Cómo implementar la monitorización basada en condiciones mediante Ethernet de un solo par

En la automatización de fábricas y el Internet de las cosas (IIoT), la monitorización basada en la condición (CbM) proporciona información sobre el estado de los activos para aumentar el tiempo de actividad y la productividad, reducir los costos de mantenimiento, prolongar la vida útil de los activos y garantizar la seguridad de los trabajadores. Aunque la mejora de los sensores, los algoritmos de diagnóstico, la potencia de procesamiento y la aplicación de técnicas de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (AM) están haciendo más útil la CbM, la falta de infraestructuras adecuadas ha limitado su alcance en muchas aplicaciones.

Los equipos de aplicaciones de minería, petróleo/gas, servicios públicos y fabricación suelen estar situados en lugares que carecen de electricidad o redes de datos. El tendido de nuevos cables de alimentación y de red hasta estas ubicaciones remotas puede resultar costoso y poco práctico, sobre todo para las aplicaciones de CbM que requieren velocidades de datos y potencia relativamente altas.

Las alternativas inalámbricas tienen sus inconvenientes. Por ejemplo, un sensor alimentado por batería solo puede ofrecer velocidades de datos limitadas, por lo que estas configuraciones no son adecuadas para la CbM. Para llevar las últimas funciones de CbM a estos lugares, los ingenieros necesitan opciones de infraestructura alternativas que ofrezcan una alimentación fiable y una red de gran ancho de banda a bajo costo.

10BASE-T1L single-pair Ethernet (SPE) se diseñó explícitamente para cumplir estos criterios. Proporciona datos y energía a distancias de hasta 1 kilómetro (km), mucho más allá de las limitaciones de Ethernet Industrial. Con esta nueva tecnología, los ingenieros pueden desplegar sofisticadas tecnologías de CbM en lugares antes inaccesibles.

Este artículo ofrece una visión general de la CbM y el impacto de la IA antes de exponer las ventajas de la SPE para ubicaciones remotas. Destaca los componentes críticos de los sensores basados en SPE y ofrece directrices para elegirlos. Por último, el artículo repasa los fundamentos del diseño de una interfaz combinada de comunicación de datos y energía, y muestra cómo integrar un sistema de CbM basado en SPE en una red industrial más amplia.

CbM y el impacto de AI y ML

Aunque son muchos los factores que impulsan el crecimiento de la CbM, cabe destacar el auge de la IA y el ML. Estas tecnologías están ampliando el alcance de la CbM más allá de equipos rotativos como bombas, compresores y ventiladores, para abarcar un espectro más amplio de maquinaria que incluye máquinas CNC, sistemas transportadores y robótica.

Estos avances son posibles gracias a la capacidad de los sistemas de IA y ML para ingerir e interpretar innumerables datos, incluidos los de vibración, presión, temperatura y visuales. Con conjuntos de datos ricos, los sistemas de IA y ML pueden identificar comportamientos anómalos que las tecnologías más antiguas podrían haber pasado por alto.

Para lograr estos beneficios, los datos de alta fidelidad deben estar disponibles desde todos los equipos relevantes, por lo que se ha vuelto fundamental que los sistemas de CbM proporcionen conectividad de borde a nube a los rincones más alejados de una operación (Figura 1).

Figura 1: Los sistemas modernos de CbM deben conectar equipos remotos de tecnología de operaciones (OT) con sistemas de tecnología de la información (TI). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Ventajas de la SPE frente a otras alternativas

Para dar servicio a estas ubicaciones remotas, los ingenieros necesitan una forma sencilla de TI de suministrar datos y energía que reduzca al mínimo los costes y el espacio físico. Las soluciones de Ethernet industrial son una opción obvia, ya que ofrecen un ancho de banda de datos típico de 100 megabits por segundo (Mbps) y Alimentación por Ethernet (PoE) de hasta 30 Vatios por puerto. Sin embargo, Ethernet Industrial está limitada a una distancia de 100 medidores (m).

Introduzca SPE, que, como su nombre indica, proporciona conectividad Ethernet a través de un único par trenzado de cables, en lugar de dos pares para 100BASE-TX o cuatro pares para 10BASE-T. Como resultado, el cableado SPE es más pequeño, más ligero y menos costoso que el cableado Ethernet industrial equivalente. A pesar de su reducido espacio, la SPE admite recorridos de hasta 1 kilómetro (km), velocidades de datos de hasta 1 gigabit por segundo (Gbps), potencias de hasta 50 vatios y conectores con clasificación IP67 para entornos difíciles.

Cabe señalar que las calificaciones máximas para SPE son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, las velocidades de 1 Gbps solo se admiten en tramos cortos de hasta 40 m. En cambio, la velocidad de datos está limitada a 10 Mbps con una longitud máxima de cable de 1 km.

Cómo seleccionar una MAC Ethernet para su uso en una aplicación SPE

Como todas las conexiones Ethernet, las interfaces SPE incorporan una capa de control de acceso al medio (MAC) y una capa física (PHY). La MAC gestiona el tráfico Ethernet, mientras que la PHY transforma las formas de onda analógicas del cable en señales digitales.

Muchas unidades de microcontroladores (MCU) avanzadas están equipadas con una MAC y algunas incluyen una PHY. Sin embargo, las MCU de bajo costo y bajo consumo utilizadas para los sensores de borde carecen de cualquiera de estas características. La solución reside en la MAC-PHY 10BASE-T1L, que implementa ambos elementos en un chip independiente, lo que permite a los diseñadores elegir entre varios procesadores de consumo ultrabajo.

Un buen ejemplo es el ADIN1110CCPZ-R7 de Analog Devices (Figura 2). Este transceptor 10BASE-T1L de un solo puerto está diseñado para conexiones SPE de 10 Mbps y alcance ampliado. El ADIN1110 se conecta al host a través de una Interfaz periférica serial (SPI) de 4 hilos, una interfaz que se encuentra en la mayoría de los microcontroladores modernos.

Figura 2: El ADIN1110 es un transceptor 10BASE-T1L de puerto único que se conecta al procesador host a través de una interfaz periférica serial (SPI) de 4 hilos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para mejorar la resistencia, el ADIN1110 ha integrado circuitos de monitorización de la fuente de alimentación y de reinicialización por alimentación (POR). Además, los niveles de transmisión programables, las resistencias/resistencias de terminación externas y los pines de recepción y transmisión independientes hacen que el dispositivo sea adecuado para aplicaciones de seguridad intrínseca.

Diseño de una interfaz de comunicación de datos y energía compartida

SPE proporciona energía y datos a través de los mismos cables mediante una tecnología denominada Power over Data Lines (PoDL). Como se ilustra en la Figura 3, los datos de alta frecuencia se acoplan al par trenzado a través de condensadores en serie, mientras que la alimentación de corriente continua (CC) se acopla a las líneas mediante inductores.

Figura 3: PoDL proporciona señales de alimentación y datos a través de un único par trenzado mediante acoplamiento inductivo y capacitivo, respectivamente. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la práctica, se necesitan componentes adicionales para la resistencia y la tolerancia a fallos. Por ejemplo, se recomienda un diodo rectificador de puente para proteger contra la polaridad incorrecta de la conexión de alimentación. Del mismo modo, se necesita un diodo supresor de tensión transitoria (TVS) para garantizar la compatibilidad electromagnética (CEM). En particular, se necesita un obturador para mitigar el ruido en modo común del cable.

Selección de sensores para CbM

Como ya se ha señalado, la CbM puede aplicarse a una amplia variedad de modalidades de detección. En todas estas modalidades, uno de los factores críticos que hay que tener en cuenta es el equilibrio entre rendimiento y eficacia.

Tomemos como ejemplo la detección de vibraciones. Los sensores piezoeléctricos ofrecen un rendimiento superior al de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), pero a un costo más elevado. Esto hace que los sensores piezoeléctricos sean una buena opción para activos muy críticos, que suelen estar situados en lugares céntricos.

En cambio, muchos activos menos críticos suelen estar situados en los lugares más alejados de una instalación y, por lo tanto, no se controlan actualmente debido a limitaciones de costes. Sin embargo, sus datos deben extraerse para mejorar la productividad general del sistema. La combinación de distancia y sensibilidad al coste es exactamente donde destaca la CbM basada en SPE, lo que convierte a los sensores MEMS en una opción natural.

Además de un menor coste, los sensores MEMS ofrecen otras ventajas para los sensores SPE. Por ejemplo, en comparación con los sensores piezoeléctricos, la mayoría de los sensores MEMS ofrecen filtrado digital, excelente linealidad, bajo peso y tamaño reducido.

La siguiente opción de diseño es entre sensores de uno o tres ejes. La Tabla 1 muestra la diferencia entre dos ejemplos típicos, el acelerómetro de triple eje ADXL357BEZ-RL y el acelerómetro de un eje ADXL1002BCPZ-RL7.

Tabla 1: Los sensores de un eje ADXL1002BCPZ-RL7 y de tres ejes ADXL357BEZ-RL ofrecen ventajas y desventajas en muchos aspectos importantes. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Como demuestra la Tabla 1, los sensores de un solo eje ofrecen un ancho de banda considerablemente mayor y un ruido menor. Sin embargo, los sensores triaxiales pueden captar las vibraciones verticales, horizontales y axiales, ofreciendo una comprensión más detallada del funcionamiento de un activo. Muchos fallos, como ejes doblados, rotores excéntricos, problemas de cojinetes y rotores ladeados, son difíciles de identificar con un sensor de un solo eje.

Cabe señalar que los sensores de vibración por sí solos no pueden detectar todos los fallos, ni siquiera los relacionados principalmente con las vibraciones. En algunos casos, la solución óptima puede ser emparejar un sensor de un solo eje con otros sensores, como un sensor de corriente o de campo magnético de un motor. En otros casos, la mejor solución puede implicar dos o más sensores de un solo eje.

Dada la complejidad de estas consideraciones, es aconsejable experimentar con ambos tipos de sensores. Para ello, Analog Devices ofrece la placa de evaluación de sensores de 3 ejes ADXL357 y la placa de evaluación de sensores de 1 eje ADXL1002.

Integración de un sistema de CbM basado en SPE en una red industrial más amplia

Un requisito esencial para cualquier sistema de CbM es ofrecer una conectividad sin fisuras con la nube. La Figura 4 ilustra cómo puede lograrse esto utilizando el protocolo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Este ligero protocolo de mensajería IIoT permite conectar dispositivos remotos con una huella de código mínima y un ancho de banda de red reducido.

Figura 4: Se muestra una arquitectura CbM basada en SPE. Los componentes clave del sistema de sensores son el sensor, un procesador de bajo consumo y la MAC-PHY. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La mayoría de los microcontroladores Cortex-M4 de bajo coste son adecuados para esta aplicación, ya que prácticamente todos estos chips dispondrán de los puertos SPI necesarios para conectarse a los sensores y a la MAC-PHY. Desde el punto de vista del software, los principales requisitos son memoria suficiente para la pila MQTT, un sistema operativo en tiempo real (RTOS) adecuado y software de análisis de bordes. Normalmente, solo se necesitan unas pocas decenas de kilobytes de RAM y ROM.

Una vez que el cable SPE llega a la infraestructura existente, un convertidor de medios puede cambiar la señal 10BASE-T1L en tramas 10BASE-T para cables Ethernet estándar. Tenga en cuenta que esta conversión sólo cambia el formato físico; los paquetes Ethernet permanecen intactos. A partir de aquí, estos paquetes pueden enviarse a través de cualquier red Ethernet.

Conclusión:

La SPE se perfila como una tecnología transformadora, capaz de afrontar los retos de la CbM para equipos remotos. Sus funciones PoDL combinan con elegancia la transmisión de datos y energía a través de un único par trenzado, proporcionando una forma económica de ampliar la infraestructura Ethernet a mayores distancias. Con una cuidadosa selección de interfaces MAC-PHY y sensores MEMS, los ingenieros pueden utilizar estas capacidades para desplegar soluciones compactas y ligeras que sean lo suficientemente rentables como para justificar su uso en activos menos críticos. Esto permite nuevos niveles de visibilidad de las operaciones que los sistemas de IA y ML pueden utilizar para proporcionar información operativa sin precedentes.