Como implementar o monitoramento baseado no estado usando Ethernet de par simples

Na automação da fábrica e na Internet Industrial das Coisas (IIoT), o monitoramento baseado no estado (CbM) fornece informações sobre a integridade dos ativos para aumentar o tempo de atividade e a produtividade, reduzir os custos de manutenção, prolongar a vida útil dos ativos e garantir a segurança dos trabalhadores. Embora os aprimoramentos em sensores, algoritmos de diagnóstico, poder de processamento e a aplicação de técnicas de inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML) estejam tornando o CbM mais útil, a falta de infraestrutura adequada limitou seu alcance em muitas aplicações.

Os equipamentos em aplicações de mineração, petróleo/gás, serviços públicos e manufatura geralmente estão situados em locais sem energia ou redes de dados. Passar novos cabos de energia e de rede para esses locais remotos pode ser caro e impraticável, especialmente para as aplicações CbM que exigem taxas de dados e potência relativamente altas.

As alternativas sem fio vêm com desvantagens. Por exemplo, um sensor alimentado por bateria só pode oferecer taxas de dados limitadas, o que torna essas instalações inadequadas para o CbM. Para levar os mais recentes recursos de CbM a esses locais, os engenheiros precisam de opções alternativas de infraestrutura que forneçam energia confiável e rede de alta largura de banda a um baixo custo.

A Ethernet de par simples (SPE) 10BASE-T1L foi projetada explicitamente para atender a esses critérios. Ela fornece dados e energia a distâncias de até 1 quilômetro (km), muito além das limitações da Ethernet Industrial. Com essa nova tecnologia, os engenheiros podem implementar a sofisticada tecnologia CbM em locais anteriormente inacessíveis.

Este artigo apresenta uma visão geral do CbM e do impacto da IA antes de delinear as vantagens da SPE para locais remotos. Ele destaca os componentes críticos dos sensores baseados em SPE e oferece diretrizes para sua escolha. Por fim, o artigo analisa os fundamentos do projeto de uma interface combinada de comunicação de dados e energia e mostra como integrar um sistema CbM baseado em SPE em uma rede industrial mais ampla.

CbM e o impacto da IA e ML

Embora muitos fatores estejam impulsionando o crescimento do CbM, o aumento da IA e da ML é particularmente notável. Essas tecnologias estão ampliando o alcance do CbM para além dos equipamentos rotativos, como bombas, compressores e ventoinhas, para abranger um espectro mais amplo de maquinário que inclui máquinas CNC, sistemas de esteira de transporte e robótica.

Esses avanços são possíveis graças à capacidade dos sistemas de IA e ML de ingerir e interpretar uma infinidade de dados, incluindo vibração, pressão, temperatura e dados visuais. Com conjuntos de dados valiosos, os sistemas de IA e ML podem identificar comportamentos anormais que as tecnologias mais antigas poderiam não ter percebido.

Para obter esses benefícios, os dados de alta fidelidade devem estar disponíveis em todos os equipamentos relevantes, e é por isso que se tornou fundamental que os sistemas de CbM forneçam conectividade da borda à nuvem para os cantos mais distantes de uma operação (Figura 1).

Figura 1: Os sistemas modernos de CbM devem conectar equipamentos de tecnologia de operações (OT) distantes com sistemas de tecnologia da informação (TI). (Fonte da imagem: Analog Devices)

As vantagens da SPE em relação às alternativas

Para atender a esses locais remotos, os engenheiros precisam de uma maneira amigável de TI para fornecer dados e energia que mantenha o custo e o espaço físico no mínimo. As soluções de Ethernet Industrial são uma escolha óbvia, pois oferecem uma largura de banda de dados típica de 100 megabits por segundo (Mbps) e Alimentação via Ethernet (PoE) de até 30 watts por porta. No entanto, a Ethernet Industrial está limitada a uma distância de 100 metros (m).

Opte pela SPE, que, como o nome indica, fornece conectividade Ethernet em um único par trançado de fios, em vez de dois pares para 100BASE-TX ou quatro pares para 10BASE-T. Como resultado, o cabeamento SPE é menor, mais leve e mais barato do que o cabeamento de Ethernet Industrial equivalente. Apesar do tamanho reduzido, a SPE suporta extensões de até 1 quilômetro (km), taxas de dados de até 1 gigabit por segundo (Gbps), potência de até 50 watts e conectores classificados como IP67 para ambientes adversos.

É importante observar que as classificações máximas para SPE são mutuamente exclusivas. Por exemplo, as velocidades de 1 Gbps são compatíveis apenas com percursos curtos de até 40 m. Em contrapartida, as taxas de dados são limitadas a 10 Mbps no comprimento máximo do cabo de 1 km.

Como selecionar um MAC Ethernet para uso em uma aplicação SPE

Como todas as conexões de Ethernet, as interfaces SPE incorporam uma camada de controle de acesso à mídia (MAC) e uma camada física (PHY). O MAC gerencia o tráfego Ethernet, enquanto a PHY transforma as formas de onda analógicas do cabo em sinais digitais.

Muitas unidades avançadas de microcontroladores (MCUs) são equipadas com um MAC e algumas incluem uma PHY. No entanto, as MCUs de baixo custo e baixa potência, usadas para sensores de borda, não possuem nenhum desses recursos. A solução está no 10BASE-T1L MAC-PHY, que implementa ambos os elementos em um chip separado, permitindo que os projetistas escolham entre vários processadores de potência ultrabaixa.

Um bom exemplo é o ADIN1110CCPZ-R7 da Analog Devices (Figura 2). Esse transceptor 10BASE-T1L de porta única foi projetado para conexões SPE de 10 Mbps com alcance prolongado. O ADIN1110 se conecta ao host por meio de uma interface periférica serial (SPI) de 4 fios, uma interface encontrada na maioria dos microcontroladores modernos.

Figura 2: O ADIN1110 é um transceptor 10BASE-T1L de porta única que se conecta ao processador host por meio de uma interface SPI de 4 fios. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para aumentar a robustez, o ADIN1110 tem um circuito integrado de monitoramento da alimentação de tensão e de reinicialização ao ligar (POR). Além disso, os níveis de transmissão programáveis, os resistores externos aos terminais e os pinos de recepção e transmissão independentes tornam o dispositivo adequado para aplicações de segurança intrínseca.

Projeto de uma interface de comunicação de dados e energia compartilhada

A SPE fornece energia e dados pelos mesmos fios usando uma tecnologia chamada PoDL (Power over Data Lines). Conforme ilustrado na Figura 3, os dados de alta frequência são acoplados ao par trançado por meio de capacitores em série, enquanto a alimentação de corrente contínua (CC) é acoplada às linhas usando indutores.

Figura 3: A tecnologia PoDL fornece energia e sinais de dados em um único par trançado usando acoplamento indutivo e capacitivo, respectivamente. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Na prática, são necessários componentes adicionais para garantir a robustez e a tolerância a falhas. Por exemplo, um diodo retificador em ponte é recomendado para proteger contra a polaridade incorreta da conexão de alimentação. Da mesma forma, um diodo supressor de tensão transiente (TVS) é necessário para a robustez da compatibilidade eletromagnética (EMC). Notavelmente, é necessária uma bobina de choque para atenuar o ruído de modo comum do cabo.

Seleção de sensores para CbM

Conforme observado anteriormente, o CbM pode ser aplicado a uma ampla variedade de modalidades de detecção. Em todas essas modalidades, um dos fatores críticos a serem considerados é a contrapartida entre desempenho e eficiência.

Tome como exemplo o sensor de vibração. Os sensores piezoelétricos oferecem desempenho superior aos sistemas microeletromecânicos (MEMS), mas a um custo mais alto. Isso torna os sensores piezoelétricos uma boa opção para ativos altamente críticos, que tendem a ter uma localização central.

Por outro lado, muitos ativos menos críticos geralmente estão localizados nos pontos mais distantes de uma instalação e, portanto, não são monitorados atualmente devido a restrições de custo. No entanto, seus dados ainda precisam ser extraídos para melhorar a produtividade geral do sistema. A combinação de sensibilidade à distância e ao custo é exatamente onde o CbM baseado em SPE se sobressai, tornando os sensores MEMS uma opção natural.

Além do custo mais baixo, os sensores MEMS oferecem outras vantagens para os sensores SPE. Por exemplo, em comparação com os sensores piezoelétricos, a maioria dos sensores MEMS oferece filtragem digital, excelente linearidade, baixo peso e tamanho reduzido.

A próxima opção de projeto é entre sensores de um e três eixos. A Tabela 1 mostra a diferença entre dois exemplos típicos, o acelerômetro de três eixos ADXL357BEZ-RL e o acelerômetro de um eixo ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabela 1: Os sensores de um eixo ADXL1002BCPZ-RL7 e de três eixos ADXL357BEZ-RL oferecem contrapartidas em muitos parâmetros importantes de consideração. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conforme demonstrado na Tabela 1, os sensores de um eixo oferecem largura de banda consideravelmente maior e menos ruído. No entanto, os sensores triaxiais podem capturar vibrações verticais, horizontais e axiais, oferecendo uma compreensão mais detalhada da operação de um ativo. Muitas falhas, incluindo eixos curvados, rotores excêntricos, problemas de rolamentos e rotores desalinhados, são difíceis de identificar com um sensor de um eixo.

É importante observar que os sensores de vibração sozinhos não conseguem detectar todas as falhas, mesmo aquelas relacionadas principalmente à vibração. Em alguns cenários, a solução ideal pode ser combinar um sensor de um eixo com outros sensores, como um sensor para a corrente ou o campo magnético de um motor. Em outros casos, a melhor solução pode envolver dois ou mais sensores de um eixo.

Dada a complexidade dessas considerações, é aconselhável fazer experimentos com os dois tipos de sensores. Para isso, a Analog Devices oferece a placa de teste de sensores de 3 eixos ADXL357 e a placa de teste de sensores de 1 eixo ADXL1002.

Integração de um sistema CbM baseado em SPE em uma rede industrial maior

Um requisito essencial para qualquer sistema de CbM é fornecer conectividade contínua de volta à nuvem. A Figura 4 ilustra como isso pode ser feito usando o protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Esse protocolo leve de mensagens de IIoT permite a conexão de dispositivos remotos com um impacto mínimo no código e baixa largura de banda da rede.

Figura 4: É mostrada uma arquitetura CbM baseada em SPE. Os principais componentes do sistema de sensores incluem o sensor, um processador de borda de baixa potência e o MAC-PHY. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A maioria dos microcontroladores Cortex-M4 de baixo custo é adequada para essa aplicação, pois praticamente todos esses chips terão as portas SPI necessárias para se conectar aos sensores e ao MAC-PHY. Do ponto de vista do software, os principais requisitos são memória suficiente para a pilha MQTT, um sistema operacional em tempo real (RTOS) adequado e um software de análise de borda. Normalmente, são necessárias apenas algumas dezenas de quilobytes de RAM e ROM.

Quando o cabo SPE atinge a infraestrutura existente, um conversor de mídia pode transformar o sinal 10BASE-T1L em quadros 10BASE-T para cabos Ethernet padrão. Observe que essa conversão apenas altera o formato físico; os pacotes Ethernet permanecem intactos. A partir daí, esses pacotes podem ser enviados por qualquer rede de Ethernet.

Conclusão

A SPE está surgindo como uma tecnologia transformadora, lidando habilmente com os desafios do CbM para equipamentos remotos. Seus recursos PoDL mesclam elegantemente a transmissão de energia e dados em um único par trançado, proporcionando uma maneira de baixo custo de estender a infraestrutura Ethernet a distâncias maiores. Com a seleção cuidadosa das interfaces MAC-PHY e dos sensores MEMS, os engenheiros podem usar esses recursos para implantar soluções compactas e leves que sejam suficientemente econômicas para justificar seu uso em ativos menos críticos. Isso permite novos níveis de visibilidade das operações que os sistemas de IA e ML podem usar para fornecer perspectivas operacionais sem precedentes.