基於狀態的監控對於實現工業4.0至關重要

 

政府舉措（例如德國的工業4.0和中國的中國製造2025）正zheng在zai加jia快kuai製zhi造zao業ye朝chao向xiang普pu遍bian網wang絡luo自zi動dong化hua發fa展zhan的de趨qu勢shi。此ci外wai

，智zhi能neng傳chuan感gan器qi係xi統tong正zheng在zai提ti高gao自zi動dong化hua程cheng度du，提ti供gong更geng多duo的de數shu據ju來lai監jian測ce和he控kong製zhi生sheng產chan過guo程cheng。特te別bie是shi，中zhong國guo製zhi造zao2025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。有了更先進的係統之後，就需要采用更先進的方法來確保係統的可靠性。

 

對機器人和旋轉機器（例如渦輪機
、風扇
、泵和電機）shishidejiyuzhuangtaidejiankonghuijiluyujiqidejiankanghexingnengxiangguandeshishishuju，yibianyouzhenduixingdishishiyuceweihuheyouhuakongzhi。zaijiqishengmingzhouqidezaoqijinxingyouzhenduixingdeyuceweihu，keyijianshaoshengchantingjidefengxian，congertigaokekaoxing、顯著節約成本和提高工廠的生產率。

 

如何實施基於狀態的有線監控解決方案？

 

要對工業機器實施基於狀態的監控，可以利用一係列傳感器數據，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(dan)是(shi)
，振(zhen)動(dong)測(ce)量(liang)是(shi)目(mu)前(qian)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)
，因(yin)為(wei)它(ta)可(ke)以(yi)最(zui)可(ke)靠(kao)地(di)指(zhi)示(shi)出(chu)機(ji)械(xie)問(wen)題(ti)
，例(li)如(ru)不(bu)平(ping)衡(heng)和(he)軸(zhou)承(cheng)故(gu)障(zhang)。本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)研(yan)究(jiu)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)的(de)應(ying)用(yong)
，但(dan)該(gai)方(fang)法(fa)同(tong)樣(yang)適(shi)用(yong)於(yu)來(lai)自(zi)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)。

 

zhezhongchuanshuyiweizhejianglaizigancejiediandechuanganqishujufasongzhizhukongzhiqihuozheyungaoduyilaiyingyong。zaixuduoyingyongzhong，yixiebendishujuhuizaizhongduanjiedianchuli，huizongshujusuihoutongguowuxianfangshifasongzhiwangluowangguan

，huozhezhijietongguofengwolianlufasongzhiyunhuofenxifuwuqi。zaizhexieqingkuangxia
，chuanshudeshujuliangtongchangdouxiangdangdi，erqieyinweizhongduanjiedianshiyoudianchigongdian，suoyoutongchangyaoqiubaochidigonghao。zaiqitayingyongzhong，xuyaojinxingyuanshichuanganqishujuchuanshu。liru，zaifenxizhiqiankenengxuyaoduilaiziduogechuanganqideshujujinxingtiaozhengheronghe。zaishiyongshujujinxingshishikongzhideyingyongzhong，yexuyaojinxingyuanshishujuchuanshu。zaizhexieyingyongzhong，gengkenengcaiyongyouxianjiekouzuoweishujuchuanshujiejuefangan。

 

工業應用的CbM可以使用ADI公司經過優化的微機電係統(MEMS)加速度計、低功耗微控製器和有線iCoupler®隔離接口信號鏈來提取
、調整來自遠程CbM從cong機ji的de機ji器qi健jian康kang狀zhuang況kuang數shu據ju，並bing將jiang其qi可ke靠kao回hui傳chuan至zhi主zhu控kong製zhi器qi進jin行xing分fen析xi。隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi，可ke以yi使shi用yong機ji器qi健jian康kang數shu據ju創chuang建jian基ji於yu軟ruan件jian的de模mo型xing來lai確que定ding機ji器qi行xing為wei的de變bian化hua，並bing主zhu動dong維wei護hu機ji器qi健jian康kang。在zai一yi些xie應ying用yong中zhong，如ru數shu控kong機ji床chuang，數shu據ju也ye可ke以yi用yong來lai實shi時shi優you化hua係xi統tong性xing能neng。

 

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（用於實時傳輸CbM數據流），以及通信物理層/協議的不匹配。ADI公司的信號鏈和係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，包括主控製器和有線CbM從控製器。

 

有線CbM設計實現

 

設計和部署基於狀態的有線監控解決方案需要考量多個係統性能因素，並進行權衡取舍。

 

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來滿足係統的要求。邊緣節點處理需要仔細匹配所選的處理器，以確保最高的係統靈活性。

 

其次，有線CbM係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麵：

 

軸數

 

beijiancedezhoushutongchangyuguzhangleixinghechuanganqideanzhuangbuzhichenghanshuguanxi。ruguonengmingxiankanchuguzhangshejiyigezhudaozhou，bingqiezaigaizhoushangyouyigeqingxidechuanshulujing，namecaiyongdanzhouchuanganqijiuzugoule。sanzhouchuanganduiyuduozhouzhongbaohannengliangdeguzhanghuoguzhangnengliangchuanshulujingbumingquedeguzhangshiyouyongde。

 

故障類型

 

beijiancedeguzhangleixingduichuanganqixuanzeyouzhongyaoyingxiang。chuanganqidezaoshengmiduhedaikuanshizhefangmiandezhongyaozhibiao
，yinweitamenjuedinglenenggoukekaotiqudezhendongshuipinghepinlvfanwei。liru，duiyudizhuansujiqidebupinghengheshitiaoguzhang，kenengxuyaoyigedizaoshengmiduchuanganqi，dandaikuanyaoqiuxiangdangdi，erchilunguzhangjiancexuyaochuanganqijianjudizaoshengmiduhegaodaikuan。

 

性能要求

 

除了故障類型外，了解CbM的de性xing能neng要yao求qiu也ye很hen重zhong要yao。對dui基ji本ben交jiao通tong燈deng類lei型xing的de狀zhuang態tai指zhi示shi器qi實shi施shi報bao警jing檢jian測ce，需xu要yao通tong過guo不bu同tong水shui平ping的de性xing能neng來lai進jin行xing複fu雜za的de預yu測ce。這zhe顯xian然ran適shi用yong於yu正zheng在zai部bu署shu的de分fen析xi和he算suan法fa，但dan也ye會hui影ying響xiang傳chuan感gan器qi的de選xuan擇ze。傳chuan感gan器qi在zai帶dai寬kuan、噪聲密度和線性度方麵的性能水平越高，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，也可以是微控製器中的嵌入式ADC。

 

邊緣節點處理要求

 

為了減輕數據鏈路和/或中央控製器/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。它本身並不提供任何機製用於實施數據完整性檢查
、確定時間戳、hunhelaizibutongchuanganqideshujudeng。zaichuanshuzhiqian，jiangchuanganqishujufengzhuangzaibianyuanjiediandegaojixieyizhongshifeichangyouyongde。zhekeyitigaochuanganqijiekoudewenjianxinghelinghuoxing，danshiyaoqiuzaibianyuanjiedianshangtuodangchulihefengzhuangshujuliu。

 

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），然後添加到物理層接口
，或者直接移植到物理層。

 

SPI是一個不平衡的單端串行接口，用於短距離通信。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，本身便能抗幹擾，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主機啟動的時鍾(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
，在短距離範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(wei)了(le)恢(hui)複(fu)主(zhu)機(ji)和(he)從(cong)機(ji)之(zhi)間(jian)的(de)同(tong)步(bu)
，可(ke)以(yi)將(jiang)來(lai)自(zi)從(cong)機(ji)的(de)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)反(fan)饋(kui)給(gei)主(zhu)機(ji)
，或(huo)者(zhe)使(shi)用(yong)時(shi)鍾(zhong)相(xiang)移(yi)補(bu)償(chang)主(zhu)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)電(dian)纜(lan)延(yan)遲(chi)。時(shi)鍾(zhong)的(de)相(xiang)移(yi)必(bi)須(xu)與(yu)係(xi)統(tong)的(de)總(zong)延(yan)遲(chi)匹(pi)配(pei)。AN-1397提供主微控製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，本身便能抗幹擾。係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。這降低了係統的電磁幹擾(EMI)。讓RS-485非常適合CbM係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（小於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

●  較寬的共模輸入範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幹擾能力。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(zai)工(gong)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)環(huan)境(jing)中(zhong)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)通(tong)常(chang)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)提(ti)供(gong)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)的(de)電(dian)氣(qi)裝(zhuang)置(zhi)。最(zui)好(hao)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)假(jia)定(ding)存(cun)在(zai)接(jie)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)異(yi)。在(zai)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)，可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)數(shu)百(bai)伏(fu)的(de)接(jie)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)異(yi)。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(de)最(zui)大(da)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)。在(zai)存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)接(jie)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)異(yi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，基(ji)礎(chu)絕(jue)緣(yuan)支(zhi)持(chi)實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)的(de)通(tong)信(xin)。增(zeng)強(qiang)型(xing)絕(jue)緣(yuan)保(bao)護(hu)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)免(mian)於(yu)在(zai)廠(chang)區(qu)受(shou)到(dao)電(dian)擊(ji)。

 

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。與變速電力驅動係統的EMC抗擾度要求相關的係統級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收發器提供高於±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

 

在主控製器和遠程CbMchuanganqijiedianzhijianfenpeidianliheshujuxianluxuyaocaiyongchuangxindejiejuefanganlaijiangdidianlanchengben。jiangshujuhedianlixianluronghezaidanyishuangjiaoxianshangyiweizhekeyidafujieshengxitongchengben，yijikeyizaikongjianyouxiandezhongduanchuanganqijiedianweizhicaiyonggengxiaodeyinshuadianluban(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。主控製器上的電源通過電感器連接到數據線路
，然後使用電纜遠端的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ADIgongsixinyidaizhendongceliangxitongdeshishitufamoshichanshengganrao。zhuyi，dianyuanheshujuouhejiejuefanganbixutianjiadaobuxuyaozhiliushujuneirongdeshujuxianluzhong
，liruMOSI或MISO到RS-485的擴展件。

 

推薦的解決方案和性能取舍

 

基於所提出的設計考量

，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加速度計對於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台上的關鍵振動特征。ADcmXL3021為客戶提供一個經過機械優化的鋁封裝，可以在廣泛的頻率範圍內提供與集成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。

 

對於圖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向主微控製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麵積幾乎相同。ADM3066E和ADM4168E收發器提供大於±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。

 

對於選項3
，微控製器可以預先處理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。該微控製器可以處理同步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，然後為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。關鍵的區別在於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電纜接口上的高壓幹擾和接地電位差異。

 

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麵積、解決方案成本、複雜性和EMC性能。

 

在CbM傳感器節點集成一個微控製器將增加設計的靈活性



，但會增大PCB麵積，且增加軟件複雜性。由於主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製器係統

，與主CbM節點上的單個微控製器相比，該係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鏈路上集成複雜度低且透明的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區域來敷設微控製器和相關電路（例如，一個時鍾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麵積，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加速度計基於狀態監測的解決方案的選項。

 

表1.CbM選項之間的取舍比較

 

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

對於以較低的數據速率（小於2 Mbps）運行的有線應用，LTC4332 SPI擴展器提供了一種替代方案，用於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(gong)司(si)自(zi)動(dong)化(hua)與(yu)能(neng)源(yuan)業(ye)務(wu)部(bu)互(hu)連(lian)運(yun)動(dong)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)團(tuan)隊(dui)的(de)係(xi)統(tong)應(ying)用(yong)工(gong)程(cheng)師(shi)。他(ta)的(de)專(zhuan)長(chang)領(ling)域(yu)是(shi)基(ji)於(yu)狀(zhuang)態(tai)的(de)監(jian)測(ce)和(he)工(gong)業(ye)通(tong)信(xin)設(she)計(ji)。他(ta)擁(yong)有(you)愛(ai)爾(er)蘭(lan)利(li)默(mo)裏(li)克(ke)大(da)學(xue)頒(ban)發(fa)的(de)工(gong)程(cheng)學(xue)士(shi)學(xue)位(wei)和(he)工(gong)程(cheng)碩(shuo)士(shi)學(xue)位(wei)。聯(lian)係(xi)方(fang)式(shi)：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係統應用經理。他的專長領域是工業運動控製應用的功率轉換、控製和監測。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、谘詢和工業領域的工業與可再生能源應用方麵的工作。聯係方式：dara.osullivan@analog.com。

 

 

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