为工业4.0实现强大的有线状态监控

作者：Richard Anslow and Dara O’Sullivan

机器人和旋转机械（如涡轮机、风扇、泵和电机）的状态监控 （CbM） 记录与机器运行状况和性能相关的实时数据，以实现有针对性的预测性维护以及优化控制。在机器生命周期的早期进行有针对性的预测性维护，可降低生产停机的风险，从而提高可靠性、显著节省成本并提高工厂车间的生产率。

如何实施有线状态监控解决方案？

基于状态的工业机器监控可以利用一系列传感器数据，例如电气测量、振动、温度、油质、声学和过程测量，例如流量和压力。然而，振动测量是迄今为止最常见的，因为它可以提供最可靠的机械问题指示，如不平衡和轴承故障。本文重点介绍振动检测的使用，但该方法同样适用于来自其他传感器的数据。

传感器数据从传感节点到主控制器或云端的传输方式高度依赖于应用。在许多应用中，一些本地数据处理是在边缘节点实现的，汇总数据随后以无线方式传输到网络网关，或者直接通过蜂窝链路传输到云或分析服务器。在这些情况下，传输的数据量通常相当低，并且通常需要低功耗，因为边缘节点可以由电池供电。在其他应用中，需要原始传感器数据传输。例如，在分析之前，可能需要对齐和融合来自多个传感器的数据。在利用数据进行实时控制的应用中，也需要原始数据传输。在这些应用中，有线接口是更可能的数据传输解决方案。

工业应用的CbM可以利用ADI公司的优化的微机电系统（MEMS）加速度计信号链、低功耗微控制器和有线耦合器隔离接口，从远程CbM从机提取、调理机器健康数据并将其可靠地传送回主控制器进行分析。随着时间的推移，机器健康数据可用于创建基于软件的模型，以确定机器行为的变化并主动维护机器健康。在某些应用中，例如CNC机床，数据还可用于实时优化系统的性能。®

实施有线CbM接口的挑战包括：在长电缆上运行时的EMC鲁棒性、以高波特率传输的数据完整性（用于实时CbM数据流）以及通信物理层/协议不匹配。ADI公司的信号链和系统级专业知识为实现有线CbM接口提供了多种可能的选项。

本文（第 1 部分，共 2 部分）介绍 ADI 公司的有线接口解决方案，这些解决方案可缩短客户设计周期和测试时间，并加快工业 CbM 解决方案的上市时间。下一篇文章将重点介绍主控制器和有线CbM从站的详细物理层设计注意事项。

有线 CbM 设计实现

设计和部署有线状态监控解决方案需要考虑多个系统性能因素并进行权衡。

首先，在选择合适的MEMS加速度计时，必须考虑需要测量的故障类型，以便选择正确的带宽和噪声性能MEMS以满足系统要求。边缘节点处理需要仔细匹配所选处理器，以确保最大的系统灵活性。

其次，有线CbM系统的设计需要仔细选择合适的有线通信协议和物理层，以实现高速实时数据流。实施有线接口需要仔细考虑EMC性能、数据传输布线、连接器和布线供电。

选择合适的MEMS加速度计

选择合适的MEMS振动传感器有多个方面：

轴数

被监控的轴数通常取决于故障类型和传感器安装布置。如果故障具有明显的主轴，并且该轴上有清晰的传输路径，则单轴传感器可能就足够了。三轴检测对于在多个轴上包含能量的故障或故障能量的传输路径不明确非常有用。

故障类型

被监控的故障类型对传感器的选择有重大影响。传感器噪声密度和带宽是这方面的重要规格，因为它们决定了可以可靠提取的振动水平和频率范围。例如，低转速机器的不平衡和未对准故障可能需要低噪声密度传感器，但带宽要求相当低，而齿轮故障检测可能需要传感器中的低噪声密度和高带宽规格。

性能要求

除了故障类型，了解CbM的性能要求也很重要。基本交通灯型状态指示器的警报检测需要不同级别的性能才能进行复杂的预测。这显然适用于正在部署的分析和算法，但也对传感器的选择产生影响。传感器在带宽、噪声密度和线性度方面的性能水平越高，分析功能就越先进。

选择合适的信号处理

设计注意事项包括：

加速度计输出

加速度计的输出通常是模拟或串行数字信号，通常是SPI。模拟输出传感器需要一个数字转换级，以及一些信号调理。这可以是具有前置放大器调理功能的分立ADC，也可以是微控制器中的嵌入式ADC。

边缘节点处理要求

边缘节点可能需要一些基本的FFT或信号处理算法，以减轻数据链路和/或中央控制器/服务器的负担。

数据传输协议要求

ADC或传感器的输出通常是SPI接口。这本身并不为数据完整性检查、时间戳、混合来自不同传感器的数据等提供任何机制。在传输之前，将传感器数据封装在边缘节点的更高级别的协议中可能很有用。这可以增加传感器接口的鲁棒性和灵活性，但在边缘节点增加了适当处理和打包数据流的要求。

有关更多信息，请参阅模拟对话文章“为您的应用选择最合适的MEMS加速度计”。

将加速度计输出移植到有线通信总线

如前所述，加速度计的输出通常是模拟或串行数字信号，通常是SPI。SPI输出可以本地处理（允许协议灵活性），然后添加到物理层接口，或直接移植到物理层。

SPI是一种非平衡单端串行接口，用于短距离通信。为了在更长的距离上将SPI直接移植到物理层，可以使用RS-485线路驱动器和接收器。RS-485信令平衡、差分、固有抗噪声，并且在长电缆长度上具有鲁棒性。

在SPI主机和从站之间较长距离使用SPI时，存在一些挑战。SPI本质上是同步的，时钟（SCLK）由SPI主机启动。SPI数据线——主输出从输入（MOSI）和主输入从输出（MISO）——与SCLK同步，在短距离内可靠地实现。SPI还具有有源、低使能片选（CS）信号，如果需要，允许单个从机寻址。

在长距离电缆中，SCLK信号将通过电缆产生传播延迟，对于100米电缆，大约为500 ns。对于 MOSI 数据传输，MOSI 和 SCLK 通过电缆同样延迟。但是，从从MISO发送到主站的数据将因电缆传播延迟的两倍而不同步。

为了恢复主机和从机之间的同步性，可以将时钟信号从从机馈送回主站，或者使用时钟相移补偿主微控制器中的电缆延迟。时钟的相移必须与系统的总延迟相匹配。AN-1397 提供主微控制器延迟补偿的实现细节。

有线通信物理层

长距离通信时，需要强大的物理层。如前所述，RS-485信令具有平衡性、差分性和固有的抗噪声性。系统噪声平均耦合到RS-485双绞线电缆中的每根电线。一个信号发出与另一个信号相反的信号，耦合到RS-485总线上的电磁场相互抵消。这减少了系统的电磁干扰（EMI）。使RS-485成为CbM系统理想的其他关键优势包括：

更高的数据速率，在较短的电缆长度（小于 100 米）上高达 50 Mbps

在较低的数据速率下使用长达 1000 m 的电缆

全/半双工RS-485和RS-422多驱动器/接收器对可以使用最少的元件数将双向SPI转换为RS-485总线信号

宽共模输入范围允许主机和从机之间的接地电位差。

有线接口的 EMC 性能

在长距离电缆传输中，通信网络可能会受到诸如大共模噪声、接地电位差和高压瞬变等危害的影响。

传导和辐射噪声源会影响沿 100 m 电缆长度的通信可靠性。通过使用ADI公司的i耦合器芯片级变压器隔离技术，可以提高对这些噪声源的抗扰度。AN-1398总结了使用i耦合器技术实现的对常见工业瞬变的抗扰度。

共模瞬变抗扰度（CMTI）是隔离器抑制高压/高压摆率噪声瞬变并保持无差错通信的能力。信号和 iso电源隔离设备®提供 25 kV/μs 的最小共模瞬态抗扰度，并且还可以承受高达 100 kV/μs 的最大抗扰度，而不会永久闩锁或损坏。

在工厂自动化环境中，系统设计人员通常无法控制为其通信网络供电的电气装置。最佳做法是假设存在接地电位差。在运动控制系统中，可能会出现数百伏的地电位差。RS-485通信节点需要电气隔离的电源和数据线才能在这些环境中可靠运行。信号和 iso电源隔离器件提供 600 V 峰值（基本）或 353 V 峰值（增强）的最大连续工作电压。基本绝缘可在存在较大接地电位差的情况下实现可靠通信。加强绝缘层可保护操作员免受工厂车间的电击事件的影响。

在有线通信网络中，裸露的连接器和电缆可能会受到许多苛刻的高压瞬变的影响。与可调速电力驱动系统的EMC抗扰度要求相关的系统级IEC 61800-3标准要求至少需要±4 kV接触/ ±8 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护。ADI公司的下一代RS-485收发器提供大于±8 kV触点/±8 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护。

数据线幻象电源

在主控制器和远程CbM传感器节点之间分配电源和数据线需要创新的解决方案来降低电缆成本。将数据和电源结合在单双绞线上意味着显著节省系统成本，并在空间受限的边缘传感器节点上实现更小的印刷电路板 （PCB） 连接器解决方案。

电源和数据使用电感电容网络分布在双绞线上。高频数据通过串联电容器耦合到数据线，这也保护RS-485收发器免受直流总线电压的影响。电源通过连接到数据线的电感器连接到主控制器，然后使用电缆远端CbM从传感器节点上的电感滤除电源。

电缆两端的电感应匹配良好，以避免差模噪声，自谐振频率应至少为10 MHz，以避免干扰ADI公司下一代振动测量系统的实时突发模式。请注意，电源和数据耦合解决方案必须添加到不需要直流数据内容的数据线中，例如MOSI或MISO到RS-485扩展。

推荐的解决方案和性能权衡

根据所提出的设计考虑因素，以下组件为稳健的有线工业振动测量解决方案提供了最佳路径。

ADcmXL3021，宽带宽、低噪声、三轴振动传感器

ADuM5401/ADuM5402，四通道、2.5 kV隔离器，集成DC-DC转换器

ADM3066E，50 Mbps半双工RS-485收发器

ADM4168E，30 Mbps双通道RS-422收发器

LTC2858-1、20 Mbps全双工RS-485收发器

ADP7104， 20 V， 500 mA， 低噪声， CMOS LDO稳压器

推荐的解决方案

ADcmXL3021 MEMS加速度计适用于所有三种解决方案。该加速度计具有超低噪声密度（25 μg/√Hz），支持出色的分辨率。ADcmXL3021还具有宽带宽（直流至10 kHz，平坦度为5%），可在许多机器平台上跟踪关键振动特征。ADcmXL3021为客户提供机械优化的铝制封装，可在宽频率范围内与集成的MEMS传感器一致耦合。这可确保可靠地提取和调节来自被测设备的振动特征。

ADcmXL3021提供SPI输出，可以直接连接到RS-485/RS-422器件，也可以通过微处理器和/或i耦合器信号和电源隔离间接连接到RS-485/RS-422器件，如图1所示。为了实时监控工业设备上的振动特征，ADcmXL3021包括实时流模式，其工作速率约为12 Mbps SPI。

图1.稳健、高度集成的有线MEMS加速度计状态监控解决方案选项。

要将实时流SPI模式连接到RS-485总线，必须选择具有重要数据速率能力的组件。ADM3066E/ADM4168E/LTC2858-1 RS-485/RS-422收发器均以20 Mbps及以上的数据速率工作。

对于图1所示的选项1和选项2，通过SPI直接连接到RS-485，ADM3066E和ADM4168E提供了一个可靠的接口，用于从振动传感器节点实现SPI 3接收、1发送（3+1）配置。SPI CS接收信号使用ADM3066E实现，SPI CLK、MOSI和MISO信号使用ADM4168E实现。在实时流模式下运行时，ADcmXL3021向主微控制器发送中断信号，以标记何时有新的数据突发可供捕获。中断信号（/BUSY）也可以使用ADM4168E传输到主机。

完整的解决方案包括从主站发送到ADcmXL3021的三个信号（MOSI、CS、CLK）和两个从ADcmXL3021发送回主站的信号（MISO、/BUSY）。5×单端信号只需使用两个元件（ADM4168E和ADM3066E）即可转换为差分信号。使用RJ50连接器和插头可以容纳差分信号，与行业标准RJ45以太网连接器相比，它们消耗的PCB面积几乎相同。ADM3066E和ADM4168E收发器提供大于±8 kV接触/±8 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护，在直接连接到有线电缆接口时具有出色的鲁棒性。

对于选项3，微控制器允许对ADcmXL3021 SPI输出进行预处理，并可以在SPI和其他串行接口（如UART）之间执行协议转换。UART是一种常用的异步协议，带有RS-485接口。UART 由发送和接收信号以及发射使能信号组成，所有这些信号均可直接连接到全双工 RS-485 收发器，例如 LTC2858-1。在全双工模式下，LTC2858-1 允许同时进行双向数据传输，从而满足了对 SPI 双向数据传输的要求。微控制器可以处理同步SPI到异步UART协议的转换。

ADuM5401/ADum5402是业界尺寸最小的信号和电源隔离器件。它们包括一个集成的DC-DC转换器，可通过5.0 V输入电源在5.0 V或3.3 V下提供高达500 mW的稳压隔离电源。

在图1中，选项2包括ADuM5401，它从数据总线获取5 V直流电，为ADcmXL3021提供3 V隔离电源。ADuM5401还包括4通道信号隔离，配置适合3+1 SPI隔离。

图1中的选项3包含ADuM5402，与ADuM5401类似。主要区别在于ADuM5402提供2个发送和2个接收数字隔离通道。

如前所述，ADuM5401/ADuM5402提高了有线CbM接口的EMC抗扰度，保护ADcmXL3021免受高压干扰和RS-485电缆接口上的地电位差的影响。

性能权衡

表1使用许多关键指标比较了这三种解决方案，包括设计灵活性、PCB面积、解决方案成本、复杂性和EMC性能。

解决方案选项	设计灵活性	印刷电路板面积	解决方案成本	复杂性/ 集成性	电磁兼容性能
1	低	低	低	低	中等
2	低	低/中	低/中	低	高
3	高	中等	中等	中等	高

在CbM传感器节点上集成微控制器将提高设计灵活性，但代价是PCB面积增加和软件复杂性增加。由于主CbM节点将有一个处理器，这意味着图1中的选项3本质上是一个双微控制器系统，与主CbM节点上的单个微控制器相比，其启动和运行速度较慢。

选项 1 和选项 2 提供较低的设计灵活性，但提供了更快速部署的途径，因为它们可以促进低复杂度、透明的 SPI 到 RS-485 链路。与选项 3 相比，选项 1 和选项 2 还提供了实现更小 PCB 外形尺寸的途径，后者需要为微控制器和相关电路（例如，时钟振荡器和多个无源元件）提供额外的 PCB 面积。

在选项 2 和选项 3 中添加 i耦合器信号和电源隔离，可对 PCB 面积造成最小的损失，并且比使用 RS-485/RS-422 收发器进行片上保护时提高 EMC 性能。

低数据速率解决方案

对于以较低数据速率（小于2 Mbps）运行的有线应用，LTC4332 SPI扩展器提供了一种替代方案，用于加固主从传感器节点之间的SPI链路。LTC4332 能够传输 SPI 数据，包括通过两条双绞线电缆传输一个中断信号。该解决方案可显著节省成本，因为与标准解决方案相比，可使用的总线布线最多可减少 50%。

图2.LTC4332 SPI 扩展器接口可节省电缆成本。

审核编辑：郭婷