用的。

毛病类型

被监测的毛病类型对传感器挑选有重要影响。传感器的噪声密度和带宽是这方面的重要目标，由于它们决议了能够牢靠提取的振荡水平缓频率规模。例如，关于低转速机器的不平衡和失调毛病，或许需求一个低噪声密度传感器，但带宽要求适当低，而齿轮毛病检测需求传感器兼具低噪声密度和高带宽。

功能要求

除了毛病类型外，了解CbM的功能要求也很重要。对根本交通灯类型的状况指示器施行报警检测，需求经过不同水平的功能来进行杂乱的猜测。这明显适用于正在安置的剖析和算法，但也会影响传感器的挑选。传感器在带宽、噪声密度和线性度方面的功能水平越高，剖析才能就越强。

挑选适宜的信号处理

规划考量要素包含：

加速度计输出

加速度计的输出一般是模仿或串行数字信号，一般是SPI。模仿输出传感器将需求一个数字转化阶段，也需求进行一些信号调度。这可所以一个支撑前置放大器调度的分立ADC，也可所以微操控器中的嵌入式ADC。

边际节点处理要求

为了减轻数据链路和/或中心操控器/服务器的担负，边际节点上或许需求一些根本的FFT或信号处理算法。

数据传输协议要求

ADC或传感器的输出一般是SPI接口。它自身并不供给任何机制用于施行数据完好性查看、确认时刻戳、混合来自不同传感器的数据等。在传输之前，将传感器数据封装在边际节点的高档协议中对错常有用的。这能够进步传感器接口的稳健性和灵活性，可是要求在边际节点上稳当处理和封装数据流。

将加速度计输出移植到有线通讯总线

如前所述，加速度计的输出一般是模仿或串行数字信号，一般是SPI。SPI输出能够在本地处理（答应协议灵活性），然后添加到物理层接口，或许直接移植到物理层。

SPI是一个不平衡的单端串行接口，用于短间隔通讯。要在更长的间隔内直接将SPI移植到物理层，需求运用RS-485线路驱动器和接纳器。RS-485信号传输是平衡的差分式传输，自身便能抗搅扰，且经过长线缆长度时具有稳健性。

在SPI主机和从机之间的较长间隔上运用SPI时，存在一些应战。SPI从本质上是同步的，具有一个由SPI主机发动的时钟(SCLK)。SPI数据线路——主机输出从机输入(MOSI)和主机输入从机输出(MISO)——与SCLK同步，在短间隔规模内这是能够完成的。SPI还有一个有用的、低使能芯片挑选(CS)信号，假如需求，它答应独自的从机寻址。

为了康复主机和从机之间的同步，能够将来自从机的时钟信号反馈给主机，或许运用时钟相移补偿主操控器的电缆推迟。时钟的相移有必要与体系的总推迟匹配。 AN-1397 供给主微操控器推迟补偿的完成细节。

有线通讯物理层

进行长间隔通讯时，需求选用稳健牢靠的物理层。如前所述，RS-485信号传输是平衡的差分式传输，自身便能抗搅扰。体系噪声均等地耦合到RS-485双绞线电缆中的每条导线。一个信号的发射与另一个信号相反，耦合到RS-485总线的电磁场互相抵消。这下降了体系的电磁搅扰(EMI)。让RS-485十分合适CbM体系的一些额定要害长处包含：

◆   更高的数据速率，电缆长度较短（小于100米）时可达50 Mbps

◆   数据速率较低时，线缆长度可达1000米

◆   全/半双工RS-485和RS-422多驱动器/接纳器对能够运用最小量的组件，将双向SPI转化为RS-485总线信号

◆   较宽的共模输入规模答应主机和从机之间具有接地电位差异

有线接口的EMC功能

在长电缆中传输时，通讯网络或许会遭到损害影响，例如较大的共模噪声、接地电位差异和高压瞬态。

传导和辐射噪声源可影响100米线缆长度内的通讯牢靠性。选用ADI公司的iCoupler芯片级变压器阻隔技能能够进步对这些噪声源的抗搅扰才能。 AN-1398 概述了运用iCoupler技能能够完成的对常见工业瞬态的抵抗力。

在工厂自动化环境中，体系规划人员一般无法操控供给通讯网络的电气设备。最好的做法是假定存在接地电位差异。在运动操控体系中，或许会发生数百伏的接地电位差异。RS-485通讯节点需求电流阻隔电源和数据线路能在这些环境中牢靠地运转。信号和isoPower阻隔器材供给峰值可达600 V（根底）或353 V（增强型）的最大接连作业电压。在存在较大接地电位差异的情况下，根底绝缘支撑完成牢靠的通讯。增强型绝缘维护操作人员免于在厂区遭到电击。

在有线通讯网络中，露出在外的衔接器和电缆或许遭受许多苛刻的高压瞬态影响。与变速电力驱动体系的EMC抗扰度要求相关的体系级IEC 61800-3规范，要求最低±4 kV（触摸）/±8 kV（空气）的IEC 61000-4-2 ESD维护。 ADI公司的新一代RS-485收发器 供给高于±8 kV（触摸）/±8 kV（空气）IEC 61000-4-2 ESD维护。

数据线路上的幻象电源

在主操控器和长途CbM传感器节点之间分配电力和数据线路需求选用立异的处理计划来下降电缆本钱。将数据和电力线路交融在单一双绞线上意味着能够大幅节约体系本钱，以及能够在空间有限的终端传感器节点方位选用更小的印刷电路板(PCB)衔接器处理计划。

功率和数据经过电感电容网络散布在双绞线对上。高频数据经过串联电容与数据线路耦合，一起维护RS-485收发器免受直流总线电压影响。主操控器上的电源经过电感器衔接到数据线路，然后运用电缆远端的CbM从传感器节点上的电感器进行滤波。

电缆两头的电感应杰出匹配，以防止发生差分形式噪声，自谐振频率应至少到达10 MHz，防止对ADI公司 新一代振荡丈量体系 的实时突发形式发生搅扰。留意，电源和数据耦合处理计划有必要添加到不需求直流数据内容的数据线路中，例如MOSI或MISO到RS-485的扩展件。

引荐的处理计划和功能取舍

根据所提出的规划考量，以下组件为稳健的有线工业振荡丈量处理计划供给了最佳途径。

◆    ADcmXL3021 ，宽带宽、低噪声、三轴振荡传感器

◆    ADuM5401 / ADuM5402 ，四通道、2.5 kV阻隔器，选用集成DC/DC转化器

◆    ADM3066E ，50 Mbps半双工RS-485收发器

◆    ADM4168E ，30 Mbps双通道RS-422收发器

◆    LTC2858-1 ，20 Mbps全双工RS-485收发器

◆    ADP7104 ，20 V、500 mA、低噪声CMOS LDO稳压器

引荐处理计划

ADcmXL3021 MEMS加速度计关于这三种处理计划都是通用的。这个加速度计具有超低噪声密度(25 µg/√Hz)，支撑超卓的分辨率。ADcmXL3021也具有宽带宽（从直流一直到10 kHz，5%平整度），能够盯梢许多机器平台上的要害振荡特征。ADcmXL3021为客户供给一个经过机械优化的铝封装，能够在广泛的频率规模内供给与集成MEMS传感器的安稳耦合。这就确保了能够牢靠提取和调度从受测设备取得的振荡特征。

ADcmXL3021能够供给SPI输出，能够直接与RS-485/RS-422器材衔接，也能够经过微处理器和/或iCoupler信号和功率阻隔与RS-485/RS-422器材衔接，如图1所示。为了实时监测工业设备上的振荡特征，ADcmXL3021供给实时流传输形式，其作业速率约为12 Mbps SPI。

为了将实时流传输SPI形式衔接到RS-485总线，有必要挑选数据速率超卓的组件。

ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收发器均以20 Mbps及以上的数据速率运转。

关于图1所示的选项1和选项2（能够经由SPI直接与RS-485衔接），ADM3066E和ADM4168E供给一个牢靠的接口，在从机振荡传感器节点完成SPI 3接纳、1发射(3+1)装备。SPI CS接纳信号运用ADM3066E、SPI CLK和MOSI完成，MISO信号运用ADM4168E完成。在实时流传输形式下运转时，ADcmXL3021向主微操控器发送一个中止信号，以在新数据突发能够捕获时进行符号。中止信号(/BUSY)也能够运用ADM4168E传输给主机。

完好的处理计划由主机发送至ADcmXL3021的三个信号（MOSI、CS、CLK），以及从ADcmXL3021发回主机的两个信号（MISO、/BUSY）组成。5×单端信号仅用ADM4168E和ADM3066E两个组件就能够转化为差分信号。差分信号能够运用RJ50衔接器和插头转化，与工业规范RJ45以太网衔接器比较，这两者占用的PCB面积简直相同。ADM3066E和ADM4168E收发器供给大于±8 kV的（触摸）/±8 kV（空气）IEC 61000-4-2 ESD维护，在直接衔接到有线电缆接口时，供给必需的牢靠性。

关于选项3，微操控器能够预先处理ADcmXL3021 SPI输出，也能够在SPI和其他串行接口（例如UART）之间履行协议转化。UART是RS-485接口常用的一种异步协议。UART由发射和接纳信号以及发射使能信号组成，一切这些信号都能够直接衔接到全双工RS-485收发器，例如LTC2858-1。在全双工形式下，LTC2858-1答应一起进行双向数据传输，这与SPI双向数据传输的要求相匹配。该微操控器能够处理同步SPI到异步UART协议的转化。

ADuM5401/ADum5402是业界体积最小的信号和电源阻隔器材。它们包含一个集成式DC/DC转化器，选用5.0 V或3.3 V电压时（5.0V输入电源），可供给最高500 mW调理阻隔功率。

在图1中，选项2包含ADuM5401，它从数据总线获取5 V DC，然后为ADcmXL3021供给3 V阻隔电源。ADuM5401还包含4个信号阻隔通道，选用支撑3+1 SPI阻隔的装备。

图1中的选项3包含ADuM5402，它与ADuM5401类似。要害的差异在于ADuM5402供给2个发射和2个接纳数字阻隔通道。

如前所述，ADuM5401/ADuM5402能够进步有线CbM接口的EMC抗扰度，维护ADcmXL3021免受RS-485电缆接口上的高压搅扰和接地电位差异。

图1.完成牢靠、高度集成、有线MEMS加速度计根据状况监测的处理计划的选项。

功能取舍

表1运用许多要害目标比较了这三种处理计划，包含规划灵活性、PCB面积、处理计划本钱、杂乱性和EMC功能。

在CbM传感器节点集成一个微操控器将添加规划的灵活性，但会增大PCB面积，且添加软件杂乱性。由于主CbM节点将配有一个处理器，这意味着图1中的选项3本质上将是一个双微操控器体系，与主CbM节点上的单个微操控器比较，该体系的发动和运转速度将更慢。

选项1和选项2的规划灵活性较低，可是供给了一种更快速安置的途径，由于它们支撑在RS-485链路上集成杂乱度低且通明的SPI。选项1和选项2还能够选用比选项3体积更小的PCB，这需求额定的PCB区域来敷设微操控器和相关电路（例如，一个时钟振荡器和几个无源组件）。

将iCoupler信号和电源阻隔添加到选项2和选项3会占用最小的PCB面积，且能够进步EMC功能（超越运用RS-485/RS-422收发器的片内维护能够完成的功能）。

表1.CbM选项之间的取舍比较

数据速率较低的处理计划

关于以较低的数据速率（小于2 Mbps）运转的有线运用， LTC4332 SPI扩展器供给了一种代替计划，用于加固主从传感器节点之间的SPI链接。LTC4332能够传输SPI数据，包含经过两条双绞线传输的中止信号。该处理计划能够显着节约本钱，由于与规范处理计划比较，它最多可节约50%的总线线缆。

图2.LTC4332 SPI扩展接口协助节约线缆本钱。

作者简介

Richard Anslow是ADI公司自动化与动力业务部互连运动和机器人团队的体系运用工程师。他的特长范畴是根据状况的监测和工业通讯规划。他具有爱尔兰利默里克大学颁布的工程学士学位和工程硕士学位。

Dara O’Sullivan是ADI公司自动化与动力业务部互连运动和机器人团队的体系运用司理。他的特长范畴是工业运动操控运用的功率转化、操控和监测。他具有爱尔兰科克大学工程学士、工程硕士和博士学位。自2001年起，他便从事研讨、咨询和工业范畴的工业与可再生动力运用方面的作业。