為工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的有線狀態(tài)監(jiān)控

作者：Richard Anslow and Dara O’Sullivan

機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)械（如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)）的狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 記錄與機(jī)器運(yùn)行狀況和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的預(yù)測(cè)性維護(hù)以及優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)性維護(hù)，可降低生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)省成本并提高工廠車間的生產(chǎn)率。

如何實(shí)施有線狀態(tài)監(jiān)控解決方案？

基于狀態(tài)的工業(yè)機(jī)器監(jiān)控可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，例如電氣測(cè)量、振動(dòng)、溫度、油質(zhì)、聲學(xué)和過(guò)程測(cè)量，例如流量和壓力。然而，振動(dòng)測(cè)量是迄今為止最常見的，因?yàn)樗梢蕴峁┳羁煽康?a target="_blank">機(jī)械問(wèn)題指示，如不平衡和軸承故障。本文重點(diǎn)介紹振動(dòng)檢測(cè)的使用，但該方法同樣適用于來(lái)自其他傳感器的數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)到主控制器或云端的傳輸方式高度依賴于應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，一些本地?cái)?shù)據(jù)處理是在邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，匯總數(shù)據(jù)隨后以無(wú)線方式傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，或者直接通過(guò)蜂窩鏈路傳輸?shù)皆苹蚍治龇?wù)器。在這些情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常相當(dāng)?shù)停⑶彝ǔＰ枰凸模驗(yàn)檫吘壒?jié)點(diǎn)可以由電池供電。在其他應(yīng)用中，需要原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸。例如，在分析之前，可能需要對(duì)齊和融合來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。在利用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用中，也需要原始數(shù)據(jù)傳輸。在這些應(yīng)用中，有線接口是更可能的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

工業(yè)應(yīng)用的CbM可以利用ADI公司的優(yōu)化的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)信號(hào)鏈、低功耗微控制器和有線耦合器隔離接口，從遠(yuǎn)程CbM從機(jī)提取、調(diào)理機(jī)器健康數(shù)據(jù)并將其可靠地傳送回主控制器進(jìn)行分析。隨著時(shí)間的推移，機(jī)器健康數(shù)據(jù)可用于創(chuàng)建基于軟件的模型，以確定機(jī)器行為的變化并主動(dòng)維護(hù)機(jī)器健康。在某些應(yīng)用中，例如CNC機(jī)床，數(shù)據(jù)還可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的性能。?

實(shí)施有線CbM接口的挑戰(zhàn)包括：在長(zhǎng)電纜上運(yùn)行時(shí)的EMC魯棒性、以高波特率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性（用于實(shí)時(shí)CbM數(shù)據(jù)流）以及通信物理層/協(xié)議不匹配。ADI公司的信號(hào)鏈和系統(tǒng)級(jí)專業(yè)知識(shí)為實(shí)現(xiàn)有線CbM接口提供了多種可能的選項(xiàng)。

本文（第 1 部分，共 2 部分）介紹 ADI 公司的有線接口解決方案，這些解決方案可縮短客戶設(shè)計(jì)周期和測(cè)試時(shí)間，并加快工業(yè) CbM 解決方案的上市時(shí)間。下一篇文章將重點(diǎn)介紹主控制器和有線CbM從站的詳細(xì)物理層設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

有線 CbM 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)和部署有線狀態(tài)監(jiān)控解決方案需要考慮多個(gè)系統(tǒng)性能因素并進(jìn)行權(quán)衡。

首先，在選擇合適的MEMS加速度計(jì)時(shí)，必須考慮需要測(cè)量的故障類型，以便選擇正確的帶寬和噪聲性能MEMS以滿足系統(tǒng)要求。邊緣節(jié)點(diǎn)處理需要仔細(xì)匹配所選處理器，以確保最大的系統(tǒng)靈活性。

其次，有線CbM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)選擇合適的有線通信協(xié)議和物理層，以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。實(shí)施有線接口需要仔細(xì)考慮EMC性能、數(shù)據(jù)傳輸布線、連接器和布線供電。

選擇合適的MEMS加速度計(jì)

選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器有多個(gè)方面：

軸數(shù)

被監(jiān)控的軸數(shù)通常取決于故障類型和傳感器安裝布置。如果故障具有明顯的主軸，并且該軸上有清晰的傳輸路徑，則單軸傳感器可能就足夠了。三軸檢測(cè)對(duì)于在多個(gè)軸上包含能量的故障或故障能量的傳輸路徑不明確非常有用。

故障類型

被監(jiān)控的故障類型對(duì)傳感器的選擇有重大影響。傳感器噪聲密度和帶寬是這方面的重要規(guī)格，因?yàn)樗鼈儧Q定了可以可靠提取的振動(dòng)水平和頻率范圍。例如，低轉(zhuǎn)速機(jī)器的不平衡和未對(duì)準(zhǔn)故障可能需要低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當(dāng)?shù)?，而齒輪故障檢測(cè)可能需要傳感器中的低噪聲密度和高帶寬規(guī)格。

性能要求

除了故障類型，了解CbM的性能要求也很重要?；窘煌粜蜖顟B(tài)指示器的警報(bào)檢測(cè)需要不同級(jí)別的性能才能進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)測(cè)。這顯然適用于正在部署的分析和算法，但也對(duì)傳感器的選擇產(chǎn)生影響。傳感器在帶寬、噪聲密度和線性度方面的性能水平越高，分析功能就越先進(jìn)。

選擇合適的信號(hào)處理

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)包括：

加速度計(jì)輸出

加速度計(jì)的輸出通常是模擬或串行數(shù)字信號(hào)，通常是SPI。模擬輸出傳感器需要一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換級(jí)，以及一些信號(hào)調(diào)理。這可以是具有前置放大器調(diào)理功能的分立ADC，也可以是微控制器中的嵌入式ADC。

邊緣節(jié)點(diǎn)處理要求

邊緣節(jié)點(diǎn)可能需要一些基本的FFT或信號(hào)處理算法，以減輕數(shù)據(jù)鏈路和/或中央控制器/服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求

ADC或傳感器的輸出通常是SPI接口。這本身并不為數(shù)據(jù)完整性檢查、時(shí)間戳、混合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)等提供任何機(jī)制。在傳輸之前，將傳感器數(shù)據(jù)封裝在邊緣節(jié)點(diǎn)的更高級(jí)別的協(xié)議中可能很有用。這可以增加傳感器接口的魯棒性和靈活性，但在邊緣節(jié)點(diǎn)增加了適當(dāng)處理和打包數(shù)據(jù)流的要求。

有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱模擬對(duì)話文章“為您的應(yīng)用選擇最合適的MEMS加速度計(jì)”。

將加速度計(jì)輸出移植到有線通信總線

如前所述，加速度計(jì)的輸出通常是模擬或串行數(shù)字信號(hào)，通常是SPI。SPI輸出可以本地處理（允許協(xié)議靈活性），然后添加到物理層接口，或直接移植到物理層。

SPI是一種非平衡單端串行接口，用于短距離通信。為了在更長(zhǎng)的距離上將SPI直接移植到物理層，可以使用RS-485線路驅(qū)動(dòng)器和接收器。RS-485信令平衡、差分、固有抗噪聲，并且在長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度上具有魯棒性。

在SPI主機(jī)和從站之間較長(zhǎng)距離使用SPI時(shí)，存在一些挑戰(zhàn)。SPI本質(zhì)上是同步的，時(shí)鐘（SCLK）由SPI主機(jī)啟動(dòng)。SPI數(shù)據(jù)線——主輸出從輸入（MOSI）和主輸入從輸出（MISO）——與SCLK同步，在短距離內(nèi)可靠地實(shí)現(xiàn)。SPI還具有有源、低使能片選（CS）信號(hào)，如果需要，允許單個(gè)從機(jī)尋址。

在長(zhǎng)距離電纜中，SCLK信號(hào)將通過(guò)電纜產(chǎn)生傳播延遲，對(duì)于100米電纜，大約為500 ns。對(duì)于 MOSI 數(shù)據(jù)傳輸，MOSI 和 SCLK 通過(guò)電纜同樣延遲。但是，從從MISO發(fā)送到主站的數(shù)據(jù)將因電纜傳播延遲的兩倍而不同步。

為了恢復(fù)主機(jī)和從機(jī)之間的同步性，可以將時(shí)鐘信號(hào)從從機(jī)饋送回主站，或者使用時(shí)鐘相移補(bǔ)償主微控制器中的電纜延遲。時(shí)鐘的相移必須與系統(tǒng)的總延遲相匹配。AN-1397 提供主微控制器延遲補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

有線通信物理層

長(zhǎng)距離通信時(shí)，需要強(qiáng)大的物理層。如前所述，RS-485信令具有平衡性、差分性和固有的抗噪聲性。系統(tǒng)噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。一個(gè)信號(hào)發(fā)出與另一個(gè)信號(hào)相反的信號(hào)，耦合到RS-485總線上的電磁場(chǎng)相互抵消。這減少了系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）。使RS-485成為CbM系統(tǒng)理想的其他關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括：

更高的數(shù)據(jù)速率，在較短的電纜長(zhǎng)度（小于 100 米）上高達(dá) 50 Mbps

在較低的數(shù)據(jù)速率下使用長(zhǎng)達(dá) 1000 m 的電纜

全/半雙工RS-485和RS-422多驅(qū)動(dòng)器/接收器對(duì)可以使用最少的元件數(shù)將雙向SPI轉(zhuǎn)換為RS-485總線信號(hào)

寬共模輸入范圍允許主機(jī)和從機(jī)之間的接地電位差。

有線接口的 EMC 性能

在長(zhǎng)距離電纜傳輸中，通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到諸如大共模噪聲、接地電位差和高壓瞬變等危害的影響。

傳導(dǎo)和輻射噪聲源會(huì)影響沿 100 m 電纜長(zhǎng)度的通信可靠性。通過(guò)使用ADI公司的i耦合器芯片級(jí)變壓器隔離技術(shù)，可以提高對(duì)這些噪聲源的抗擾度。AN-1398總結(jié)了使用i耦合器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的對(duì)常見工業(yè)瞬變的抗擾度。

共模瞬變抗擾度（CMTI）是隔離器抑制高壓/高壓擺率噪聲瞬變并保持無(wú)差錯(cuò)通信的能力。信號(hào)和 iso電源隔離設(shè)備?提供 25 kV/μs 的最小共模瞬態(tài)抗擾度，并且還可以承受高達(dá) 100 kV/μs 的最大抗擾度，而不會(huì)永久閂鎖或損壞。

在工廠自動(dòng)化環(huán)境中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常無(wú)法控制為其通信網(wǎng)絡(luò)供電的電氣裝置。最佳做法是假設(shè)存在接地電位差。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)百伏的地電位差。RS-485通信節(jié)點(diǎn)需要電氣隔離的電源和數(shù)據(jù)線才能在這些環(huán)境中可靠運(yùn)行。信號(hào)和 iso電源隔離器件提供 600 V 峰值（基本）或 353 V 峰值（增強(qiáng)）的最大連續(xù)工作電壓?；窘^緣可在存在較大接地電位差的情況下實(shí)現(xiàn)可靠通信。加強(qiáng)絕緣層可保護(hù)操作員免受工廠車間的電擊事件的影響。

在有線通信網(wǎng)絡(luò)中，裸露的連接器和電纜可能會(huì)受到許多苛刻的高壓瞬變的影響。與可調(diào)速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)要求至少需要±4 kV接觸/ ±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADI公司的下一代RS-485收發(fā)器提供大于±8 kV觸點(diǎn)/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。

數(shù)據(jù)線幻象電源

在主控制器和遠(yuǎn)程CbM傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配電源和數(shù)據(jù)線需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)降低電纜成本。將數(shù)據(jù)和電源結(jié)合在單雙絞線上意味著顯著節(jié)省系統(tǒng)成本，并在空間受限的邊緣傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)更小的印刷電路板 （PCB） 連接器解決方案。

電源和數(shù)據(jù)使用電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在雙絞線上。高頻數(shù)據(jù)通過(guò)串聯(lián)電容器耦合到數(shù)據(jù)線，這也保護(hù)RS-485收發(fā)器免受直流總線電壓的影響。電源通過(guò)連接到數(shù)據(jù)線的電感器連接到主控制器，然后使用電纜遠(yuǎn)端CbM從傳感器節(jié)點(diǎn)上的電感濾除電源。

電纜兩端的電感應(yīng)匹配良好，以避免差模噪聲，自諧振頻率應(yīng)至少為10 MHz，以避免干擾ADI公司下一代振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)突發(fā)模式。請(qǐng)注意，電源和數(shù)據(jù)耦合解決方案必須添加到不需要直流數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)線中，例如MOSI或MISO到RS-485擴(kuò)展。

推薦的解決方案和性能權(quán)衡

根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)考慮因素，以下組件為穩(wěn)健的有線工業(yè)振動(dòng)測(cè)量解決方案提供了最佳路徑。

ADcmXL3021，寬帶寬、低噪聲、三軸振動(dòng)傳感器

ADuM5401/ADuM5402，四通道、2.5 kV隔離器，集成DC-DC轉(zhuǎn)換器

ADM3066E，50 Mbps半雙工RS-485收發(fā)器

ADM4168E，30 Mbps雙通道RS-422收發(fā)器

LTC2858-1、20 Mbps全雙工RS-485收發(fā)器

ADP7104， 20 V， 500 mA， 低噪聲， CMOS LDO穩(wěn)壓器

推薦的解決方案

ADcmXL3021 MEMS加速度計(jì)適用于所有三種解決方案。該加速度計(jì)具有超低噪聲密度（25 μg/√Hz），支持出色的分辨率。ADcmXL3021還具有寬帶寬（直流至10 kHz，平坦度為5%），可在許多機(jī)器平臺(tái)上跟蹤關(guān)鍵振動(dòng)特征。ADcmXL3021為客戶提供機(jī)械優(yōu)化的鋁制封裝，可在寬頻率范圍內(nèi)與集成的MEMS傳感器一致耦合。這可確保可靠地提取和調(diào)節(jié)來(lái)自被測(cè)設(shè)備的振動(dòng)特征。

ADcmXL3021提供SPI輸出，可以直接連接到RS-485/RS-422器件，也可以通過(guò)微處理器和/或i耦合器信號(hào)和電源隔離間接連接到RS-485/RS-422器件，如圖1所示。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)設(shè)備上的振動(dòng)特征，ADcmXL3021包括實(shí)時(shí)流模式，其工作速率約為12 Mbps SPI。

圖1.穩(wěn)健、高度集成的有線MEMS加速度計(jì)狀態(tài)監(jiān)控解決方案選項(xiàng)。

要將實(shí)時(shí)流SPI模式連接到RS-485總線，必須選擇具有重要數(shù)據(jù)速率能力的組件。ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收發(fā)器均以20 Mbps及以上的數(shù)據(jù)速率工作。

對(duì)于圖1所示的選項(xiàng)1和選項(xiàng)2，通過(guò)SPI直接連接到RS-485，ADM3066E和ADM4168E提供了一個(gè)可靠的接口，用于從振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)SPI 3接收、1發(fā)送（3+1）配置。SPI CS接收信號(hào)使用ADM3066E實(shí)現(xiàn)，SPI CLK、MOSI和MISO信號(hào)使用ADM4168E實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)流模式下運(yùn)行時(shí)，ADcmXL3021向主微控制器發(fā)送中斷信號(hào)，以標(biāo)記何時(shí)有新的數(shù)據(jù)突發(fā)可供捕獲。中斷信號(hào)（/BUSY）也可以使用ADM4168E傳輸?shù)街鳈C(jī)。

完整的解決方案包括從主站發(fā)送到ADcmXL3021的三個(gè)信號(hào)（MOSI、CS、CLK）和兩個(gè)從ADcmXL3021發(fā)送回主站的信號(hào)（MISO、/BUSY）。5×單端信號(hào)只需使用兩個(gè)元件（ADM4168E和ADM3066E）即可轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。使用RJ50連接器和插頭可以容納差分信號(hào)，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45以太網(wǎng)連接器相比，它們消耗的PCB面積幾乎相同。ADM3066E和ADM4168E收發(fā)器提供大于±8 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)，在直接連接到有線電纜接口時(shí)具有出色的魯棒性。

對(duì)于選項(xiàng)3，微控制器允許對(duì)ADcmXL3021 SPI輸出進(jìn)行預(yù)處理，并可以在SPI和其他串行接口（如UART）之間執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。UART是一種常用的異步協(xié)議，帶有RS-485接口。UART 由發(fā)送和接收信號(hào)以及發(fā)射使能信號(hào)組成，所有這些信號(hào)均可直接連接到全雙工 RS-485 收發(fā)器，例如 LTC2858-1。在全雙工模式下，LTC2858-1 允許同時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足了對(duì) SPI 雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。微控制器可以處理同步SPI到異步UART協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

ADuM5401/ADum5402是業(yè)界尺寸最小的信號(hào)和電源隔離器件。它們包括一個(gè)集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，可通過(guò)5.0 V輸入電源在5.0 V或3.3 V下提供高達(dá)500 mW的穩(wěn)壓隔離電源。

在圖1中，選項(xiàng)2包括ADuM5401，它從數(shù)據(jù)總線獲取5 V直流電，為ADcmXL3021提供3 V隔離電源。ADuM5401還包括4通道信號(hào)隔離，配置適合3+1 SPI隔離。

圖1中的選項(xiàng)3包含ADuM5402，與ADuM5401類似。主要區(qū)別在于ADuM5402提供2個(gè)發(fā)送和2個(gè)接收數(shù)字隔離通道。

如前所述，ADuM5401/ADuM5402提高了有線CbM接口的EMC抗擾度，保護(hù)ADcmXL3021免受高壓干擾和RS-485電纜接口上的地電位差的影響。

性能權(quán)衡

表1使用許多關(guān)鍵指標(biāo)比較了這三種解決方案，包括設(shè)計(jì)靈活性、PCB面積、解決方案成本、復(fù)雜性和EMC性能。

在CbM傳感器節(jié)點(diǎn)上集成微控制器將提高設(shè)計(jì)靈活性，但代價(jià)是PCB面積增加和軟件復(fù)雜性增加。由于主CbM節(jié)點(diǎn)將有一個(gè)處理器，這意味著圖1中的選項(xiàng)3本質(zhì)上是一個(gè)雙微控制器系統(tǒng)，與主CbM節(jié)點(diǎn)上的單個(gè)微控制器相比，其啟動(dòng)和運(yùn)行速度較慢。

選項(xiàng) 1 和選項(xiàng) 2 提供較低的設(shè)計(jì)靈活性，但提供了更快速部署的途徑，因?yàn)樗鼈兛梢源龠M(jìn)低復(fù)雜度、透明的 SPI 到 RS-485 鏈路。與選項(xiàng) 3 相比，選項(xiàng) 1 和選項(xiàng) 2 還提供了實(shí)現(xiàn)更小 PCB 外形尺寸的途徑，后者需要為微控制器和相關(guān)電路（例如，時(shí)鐘振蕩器和多個(gè)無(wú)源元件）提供額外的 PCB 面積。

在選項(xiàng) 2 和選項(xiàng) 3 中添加 i耦合器信號(hào)和電源隔離，可對(duì) PCB 面積造成最小的損失，并且比使用 RS-485/RS-422 收發(fā)器進(jìn)行片上保護(hù)時(shí)提高 EMC 性能。

低數(shù)據(jù)速率解決方案

對(duì)于以較低數(shù)據(jù)速率（小于2 Mbps）運(yùn)行的有線應(yīng)用，LTC4332 SPI擴(kuò)展器提供了一種替代方案，用于加固主從傳感器節(jié)點(diǎn)之間的SPI鏈路。LTC4332 能夠傳輸 SPI 數(shù)據(jù)，包括通過(guò)兩條雙絞線電纜傳輸一個(gè)中斷信號(hào)。該解決方案可顯著節(jié)省成本，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，可使用的總線布線最多可減少 50%。

圖2.LTC4332 SPI 擴(kuò)展器接口可節(jié)省電纜成本。

審核編輯：郭婷