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作者：ADI公司 Richard Anslow 和 Dara O’Sullivan
基于狀態的監控對于實現工業4.0至關重要
政府舉措（例如德國的工業4.0和中國的中國制造2025）正在加快制造業朝向普遍網絡自動化發展的趨勢。此外，智能傳感器系統正在提高自動化程度，提供更多的數據來監測和控制生產過程。特別是，中國制造2025旨在快速發展包括電動汽車、新一代信息技術（IT）和電信、先進機器人和人工智能在內的高科技產業。有了更先進的系統之后，就需要采用更先進的方法來確保系統的可靠性。
對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風扇、泵和電機）實施的基于狀態的監控會記錄與機器的健康和性能相關的實時數據，以便有針對性地實施預測維護和優化控制。在機器生命周期的早期進行有針對性的預測維護，可以減少生產停機的風險，從而提高可靠性、顯著節約成本和提高工廠的生產率。
如何實施基于狀態的有線監控解決方案？
要對工業機器實施基于狀態的監控，可以利用一系列傳感器數據，如電氣測量、振動、溫度、油品質量、聲學和流程測量（如流量和壓力）。但是，振動測量是目前最常見的，因為它可以最可靠地指示出機械問題，例如不平衡和軸承故障。本文主要研究振動傳感的應用，但該方法同樣適用于來自其他傳感器的數據。
這種傳輸意味著將來自感測節點的傳感器數據發送至主控制器或者云高度依賴應用。在許多應用中，一些本地數據會在終端節點處理，匯總數據隨后通過無線方式發送至網絡網關，或者直接通過蜂窩鏈路發送至云或分析服務器。在這些情況下，傳輸的數據量通常都相當低，而且因為終端節點是由電池供電，所有通常要求保持低功耗。在其他應用中，需要進行原始傳感器數據傳輸。例如，在分析之前可能需要對來自多個傳感器的數據進行調整和融合。在使用數據進行實時控制的應用中，也需要進行原始數據傳輸。在這些應用中，更可能采用有線接口作為數據傳輸解決方案。
工業應用的CbM可以使用ADI公司經過優化的微機電系統（MEMS）加速度計、低功耗微控制器和有線iCoupler?隔離接口信號鏈來提取、調整來自遠程CbM從機的機器健康狀況數據，并將其可靠回傳至主控制器進行分析。隨著時間的推移，可以使用機器健康數據創建基于軟件的模型來確定機器行為的變化，并主動維護機器健康。在一些應用中，如數控機床，數據也可以用來實時優化系統性能。
實現有線CbM接口的挑戰包括：在長電纜上運行時EMC的穩健性、以高波特率傳輸時數據的完整性（用于實時傳輸CbM數據流），以及通信物理層/協議的不匹配。ADI公司的信號鏈和系統級專業知識為實現有線CbM接口提供了幾種可能的選擇。
本文分兩個部分，第一部分介紹了ADI公司的有線接口解決方案，該方案幫助客戶縮短設計周期和測試時間，讓工業CbM解決方案更快地進入市場。下一篇文章重點介紹詳細的物理層設計考量因素，包括主控制器和有線CbM從控制器。
有線CbM設計實現
設計和部署基于狀態的有線監控解決方案需要考量多個系統性能因素，并進行權衡取舍。
首先，在選擇合適的MEMS加速度計時，必須考慮需要測量的故障類型，從而選擇合適的帶寬和噪聲性能MEMS來滿足系統的要求。邊緣節點處理需要仔細匹配所選的處理器，以確保最高的系統靈活性。
其次，有線CbM系統的設計需要精心選擇合適的有線通信協議和物理層，以實現高速實時數據流傳輸。實現有線接口需要仔細考慮EMC性能、數據傳輸電纜、連接器和電纜上的電源傳輸。
選擇合適的MEMS加速度計
選擇合適的MEMS振動傳感器涵蓋幾個方面：
軸數
被監測的軸數通常與故障類型和傳感器的安裝布置呈函數關系。如果能明顯看出故障涉及一個主導軸，并且在該軸上有一個清晰的傳輸路徑，那么采用單軸傳感器就足夠了。三軸傳感對于多軸中包含能量的故障或故障能量傳輸路徑不明確的故障是有用的。
故障類型
被監測的故障類型對傳感器選擇有重要影響。傳感器的噪聲密度和帶寬是這方面的重要指標，因為它們決定了能夠可靠提取的振動水平和頻率范圍。例如，對于低轉速機器的不平衡和失調故障，可能需要一個低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當低，而齒輪故障檢測需要傳感器兼具低噪聲密度和高帶寬。
性能要求
除了故障類型外，了解CbM的性能要求也很重要。對基本交通燈類型的狀態指示器實施報警檢測，需要通過不同水平的性能來進行復雜的預測。這顯然適用于正在部署的分析和算法，但也會影響傳感器的選擇。傳感器在帶寬、噪聲密度和線性度方面的性能水平越高，分析能力就越強。
選擇合適的信號處理
設計考量因素包括：
加速度計輸出
加速度計的輸出一般是模擬或串行數字信號，通常是SPI。模擬輸出傳感器將需要一個數字轉換階段，也需要進行一些信號調理。這可以是一個支持前置放大器調理的分立ADC，也可以是微控制器中的嵌入式ADC。
邊緣節點處理要求
為了減輕數據鏈路和/或中央控制器/服務器的負擔，邊緣節點上可能需要一些基本的FFT或信號處理算法。
數據傳輸協議要求
ADC或傳感器的輸出通常是SPI接口。它本身并不提供任何機制用于實施數據完整性檢查、確定時間戳、混合來自不同傳感器的數據等。在傳輸之前，將傳感器數據封裝在邊緣節點的高級協議中是非常有用的。這可以提高傳感器接口的穩健性和靈活性，但是要求在邊緣節點上妥當處理和封裝數據流。
有關更多信息，請參考《模擬對話》文章“為您的應用選擇最合適的MEMS加速度計”。
將加速度計輸出移植到有線通信總線
如前所述，加速度計的輸出一般是模擬或串行數字信號，通常是SPI。SPI輸出可以在本地處理（允許協議靈活性），然后添加到物理層接口，或者直接移植到物理層。
SPI是一個不平衡的單端串行接口，用于短距離通信。要在更長的距離內直接將SPI移植到物理層，需要使用RS-485線路驅動器和接收器。RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾，且通過長線纜長度時具有穩健性。
在SPI主機和從機之間的較長距離上使用SPI時，存在一些挑戰。SPI從本質上是同步的，具有一個由SPI主機啟動的時鐘（SCLK）。SPI數據線路——主機輸出從機輸入（MOSI）和主機輸入從機輸出（MISO）——與SCLK同步，在短距離范圍內這是可以實現的。SPI還有一個有效的、低使能芯片選擇（CS）信號，如果需要，它允許單獨的從機尋址。
為了恢復主機和從機之間的同步，可以將來自從機的時鐘信號反饋給主機，或者使用時鐘相移補償主控制器的電纜延遲。時鐘的相移必須與系統的總延遲匹配。AN-1397提供主微控制器延遲補償的實現細節。
有線通信物理層
進行長距離通信時，需要采用穩健可靠的物理層。如前所述，RS-485信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導線。一個信號的發射與另一個信號相反，耦合到RS-485總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統的電磁干擾（EMI）。讓RS-485非常適合CbM系統的一些額外關鍵優點包括：
- 更高的數據速率，電纜長度較短（小于100米）時可達50 Mbps
- 數據速率較低時，線纜長度可達1000米
- 全/半雙工RS-485和RS-422多驅動器/接收器對可以使用最小量的組件，將雙向SPI轉換為RS-485總線信號
- 較寬的共模輸入范圍允許主機和從機之間具備接地電位差異
- 有線接口的EMC性能
在長電纜中傳輸時，通信網絡可能會受到危害影響，例如較大的共模噪聲、接地電位差異和高壓瞬態。
傳導和輻射噪聲源可影響100米線纜長度內的通信可靠性。采用ADI公司的iCoupler芯片級變壓器隔離技術可以提高對這些噪聲源的抗干擾能力。AN-1398概述了利用iCoupler技術可以實現的對常見工業瞬態的抵抗力。
在工廠自動化環境中，系統設計人員通常無法控制提供通信網絡的電氣裝置。最好的做法是假定存在接地電位差異。在運動控制系統中，可能會產生數百伏的接地電位差異。RS-485通信節點需要電流隔離電源和數據線路能在這些環境中可靠地運行。信號和isoPower隔離器件提供峰值可達600 V（基礎）或353 V（增強型）的最大連續工作電壓。在存在較大接地電位差異的情況下，基礎絕緣支持實現可靠的通信。增強型絕緣保護操作人員免于在廠區受到電擊。
在有線通信網絡中，暴露在外的連接器和電纜可能遭受許多嚴苛的高壓瞬態影響。與變速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADI公司的新一代RS-485收發器提供高于±8 kV（接觸）/±8 kV（空氣）IEC 61000-4-2 ESD保護。
數據線路上的幻象電源
在主控制器和遠程CbM傳感器節點之間分配電力和數據線路需要采用創新的解決方案來降低電纜成本。將數據和電力線路融合在單一雙絞線上意味著可以大幅節省系統成本，以及可以在空間有限的終端傳感器節點位置采用更小的印刷電路板（PCB）連接器解決方案。
功率和數據通過電感電容網絡分布在雙絞線對上。高頻數據通過串聯電容與數據線路耦合，同時保護RS-485收發器免受直流總線電壓影響。主控制器上的電源通過電感器連接到數據線路，然后使用電纜遠端的CbM從傳感器節點上的電感器進行濾波。
電纜兩端的電感應良好匹配，以避免產生差分模式噪聲，自諧振頻率應至少達到10 MHz，避免對ADI公司新一代振動測量系統的實時突發模式產生干擾。注意，電源和數據耦合解決方案必須添加到不需要直流數據內容的數據線路中，例如MOSI或MISO到RS-485的擴展件。
推薦的解決方案和性能取舍
基于所提出的設計考量，以下組件為穩健的有線工業振動測量解決方案提供了最佳路徑。
- ADcmXL3021，寬帶寬、低噪聲、三軸振動傳感器
- ADuM5401/ADuM5402，四通道、2.5 kV隔離器，采用集成DC/DC轉換器
- ADM3066E，50 Mbps半雙工RS-485收發器
- ADM4168E，30 Mbps雙通道RS-422收發器
- LTC2858-1，20 Mbps全雙工RS-485收發器
- ADP7104，20 V、500 mA、低噪聲CMOS LDO穩壓器
推薦解決方案
ADcmXL3021 MEMS加速度計對于這三種解決方案都是通用的。這個加速度計具備超低噪聲密度（25 μg/√Hz），支持出色的分辨率。ADcmXL3021也具備寬帶寬（從直流一直到10 kHz，5%平坦度），可以跟蹤許多機器平臺上的關鍵振動特征。ADcmXL3021為客戶提供一個經過機械優化的鋁封裝，可以在廣泛的頻率范圍內提供與集成MEMS傳感器的穩定耦合。這就保證了可以可靠提取和調理從受測設備獲得的振動特征。
ADcmXL3021可以提供SPI輸出，可以直接與RS-485/RS-422器件連接，也可以通過微處理器和/或iCoupler信號和功率隔離與RS-485/RS-422器件連接，如圖1所示。為了實時監測工業設備上的振動特征，ADcmXL3021提供實時流傳輸模式，其工作速率約為12 Mbps SPI。
為了將實時流傳輸SPI模式連接到RS-485總線，必須選擇數據速率出色的組件。
ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收發器均以20 Mbps及以上的數據速率運行。
對于圖1所示的選項1和選項2（可以經由SPI直接與RS-485連接），ADM3066E和ADM4168E提供一個可靠的接口，在從機振動傳感器節點實現SPI 3接收、1發射（3+1）配置。SPI CS接收信號使用ADM3066E、SPI CLK和MOSI實現，MISO信號使用ADM4168E實現。在實時流傳輸模式下運行時，ADcmXL3021向主微控制器發送一個中斷信號，以在新數據突發可以捕獲時進行標記。中斷信號（/BUSY）也可以使用ADM4168E傳輸給主機。
完整的解決方案由主機發送至ADcmXL3021的三個信號（MOSI、CS、CLK），以及從ADcmXL3021發回主機的兩個信號（MISO、/BUSY）組成。5×單端信號僅用ADM4168E和ADM3066E兩個組件就可以轉換為差分信號。差分信號可以使用RJ50連接器和插頭轉換，與工業標準RJ45以太網連接器相比，這兩者占用的PCB面積幾乎相同。ADM3066E和ADM4168E收發器提供大于±8 kV的（接觸）/±8 kV（空氣）IEC 61000-4-2 ESD保護，在直接連接到有線電纜接口時，提供必需的可靠性。
對于選項3，微控制器可以預先處理ADcmXL3021 SPI輸出，也可以在SPI和其他串行接口（例如UART）之間執行協議轉換。UART是RS-485接口常用的一種異步協議。UART由發射和接收信號以及發射使能信號組成，所有這些信號都可以直接連接到全雙工RS-485收發器，例如LTC2858-1。在全雙工模式下，LTC2858-1允許同時進行雙向數據傳輸，這與SPI雙向數據傳輸的要求相匹配。該微控制器可以處理同步SPI到異步UART協議的轉換。
ADuM5401/ADum5402是業界體積最小的信號和電源隔離器件。它們包含一個集成式DC/DC轉換器，采用5.0 V或3.3 V電壓時（5.0V輸入電源），可提供最高500 mW調節隔離功率。
在圖1中，選項2包含ADuM5401，它從數據總線獲取5 V DC，然后為ADcmXL3021提供3 V隔離電源。ADuM5401還包括4個信號隔離通道，采用支持3+1 SPI隔離的配置。
圖1中的選項3包含ADuM5402，它與ADuM5401相似。關鍵的區別在于ADuM5402提供2個發射和2個接收數字隔離通道。
如前所述，ADuM5401/ADuM5402可以提高有線CbM接口的EMC抗擾度，保護ADcmXL3021免受RS-485電纜接口上的高壓干擾和接地電位差異。
性能取舍
表1使用許多關鍵指標比較了這三種解決方案，包括設計靈活性、PCB面積、解決方案成本、復雜性和EMC性能。
在CbM傳感器節點集成一個微控制器將增加設計的靈活性，但會增大PCB面積，且增加軟件復雜性。由于主CbM節點將配有一個處理器，這意味著圖1中的選項3本質上將是一個雙微控制器系統，與主CbM節點上的單個微控制器相比，該系統的啟動和運行速度將更慢。
選項1和選項2的設計靈活性較低，但是提供了一種更快速部署的路徑，因為它們支持在RS-485鏈路上集成復雜度低且透明的SPI。選項1和選項2還可以采用比選項3體積更小的PCB，這需要額外的PCB區域來敷設微控制器和相關電路（例如，一個時鐘振蕩器和幾個無源組件）。
將iCoupler信號和電源隔離添加到選項2和選項3會占用最小的PCB面積，且可以提高EMC性能（超過使用RS-485/RS-422收發器的片內保護可以實現的性能）。
圖1.實現可靠、高度集成、有線MEMS加速度計基于狀態監測的解決方案的選項。
圖2.LTC4332 SPI擴展接口幫助節省線纜成本。
數據速率較低的解決方案
對于以較低的數據速率（小于2 Mbps）運行的有線應用，LTC4332 SPI擴展器提供了一種替代方案，用于加固主從傳感器節點之間的SPI鏈接。LTC4332可以傳輸SPI數據，包括通過兩條雙絞線傳輸的中斷信號。該解決方案可以顯著節約成本，因為與標準解決方案相比，它最多可節省50%的總線線纜。
作者簡介
Richard Anslow是ADI公司自動化與能源業務部互連運動和機器人團隊的系統應用工程師。他的專長領域是基于狀態的監測和工業通信設計。他擁有愛爾蘭利默里克大學頒發的工程學士學位和工程碩士學位。聯系方式：richard.anslow@analog.com。
Dara O’Sullivan是ADI公司自動化與能源業務部互連運動和機器人團隊的系統應用經理。他的專長領域是工業運動控制應用的功率轉換、控制和監測。他擁有愛爾蘭科克大學工程學士、工程碩士和博士學位。自2001年起，他便從事研究、咨詢和工業領域的工業與可再生能源應用方面的工作。
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