为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控 <第一部

来源:未知 作者:s11干式变压器报价 时间:2020-07-09 16:59 点击量:

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基于状况的监控对于实现工业4.0至关主要

当局行动(例如德国的工业4.0和中国的中国制造2025)正在加速制造业朝向遍及收集主动化成长的趋势。此外,智能传感器系统正在提高主动化水平,供应更多的数据来监测和掌握生产过程。稀奇是,中国制造2025旨在快速成长包孕电动汽车、新一代信息手艺(IT)和电信、先辈机械人和人工智能在内的高科技家产。有了更先辈的系统之后,就需要采用更先辈的方式来确保系统的靠得住性。

对机械人和扭转机械(例如涡轮机、电扇、泵和电机)实施的基于状况的监控会记录与机械的健康和机能相关的实时数据,以便有针对性地实施展望维护和优化节制。在机械生命周期的早期进行有针对性的猜测维护,或许削减生产停机的风险,从而提高靠得住性、显著节约成本和提高工场的生产率。

若何实施基于状况的有线监控解决方案?

要对工业机械实施基于状况的监控,或许行使一系传记感器数据,如电气测量、振动、温度、油品质量、声学和流程测量(如流量和压力)。然则,振动测量是今朝最常见的,因为它或许最靠得住地指示出机械问题,例如不服衡和轴承故障。本文首要研究振动传感的应用,但该方式同样适用于来自其他传感器的数据。

这种传输意味着未来自感测节点的传感器数据发送至主掌握器或者云高度依靠应用。在很多应用中,一些当地数据会在终端节点处理,汇总数据随后过程无线体式发送至收集网关,或者直接过程蜂窝链路发送至云或阐明办事器。在这些情形下,传输的数据量平日都相当低,并且因为终端节点是由电池供电,所有每每要求连结低功耗。在其他应用中,需要进行原始传感器数据传输。例如,在阐发之前可能需要对来自多个传感器的数据进行调整和融合。在使用数据进行实时掌握的应用中,也需要进行原始数据传输。在这些应用中,更可能采用有线接口作为数据传输解决方案。

工业应用的CbM能够使用ADI公司颠末优化的微机电系统(MEMS)加快度计、低功耗微节制器和有线iCoupler®隔离接口旌旗链来提取、调整来自长途CbM从机的机械健康状况数据,并将其靠得住回传至主掌握器进行阐发。跟着时间的推移,能够使用机械健康数据建立基于软件的模型来确定机械行为的改变,并自动维护机械健康。在一些应用中,如数控机床,数据也或许用来实时优化系统机能。

实现有线CbM接口的挑战包罗:在长电缆上运行时EMC的稳健性、以高波特率传输时数据的完整性(用于实时传输CbM数据流),以及通信物理层/同意的不匹配。ADI公司的灯号链和系统级专业常识为实现有线CbM接口供给了几种可能的选择。

本文分两个部门,第一部门介绍了ADI公司的有线接口解决方案,该方案接济客户缩短设计周期和测试时间,让工业CbM解决方案更快地进入市场。下一篇文章重点介绍具体的物理层设计考量身分,包罗主掌握器和有线CbM从节制器。

有线CbM设计实现

设计和布置基于状况的有线监控解决方案需要考量多个系统机能身分,并进行衡量弃取。

首先,在选择合适的MEMS加快度计时,必需考虑需要测量的故障类型,从而选择合适的带宽和噪声机能MEMS来知足系统的要求。边缘节点处理需要细心匹配所选的处理器,以确保最高的系统天真性。

其次,有线CbM系统的设计需要精心选择合适的有线通信同意和物理层,以实现高速实时数据传播输。实现有线接口需要细心考虑EMC机能、数据传输电缆、毗邻器和电缆上的电源传输。

选择合适的MEMS加快度计

选择合适的MEMS振动传感器涵盖几个方面:

轴数

被监测的轴数平日与故障类型和传感器的安装安置呈函数关系。若是能显着看出故障涉及一个主导轴,而且在该轴上有一个清楚的传输路径,那么采用单轴传感器就足够了。三轴传感对于多轴中包含能量的故障或故障能量传输路径不明确的故障是有效的。

故障类型

被监测的故障类型对传感器选择有主要影响。传感器的噪声密度和带宽是这方面的主要指标,因为它们决议了可以靠得住提取的振动水安然频率规模。例如,对于低转速机械的不屈衡和失调故障,可能需要一个低噪声密度传感器,但带宽要求相当低,而齿轮故障检测需要传感器兼具低噪声密度和高带宽。

机能要求

除了故障类型外,领会CbM的机能要求也很主要。对根基交通灯类型的状况指示器实施报警检测,需要经由分歧水平的机能来进行复杂的展望。这显然适用于正在布置的阐发和算法,但也会影响传感器的选择。传感器在带宽、噪声密度和线性度方面的机能水平越高,阐明能力就越强。

选择合适的旌旗处理

设计考量身分包罗:

加快度计输出

加快度计的输出普通是模拟或串行数字旌旗,凡是是SPI。模拟输出传感器将需要一个数字转换阶段,也需要进行一些灯号疗养。这或许是一个支撑前置放大器疗养的分立ADC,也能够是微掌握器中的嵌入式ADC。

边缘节点处理要求

为了减轻数据链路和/或中央节制器/办事器的肩负,边缘节点上可能需要一些根基的FFT或旌旗处理算法。

数据传输和谈要求

ADC或传感器的输出每每是SPI接口。它自己并不供给任何机制用于实施数据完整性查抄、确准时间戳、夹杂来自分歧传感器的数据等。在传输之前,将传感器数据封装在边缘节点的高级和议中是非常有效的。这能够提高传感器接口的稳健性和灵动性,然则要求在边缘节点上稳健处理和封装数据流。

将加快度计输出移植到有线通信总线

如前所述,加快度计的输出一样是模拟或串行数字旌旗,凡是是SPI。SPI输出能够在内陆处理(许可同意天真性),然后添加到物理层接口,或者直接移植到物理层。

SPI是一个不屈衡的单端串行接口,用于短距离通信。要在更长的距离内直接将SPI移植到物理层,需要使用RS-485线路驱动器和领受器。RS-485旌旗传输是均衡的差分式传输,自己便能抗干扰,且过程长线缆长度时具有稳健性。

在SPI主机和从机之间的较长距离上使用SPI时,存在一些挑战。SPI从素质上是同步的,具有一个由SPI主机启动的时钟(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,在短距离局限内这是或许实现的。SPI还有一个有效的、低使能芯片选择(CS)灯号,假如需要,它许可零丁的从机寻址。

为了恢复主机和从机之间的同步,能够未来自从机的时钟旌旗反馈给主机,或者使用时钟相移赔偿主节制器的电缆延迟。时钟的相移必需与系统的总延迟匹配。AN-1397供给主微掌握器延迟抵偿的实现细节。

有线通信物理层

进行长距离通信时,需要采用稳健靠得住的物理层。如前所述,RS-485旌旗传输是均衡的差分式传输,自己便能抗干扰。系统噪声均等地耦合到RS-485双绞线电缆中的每条导线。一个旌旗的发射与另一个旌旗相反,耦合到RS-485总线的电磁场彼此抵消。这降低了系统的电磁干扰(EMI)。让RS-485非常适合CbM系统的一些额外环节长处包孕:

u 更高的数据速度,电缆长度较短(小于100米)时可达50 Mbps

u 数据速度较低时,线缆长度可达1000米

u 全/半双工RS-485和RS-422多驱动器/领受器对能够使用最小量的组件,将双向SPI转换为RS-485总线旌旗

u 较宽的共模输入局限答应主机和从机之间具备接地电位差别

u

有线接口的EMC机能

在长电缆中传输时,通信收集可能会受到风险影响,例如较大的共模噪声、接地电位不同和高压瞬态。

传导和辐射噪声源可影响100米线缆长度内的通信靠得住性。采用ADI公司的iCoupler芯片级变压器隔离手艺或许提高对这些噪声源的抗干扰能力。AN-1398概述了使用iCoupler手艺或许实现的对常见工业瞬态的反抗力。

在工场主动化情况中,系统设计人员每每无法掌握供应通信收集的电气装配。最好的做法是假定存在接地电位差别。在活动节制系统中,可能会发生数百伏的接地电位差别。RS-485通信节点需要电流隔离电源和数据线路能在这些情况中靠得住地运行。灯号和isoPower隔离器件供应峰值可达600 V(根基)或353 V(加强型)的最大继续工作电压。在存在较大接地电位不同的情形下,根本绝缘支撑实现靠得住的通信。增加型绝缘珍爱操作人员免于在厂区受到电击。

在有线通信收集中,露出在外的毗邻器和电缆可能蒙受很多严苛的高压瞬态影响。与变速电力驱动系统的EMC抗扰度要求相关的系统级IEC 61800-3尺度,要求最低±4 kV(接触)/±8 kV(空气)的IEC 61000-4-2 ESD珍爱。ADI公司的新一代RS-485收发器供应高于±8 kV(接触)/±8 kV(空气)IEC 61000-4-2 ESD回护。

数据线路上的幻象电源

在主掌握器和长途CbM传感器节点之间安排电力和数据线路需要采用立异的解决方案来降低电缆成本。将数据和电力线路融合在单一双绞线上意味着能够大幅节约系统成本,以及或许在空间有限的终端传感器节点位置采用更小的印刷电路板(PCB)毗邻器解决方案。

功率和数据经由电感电容收集分布在双绞线对上。高频数据经由串联电容与数据线路耦合,同时珍爱RS-485收发器免受直流总线电压影响。主节制器上的电源经由电感器毗邻到数据线路,然后使用电缆远端的CbM从传感器节点上的电感器进行滤波。

电缆两头的电感应优秀匹配,以避免发生差分模式噪声,自谐振频率应至少达到10 MHz,避免对ADI公司新一代振动测量系统的实时突发模式发生干扰。留意,电源和数据耦合解决方案必需添加到不需要直流数据内容的数据线路中,例如MOSI或MISO到RS-485的扩展件。

保举的解决方案和机能弃取

基于所提出的设计考量,以下组件为稳健的有线工业振动测量解决方案供应了最佳路径。

u ADcmXL3021,宽带宽、低噪声、三轴振动传感器

u ADuM5401/ADuM5402,四通道、2.5 kV隔离器,采用集成DC/DC转换器

u ADM3066E,50 Mbps半双工RS-485收发器

u ADM4168E,30 Mbps双通道RS-422收发器

u LTC2858-1,20 Mbps全双工RS-485收发器

u ADP7104,20 V、500 mA、低噪声CMOS LDO稳压器

介绍解决方案

ADcmXL3021 MEMS加快度计对于这三种解决方案都是通用的。这个加快度计具备超低噪声密度(25 µg/√Hz),支撑超卓的分辨率。ADcmXL3021也具备宽带宽(从直流一向到10 kHz,5%平展度),或许跟踪很多机械平台上的环节振动特征。ADcmXL3021为客户供应一个经由机械优化的铝封装,能够在普遍的频率规模内供应与集成MEMS传感器的不变耦合。这就包管了能够靠得住提取和调治从受测设备获得的振动特征。

ADcmXL3021或许供应SPI输出,或许直接与RS-485/RS-422器件毗邻,也能够过程微处理器和/或iCoupler旌旗和功率隔离与RS-485/RS-422器件毗连,如图1所示。为了实时监测工业设备上的振动特征,ADcmXL3021供应实时撒布输模式,其工作速度约为12 Mbps SPI。

工业4.0

为了将实时传播输SPI模式毗邻到RS-485总线,必需选择数据速度超卓的组件。

ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收发器均以20 Mbps及以上的数据速度运行。

对于图1所示的选项1和选项2(能够经由SPI直接与RS-485毗邻),ADM3066E和ADM4168E供应一个靠得住的接口,在从机振动传感器节点实现SPI 3领受、1发射(3+1)设置。SPI CS领受旌旗使用ADM3066E、SPI CLK和MOSI实现,MISO旌旗使用ADM4168E实现。在实时传播输模式下运行时,ADcmXL3021向主微掌握器发送一个中止旌旗,以在新数据突发能够捕捉时进行标记。中止灯号(/BUSY)也能够使用ADM4168E传输给主机。

完整的解决方案由主机发送至ADcmXL3021的三个灯号(MOSI、CS、CLK),以及从ADcmXL3021发还主机的两个旌旗(MISO、/BUSY)构成。5×单端灯号仅用ADM4168E和ADM3066E两个组件就能够转换为差分旌旗。差分灯号能够使用RJ50毗邻器和插头转换,与工业尺度RJ45以太网毗连器比拟,这两者占用的PCB面积几乎不异。ADM3066E和ADM4168E收发器供应大于±8 kV的(接触)/±8 kV(空气)IEC 61000-4-2 ESD珍爱,在直接毗连到有线电缆接口时,供给必需的靠得住性。

对于选项3,微节制器能够预先处理ADcmXL3021 SPI输出,也能够在SPI和其他串行接口(例如UART)之间执行和谈转换。UART是RS-485接口常用的一种异步和谈。UART由发射和领受灯号以及发射使能灯号构成,所有这些旌旗都或许直接毗连到全双工RS-485收发器,例如LTC2858-1。在全双工模式下,LTC2858-1许可同时进行双向数据传输,这与SPI双向数据传输的要求相匹配。该微掌握器能够处理同步SPI到异步UART和谈的转换。

ADuM5401/ADum5402是业界体积最小的旌旗和电源隔离器件。它们包含一个集成式DC/DC转换器,采用5.0 V或3.3 V电压时(5.0V输入电源),可供应最高500 mW调节隔离功率。

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供应3 V隔离电源。ADuM5401还包罗4个旌旗隔离通道,采用支撑3+1 SPI隔离的摆设。

图1中的选项3包含ADuM5402,它与ADuM5401相似。枢纽的区别在于ADuM5402供应2个发射和2个领受数字隔离通道。

如前所述,ADuM5401/ADuM5402能够提高有线CbM接口的EMC抗扰度,珍爱ADcmXL3021免受RS-485电缆接口上的高压干扰和接地电位差别。

机能弃取

表1.CbM选项之间的弃取对照

解决方案选项    设计矫捷性    PCB面积    解决方案成本    复杂性/集成度    EMC机能

1    低    低    低    低    中

2    低    低/中    低/中    低    高

3    高    中    中    中    高

表1使用很多环节指标计较了这三种解决方案,包罗设计天真性、PCB面积、解决方案成本、复杂性和EMC机能。

在CbM传感器节点集成一个微掌握器将增加设计的天真性,但会增大PCB面积,且增加软件复杂性。因为主CbM节点将配有一个处理器,这意味着图1中的选项3素质大将是一个双微节制器系统,与主CbM节点上的单个微节制器比拟,该系统的启动和运行速度将更慢。

选项1和选项2的设计天真性较低,可是供应了一种更快速摆设的路径,因为它们支撑在RS-485链路上集成复杂度低且透亮的SPI。选项1和选项2还或许采用比选项3体积更小的PCB,这需要额外的PCB区域来敷设微掌握器和相关电路(例如,一个时钟振荡器和几个无源组件)。

将iCoupler灯号和电源隔离添加到选项2和选项3会占用最小的PCB面积,且能够提高EMC机能(高出使用RS-485/RS-422收发器的片内珍爱或许实现的机能)。

工业4.0

图2.LTC4332 SPI扩展接口匡助节约线缆成本。

数据速度较低的解决方案

对于以较低的数据速度(小于2 Mbps)运行的有线应用,LTC4332 SPI扩展器供应了一种替代方案,用于加固主从传感器节点之间的SPI链接。LTC4332或许传输SPI数据,包罗过程两条双绞线传输的间断灯号。该解决方案或许显著节约成本,因为与尺度解决方案比拟,它最多可节约50%的总线线缆。

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