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新單對以太網技術：狀態檢測場景中的進行高質量資產健康探測以及供電的2線制技術

2020-12-28 13:45:33 ADI公司戰略營銷經理 Maurice O’Brien

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隨著設備制造商希望通過實時監控設備來提高資產利用率、延長設備的使用壽命，以及通過采用預測性維護技術來降低維護成本和設備停機時間，從而提高設備的吞吐量，狀態監控應用變得越來越重要。狀態監控也被用于提升制造質量和制造工廠的安全性。

鑒于計劃外停機的成本可能占總制造成本的近四分之一，所以采用預測性維護有望大幅節省成本并提高生產力。關注狀態監控的工業市場報告顯示，這個市場的復合年均增長率預計在25%至40%之間，主要受兩大增長領域推動。第一，是增加智能傳感器的部署數量，用于監測資產的運行狀況；第二，是加大人工智能和高級分析的使用，將資產運行狀況數據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。新型狀態監控的部署增長涉及各種行業，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。在這些行業中，狀態監控應用不再局限于傳統的旋轉設備應用（泵、壓縮機和風機），而是擴展到適合CNC機床、機床、編碼器、傳送帶、機器人和儀器儀表等新應用。要使狀態監控應用不斷得到發展，需要解決的一個關鍵挑戰是，實現智能傳感器與更高級別的管理系統之間的連接，后者根據從被監控的資產獲取的信息實施操作。

圖1：狀態監控應用

截止目前，狀態監控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，但帶寬和/或電池壽命通常受到限制。有線連接解決方案有時受到數據帶寬限制，在惡劣的工業環境下無法支持長距離傳輸，且通常需要采用單獨的電源線。基于100BASE-TX/10BASE-T的現有的工業以太網解決方案通過帶PoE的CAT-5或CAT-6/e電纜提供高達100-Mb速率的高數據帶寬，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。狀態監控應用需要能夠支持潛在的遠程傳感器，這些傳感器需要在一個空間和功率受限的IP66/67外殼中進行遠程通信，因為該外殼被部署在惡劣的工業環境中。這些受限的傳感器節點應用需要采用一種低功耗、高數據帶寬的通信解決方案，通過一根低成本、易于安裝的電纜（采用小型電纜接頭）將電能和數據傳輸到傳感器節點。

由IEEE制定的新單對以太網(SPE)物理層標準為傳輸資產運行狀況信息，實施狀態監控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認證的新以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現場級器件的無縫以太網連接顯著提高工廠運營效率，變革自動化行業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制現場使用以太網的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線、距離、數據島以及本質安全0區（危險區域）應用。通過解決后裝升級以及前裝安裝的挑戰，10BASE-T1L將有助于獲得以前無法獲取的新資產運行狀況信息，并將它們無縫傳送給控制層、云/私人服務器。這些新的見解將通過從現場資產到云或私人服務器的融合以太網網絡（請參見圖2），讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。

而10BASE-T1L無需采用傳統通信用于連接至控制和管理網絡的耗電復雜網關，可跨信息技術(IT)和操作技術(OT)網絡使能融合以太網網絡。通過此融合網絡，可簡化安裝和器件更換，加快網絡調試和配置。最終將加快軟件更新，簡化根本原因分析和現場級資產維護。10BASE-T1L物理層與消息傳輸協議(MQTT)融合，為現場資產提供消息傳輸協議，其中，低功耗智能傳感器僅占用少量內存空間。MQTT將資產運行狀況信息直接與云或私人服務器連接，以實施高級數據分析，進而采用預測性維護技術。

要與支持10BASE-T1L的現場資產通信，需要具有集成介質訪問控制(MAC)的主機處理器、無源介質轉換器或具有10BASE-T1L端口的交換機。無需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅動程序（請參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優勢：

圖2：融合IT/OT網絡上的資產運行狀況信息

圖3：采用10BASE-T1L PHY的現場資產、智能傳感器連接

10BASE-T1L是一種功耗極低的物理層技術，可以采用高數據帶寬連接解決方案實現極低功耗的智能傳感器部署。
通過10BASE-T1L連接的智能傳感器可通過網絡訪問，并可隨時隨地遠程更新。傳感器變得越來越復雜，軟件也更有可能更新。現在，通過快速以太網連接，可在現實時間段內做到這一點。
訪問高級以太網網絡診斷工具簡化根本原因分析。
通過單條長達或超過1千米的雙絞線（在單條雙絞線上同時傳輸功率和數據），提高智能傳感器安裝的靈活性。
現在，通過在現場資產上運行的網絡服務器，我們可以遠程獲取并隨時隨地訪問資產運行狀況信息，使得維護人員無需再“四處走動”來監控資產運行狀況，幫助大幅節省了成本。

ADIN1100（ADI的10BASE-T1L PHY）可以在超過1200米長的單條雙絞線上實現更低功耗的以太網連接，其功耗僅為39 mW。采用10BASE-T1L之后，可在單條雙絞線上同時提供功率和數據。10-Mb數據帶寬通信鏈路可在同一條電纜上傳輸大量功率，為現場資產提供智能傳感器、功率和連接帶寬，以實現新型狀態監控應用。采用10BASE-T1L連接之后，獲取資產運行狀況信息變得更加容易，因為這些信息現在可通過融合IT/OT以太網網絡獲取。10BASE-T1L可在危險區域內使用（本質安全區域0），用于實施過程自動化部署，有時候被稱為以太網APL。10BASE-T1L/以太網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能傳感器連接到用于實施AI和高級分析的高級數據管理系統，從而將資產運行狀況數據轉換為可操作的信息，以部署新的預測維護服務。

圖4：ADI公司，狀態監控功能

ADI公司為狀態監控應用提供完整的系統級解決方案，實現對現場資產的實時監控。ADI致力于利用在檢測、信號處理、連接、機械封裝技術和AI等領域數十年的經驗，實現下一代狀態監控應用。ADI OtoSense™是一款AI驅動的平臺，能夠實時傳感和解譯聲音、振動、壓力、電流或溫度等信息，用于連續狀態監控和按需診斷，以在各級客戶系統中實現AI集成。它可以實時在終端上的現場資產上運行（在線和離線），以對現場資產實施持續狀態監控。ADI OtoSense™可以自行檢測異常，通過與狀態監控領域專家交互不斷學習，可創建數字指紋以幫助識別故障，并可以提早預測故障，從而避免發生代價高昂的停機、損壞或重大故障。

將ADI在檢測、信號鏈和系統設計考量等方面的深厚領域知識與我們的AI檢測和解譯平臺融合，幫助客戶更快部署新狀態監控系統；通過訪問更高質量的數據和信息，從他們的狀態監控解決方案中獲取更多價值；改善客戶的制造工藝，延長設備的現場使用壽命，減少意外停機時間，同時保持最高水平的質量和安全。ADI的狀態監控系統級解決方案提供技術和信息，為部署的設備創建新的、高價值的預測性維護服務產品。

作者簡介
Maurice O’ Brien是ADI公司工業自動化部的戰略營銷經理。他負責交付以工業自動化為重點的系統級解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業以太網領域工作了3年，在電源管理應用和營銷領域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學的電子工程學士學位。