Implémenter la surveillance conditionnelle avec Single Pair Ethernet

Dans l'automatisation industrielle et l'Internet industriel des objets (IIoT), la surveillance conditionnelle (CbM) fournit un aperçu de l'état des actifs pour augmenter la disponibilité et la productivité, réduire les coûts de maintenance, prolonger la durée de vie des actifs et garantir la sécurité des travailleurs. Même si les améliorations apportées aux capteurs, aux algorithmes de diagnostic, à la puissance de traitement et à l'application des techniques d'intelligence artificielle (IA) et d'apprentissage automatique (ML) augmentent l'utilité de la surveillance conditionnelle, le manque d'infrastructures adaptées limite sa portée dans de nombreuses applications.

Les équipements destinés aux applications minières, pétrolières/gazières, de fournisseurs d'énergie et de fabrication sont souvent situés dans des endroits dépourvus de réseaux électriques ou de données. L'installation de nouveaux câbles d'alimentation et de réseau vers ces sites distants peut s'avérer coûteuse et peu pratique, en particulier pour les applications CbM qui requièrent une puissance et des débits de données relativement élevés.

Les alternatives sans fil impliquent des compromis. Par exemple, un capteur alimenté par batterie ne peut offrir que des débits de données limités, ce qui rend ces configurations inadaptées à la surveillance conditionnelle. Pour apporter les dernières capacités CbM à ces sites, les ingénieurs ont besoin d'options d'infrastructures alternatives qui fournissent une alimentation fiable et un réseau à large bande passante, et ce à un faible coût.

Le Single Pair Ethernet (SPE) 10BASE-T1L a été spécifiquement conçu pour répondre à ces critères. Il fournit des données et de l'énergie sur des distances atteignant 1 kilomètre (km), bien au-delà des limites de l'Industrial Ethernet. Les ingénieurs peuvent déployer une technologie CbM sophistiquée dans des endroits auparavant inaccessibles grâce à cette nouvelle technologie.

Cet article donne un aperçu de la surveillance conditionnelle et de l'impact de l'IA avant de présenter les avantages de SPE pour les sites distants. Il met en évidence les composants critiques des capteurs basés sur SPE et donne des consignes pour les sélectionner. Enfin, l'article passe en revue les principes de base du développement d'une interface de communication combinée de données et d'alimentation, et montre comment intégrer un système CbM basé sur SPE dans un réseau industriel plus large.

CbM et impact de l'IA et du ML

Si de nombreux facteurs favorisent la croissance de la surveillance conditionnelle, la montée en puissance de l'IA et du ML est particulièrement remarquable. Ces technologies étendent la portée CbM au-delà des équipements rotatifs tels que les pompes, les compresseurs et les ventilateurs, pour englober un spectre plus large de machines incluant des machines CNC, des systèmes de convoyeurs et des robots.

Ces avancées sont possibles grâce à la capacité des systèmes IA et ML à ingérer et interpréter une myriade de données, notamment des données sur les vibrations, la pression, la température et visuelles. Grâce à de riches ensembles de données, les systèmes IA et ML peuvent identifier des comportements anormaux qui auraient pu échapper aux technologies plus anciennes.

Pour bénéficier de ces avantages, tous les équipements concernés doivent fournir des données haute fidélité. C'est pourquoi il est devenu essentiel pour les systèmes CbM de fournir une connectivité périphérie-cloud jusqu'aux coins les plus reculés d'une installation (Figure 1).

Figure 1 : Les systèmes CbM modernes doivent connecter les équipements OT les plus éloignés aux systèmes IT. (Source de l'image : Analog Devices)

Avantages de SPE par rapport aux alternatives

Pour desservir ces sites distants, les ingénieurs ont besoin d'un moyen IT convivial pour transmettre les données et l'alimentation, permettant de minimiser les coûts et l'empreinte physique. Les solutions Industrial Ethernet constituent un choix évident car elles offrent une bande passante de données typique de 100 mégabits par seconde (Mbps) et une alimentation Power over Ethernet (PoE) jusqu'à 30 watts (W) par port. Cependant, l'Industrial Ethernet est limité à une distance de 100 mètres (m).

C'est là qu'intervient la technologie SPE qui, comme son nom l'indique, fournit une connectivité Ethernet sur une seule paire torsadée de fils, au lieu de deux paires pour 100BASE-TX ou de quatre paires pour 10BASE-T. En conséquence, le câblage SPE est plus petit, plus léger et moins coûteux que le câblage Industrial Ethernet équivalent. Malgré son encombrement réduit, SPE prend en charge des distances jusqu'à 1 km, des débits de données jusqu'à 1 gigabit par seconde (Gbps), une puissance jusqu'à 50 W et des connecteurs répertoriés IP67 pour les environnements difficiles.

Il convient de noter que les caractéristiques maximum pour SPE s'excluent mutuellement. Par exemple, les vitesses de 1 Gbps ne sont prises en charge que pour de courtes distances jusqu'à 40 m. En revanche, les débits de données sont limités à 10 Mbps pour une longueur de câble maximum de 1 km.

Comment sélectionner une couche MAC Ethernet à utiliser dans une application SPE

Comme toutes les connexions Ethernet, les interfaces SPE intègrent une couche de contrôle d'accès au support (MAC) et une couche physique (PHY). La couche MAC gère le trafic Ethernet, tandis que la couche PHY transforme les formes d'ondes analogiques du câble en signaux numériques.

De nombreux microcontrôleurs (MCU) avancés sont équipés d'une couche MAC et certains incluent une couche PHY. Cependant, les microcontrôleurs basse consommation à faible coût utilisés pour les capteurs périphériques ne disposent d'aucune de ces fonctionnalités. La solution réside dans la technologie 10BASE-T1L MAC-PHY, qui implémente les deux éléments dans une puce distincte, permettant aux concepteurs de choisir parmi différents processeurs ultrabasse consommation.

Un bon exemple est l'ADIN1110CCPZ-R7 d'Analog Devices (Figure 2). Cet émetteur-récepteur 10BASE-T1L à un port est conçu pour les connexions SPE 10 Mbps à portée étendue. L'ADIN1110 se connecte à l'hôte via une interface périphérique série (SPI) à 4 fils, une interface présente sur la plupart des microcontrôleurs modernes.

Figure 2 : L'ADIN1110 est un émetteur-récepteur 10BASE-T1L à un port qui se connecte au processeur hôte via une interface SPI à 4 fils. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour améliorer la robustesse, l'ADIN1110 intègre des circuits de surveillance de la source de tension et de réinitialisation à la mise sous tension (POR). De plus, des niveaux de transmission programmables, des résistances de terminaison externes et des broches de réception et de transmission indépendantes rendent le dispositif adapté aux applications de sécurité intrinsèque.

Concevoir une interface de communication de données et d'alimentation partagée

SPE fournit l'alimentation et les données sur les mêmes fils en utilisant une technologie appelée Power over Data Lines (PoDL). Comme illustré à la Figure 3, les données haute fréquence sont couplées à la paire torsadée via des condensateurs en série, tandis que l'alimentation en courant continu (CC) est couplée aux lignes à l'aide d'inductances.

Figure 3 : PoDL fournit des signaux d'alimentation et de données sur une seule paire torsadée en utilisant respectivement un couplage inductif et capacitif. (Source de l'image : Analog Devices)

En pratique, des composants supplémentaires sont requis pour la robustesse et la tolérance aux défauts. Par exemple, une diode de redressement en pont est recommandée pour la protection contre une polarité incorrecte de la connexion électrique. De même, une diode de suppression de tension transitoire (TVS) est requise pour la robustesse de la compatibilité électromagnétique (CEM). Enfin, une bobine d'arrêt est nécessaire pour atténuer le bruit de mode commun du câble.

Sélection de capteurs pour la surveillance conditionnelle

Comme indiqué précédemment, la surveillance conditionnelle peut s'appliquer à une grande variété de modalités de détection. Parmi ces modalités, l'un des facteurs essentiels à prendre en compte est le compromis entre performances et rendement.

Prenons l'exemple de la détection des vibrations. Les capteurs piézoélectriques offrent des performances supérieures à celles des microsystèmes électromécaniques (MEMS), mais à un coût plus élevé. Cela fait des capteurs piézoélectriques un bon choix pour les actifs hautement critiques, qui ont tendance à être situés au centre.

En revanche, de nombreux actifs moins critiques sont souvent situés en périphérie d'une installation et ne sont donc pas actuellement surveillés en raison de contraintes de coûts. Pourtant, leurs données doivent être exploitées pour améliorer la productivité globale du système. La combinaison de la distance et de la sensibilité aux coûts est exactement là où la surveillance conditionnelle basée sur SPE excelle, faisant des capteurs MEMS un choix naturel.

Outre leur moindre coût, les capteurs MEMS offrent d'autres avantages pour les capteurs SPE. Par exemple, par rapport aux capteurs piézoélectriques, la plupart des capteurs MEMS offrent un filtrage numérique, une excellente linéarité, un faible poids et un format compact.

L'étape de conception suivante consiste à choisir entre des capteurs à un ou trois axes. Le Tableau 1 récapitule les différences entre deux exemples typiques, l'accéléromètre à trois axes ADXL357BEZ-RL et l'accéléromètre à un axe ADXL1002BCPZ-RL7.

Tableau 1 : Les capteurs ADXL1002BCPZ-RL7 à un axe et ADXL357BEZ-RL à trois axes offrent des compromis dans de nombreux domaines importants à prendre en compte. (Source de l'image : Analog Devices)

Comme le montre le Tableau 1, les capteurs à un axe offrent une bande passante considérablement plus élevée et un bruit plus faible. Cependant, les capteurs à trois axes peuvent capturer les vibrations verticales, horizontales et axiales, offrant ainsi une compréhension plus détaillée du fonctionnement d'un équipement. De nombreux défauts, notamment les arbres tordus, les rotors excentrés, les problèmes de roulements et les rotors bloqués, sont difficiles à identifier avec un capteur à un axe.

Il convient de noter que les capteurs de vibrations seuls ne peuvent pas détecter tous les défauts, y compris ceux qui sont principalement liés aux vibrations. Dans certains scénarios, la solution optimale peut consister à associer un capteur à un axe avec d'autres capteurs, comme un capteur de courant ou de champ magnétique de moteur. Dans d'autres cas, la meilleure solution peut impliquer deux capteurs à un axe ou plus.

Compte tenu de la complexité de ces considérations, il est conseillé d'expérimenter les deux types de capteurs. À cette fin, Analog Devices propose la carte d'évaluation de capteur à 3 axes ADXL357 et la carte d'évaluation de capteur à 1 axe ADXL1002.

Intégrer un système CbM basé sur SPE dans un réseau industriel plus vaste

Une exigence essentielle pour tout système CbM est de fournir une connectivité transparente au cloud. La Figure 4 illustre comment cela peut être réalisé à l'aide du protocole MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Ce protocole de messagerie IIoT léger permet la connexion de dispositifs distants avec une empreinte de code minimale et une faible bande passante réseau.

Figure 4 : Architecture CbM basée sur SPE. Les composants clés du système de capteur incluent le capteur, un processeur périphérique basse consommation et MAC-PHY. (Source de l'image : Analog Devices)

La plupart des microcontrôleurs Cortex-M4 à faible coût conviennent à cette application, car pratiquement toutes ces puces disposent des ports SPI nécessaires pour la connexion au(x) capteur(s) et à MAC-PHY. D'un point de vue logiciel, les principales exigences sont une mémoire suffisante pour la pile MQTT, un système d'exploitation en temps réel (RTOS) approprié et un logiciel d'analyse en périphérie. En règle générale, seules quelques dizaines de kilo-octets de RAM et de ROM sont nécessaires.

Une fois que le câble SPE atteint l'infrastructure existante, un convertisseur de média peut transformer le signal 10BASE-T1L en trames 10BASE-T pour les câbles Ethernet standard. Notez que cette conversion modifie simplement le format physique ; les paquets Ethernet restent intacts. À partir de là, ces paquets peuvent être envoyés sur n'importe quel réseau Ethernet.

Conclusion

SPE émerge comme une technologie de transformation, répondant efficacement aux défis de surveillance conditionnelle pour les équipements distants. Ses capacités PoDL fusionnent l'alimentation et la transmission de données sur une seule paire torsadée, offrant ainsi un moyen économique d'étendre l'infrastructure Ethernet sur de plus grandes distances. Grâce à un choix judicieux d'interfaces MAC-PHY et de capteurs MEMS, les ingénieurs peuvent utiliser ces capacités pour déployer des solutions compactes et légères qui sont suffisamment rentables pour justifier leur utilisation sur des équipements moins critiques. Cela permet d'atteindre de nouveaux niveaux de visibilité sur les opérations que les systèmes IA et ML peuvent utiliser pour fournir des informations opérationnelles sans précédent.