對(duì)機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)器（例如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)）實(shí)施的基于狀態(tài)的監(jiān)控會(huì)記錄與機(jī)器的健康和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便有針對(duì)性地實(shí)施預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)維護(hù)，可以減少生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。
如何實(shí)施基于狀態(tài)的有線(xiàn)監(jiān)控解決方案？
要對(duì)工業(yè)機(jī)器實(shí)施基于狀態(tài)的監(jiān)控，可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，如電氣測(cè)量、振動(dòng)、溫度、油品質(zhì)量、聲學(xué)和流程測(cè)量（如流量和壓力）。但是，振動(dòng)測(cè)量是目前最常見(jiàn)的，因?yàn)樗梢宰羁煽康刂甘境鰴C(jī)械問(wèn)題，例如不平衡和軸承故障。本文主要研究振動(dòng)傳感的應(yīng)用，但該方法同樣適用于來(lái)自其他傳感器的數(shù)據(jù)。
這種傳輸意味著將來(lái)自感測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器或者云高度依賴(lài)應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，一些本地?cái)?shù)據(jù)會(huì)在終端節(jié)點(diǎn)處理，匯總數(shù)據(jù)隨后通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，或者直接通過(guò)蜂窩鏈路發(fā)送至云或分析服務(wù)器。在這些情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常都相當(dāng)?shù)�，而且因�(yàn)榻K端節(jié)點(diǎn)是由電池供電，所有通常要求保持低功耗。在其他應(yīng)用中，需要進(jìn)行原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸。例如，在分析之前可能需要對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和融合。在使用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用中，也需要進(jìn)行原始數(shù)據(jù)傳輸。在這些應(yīng)用中，更可能采用有線(xiàn)接口作為數(shù)據(jù)傳輸解決方案。
工業(yè)應(yīng)用的CbM可以使用ADI公司經(jīng)過(guò)優(yōu)化的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、低功耗微控制器和有線(xiàn)iCoupler?隔離接口信號(hào)鏈來(lái)提取、調(diào)整來(lái)自遠(yuǎn)程CbM從機(jī)的機(jī)器健康狀況數(shù)據(jù)，并將其可靠回傳至主控制器進(jìn)行分析。隨著時(shí)間的推移，可以使用機(jī)器健康數(shù)據(jù)創(chuàng)建基于軟件的模型來(lái)確定機(jī)器行為的變化，并主動(dòng)維護(hù)機(jī)器健康。在一些應(yīng)用中，如數(shù)控機(jī)床，數(shù)據(jù)也可以用來(lái)實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)性能。
實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)CbM接口的挑戰(zhàn)包括：在長(zhǎng)電纜上運(yùn)行時(shí)EMC的穩(wěn)健性、以高波特率傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的完整性（用于實(shí)時(shí)傳輸CbM數(shù)據(jù)流），以及通信物理層/協(xié)議的不匹配。ADI公司的信號(hào)鏈和系統(tǒng)級(jí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)為實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)CbM接口提供了幾種可能的選擇。
本文分兩個(gè)部分，第一部分介紹了ADI公司的有線(xiàn)接口解決方案，該方案幫助客戶(hù)縮短設(shè)計(jì)周期和測(cè)試時(shí)間，讓工業(yè)CbM解決方案更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
有線(xiàn)CbM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)和部署基于狀態(tài)的有線(xiàn)監(jiān)控解決方案需要考量多個(gè)系統(tǒng)性能因素，并進(jìn)行權(quán)衡取舍。
首先，在選擇合適的MEMS加速度計(jì)時(shí)，必須考慮需要測(cè)量的故障類(lèi)型，從而選擇合適的帶寬和噪聲性能MEMS來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。邊緣節(jié)點(diǎn)處理需要仔細(xì)匹配所選的處理器，以確保最高的系統(tǒng)靈活性。
其次，有線(xiàn)CbM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要精心選擇合適的有線(xiàn)通信協(xié)議和物理層，以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸。實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)接口需要仔細(xì)考慮EMC性能、數(shù)據(jù)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(jì)
選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器涵蓋幾個(gè)方面：
軸數(shù)
被監(jiān)測(cè)的軸數(shù)通常與故障類(lèi)型和傳感器的安裝布置呈函數(shù)關(guān)系。如果能明顯看出故障涉及一個(gè)主導(dǎo)軸，并且在該軸上有一個(gè)清晰的傳輸路徑，那么采用單軸傳感器就足夠了。三軸傳感對(duì)于多軸中包含能量的故障或故障能量傳輸路徑不明確的故障是有用的。
故障類(lèi)型
被監(jiān)測(cè)的故障類(lèi)型對(duì)傳感器選擇有重要影響。傳感器的噪聲密度和帶寬是這方面的重要指標(biāo)，因?yàn)樗鼈儧Q定了能夠可靠提取的振動(dòng)水平和頻率范圍。例如，對(duì)于低轉(zhuǎn)速機(jī)器的不平衡和失調(diào)故障，可能需要一個(gè)低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當(dāng)?shù)�，而齒輪故障檢測(cè)需要傳感器兼具低噪聲密度和高帶寬。
性能要求
除了故障類(lèi)型外，了解CbM的性能要求也很重要。對(duì)基本交通燈類(lèi)型的狀態(tài)指示器實(shí)施報(bào)警檢測(cè)，需要通過(guò)不同水平的性能來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)測(cè)。這顯然適用于正在部署的分析和算法，但也會(huì)影響傳感器的選擇。傳感器在帶寬、噪聲密度和線(xiàn)性度方面的性能水平越高，分析能力就越強(qiáng)。
選擇合適的信號(hào)處理
設(shè)計(jì)考量因素包括：
加速度計(jì)輸出
加速度計(jì)的輸出一般是模擬或串行數(shù)字信號(hào)，通常是SPI。模擬輸出傳感器將需要一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換階段，也需要進(jìn)行一些信號(hào)調(diào)理。這可以是一個(gè)支持前置放大器調(diào)理的分立ADC，也可以是微控制器中的嵌入式ADC。
邊緣節(jié)點(diǎn)處理要求
為了減輕數(shù)據(jù)鏈路和/或中央控制器/服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，邊緣節(jié)點(diǎn)上可能需要一些基本的FFT或信號(hào)處理算法。
數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求
ADC或傳感器的輸出通常是SPI接口。它本身并不提供任何機(jī)制用于實(shí)施數(shù)據(jù)完整性檢查、確定時(shí)間戳、混合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)等。在傳輸之前，將傳感器數(shù)據(jù)封裝在邊緣節(jié)點(diǎn)的高級(jí)協(xié)議中是非常有用的。這可以提高傳感器接口的穩(wěn)健性和靈活性，但是要求在邊緣節(jié)點(diǎn)上妥當(dāng)處理和封裝數(shù)據(jù)流。
將加速度計(jì)輸出移植到有線(xiàn)通信總線(xiàn)
如前所述，加速度計(jì)的輸出一般是模擬或串行數(shù)字信號(hào)，通常是SPI。SPI輸出可以在本地處理（允許協(xié)議靈活性），然后添加到物理層接口，或者直接移植到物理層。
SPI是一個(gè)不平衡的單端串行接口，用于短距離通信。要在更長(zhǎng)的距離內(nèi)直接將SPI移植到物理層，需要使用RS-485線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器和接收器。RS-485信號(hào)傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾，且通過(guò)長(zhǎng)線(xiàn)纜長(zhǎng)度時(shí)具有穩(wěn)健性。
在SPI主機(jī)和從機(jī)之間的較長(zhǎng)距離上使用SPI時(shí)，存在一些挑戰(zhàn)。SPI從本質(zhì)上是同步的，具有一個(gè)由SPI主機(jī)啟動(dòng)的時(shí)鐘(SCLK)。SPI數(shù)據(jù)線(xiàn)路——主機(jī)輸出從機(jī)輸入(MOSI)和主機(jī)輸入從機(jī)輸出(MISO)——與SCLK同步，在短距離范圍內(nèi)這是可以實(shí)現(xiàn)的。SPI還有一個(gè)有效的、低使能芯片選擇(CS)信號(hào)，如果需要，它允許單獨(dú)的從機(jī)尋址。
為了恢復(fù)主機(jī)和從機(jī)之間的同步，可以將來(lái)自從機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)反饋給主機(jī)，或者使用時(shí)鐘相移補(bǔ)償主控制器的電纜延遲。時(shí)鐘的相移必須與系統(tǒng)的總延遲匹配。AN-1397提供主微控制器延遲補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
有線(xiàn)通信物理層
進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)，需要采用穩(wěn)健可靠的物理層。如前所述，RS-485信號(hào)傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統(tǒng)噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線(xiàn)電纜中的每條導(dǎo)線(xiàn)。一個(gè)信號(hào)的發(fā)射與另一個(gè)信號(hào)相反，耦合到RS-485總線(xiàn)的電磁場(chǎng)彼此抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。讓RS-485非常適合CbM系統(tǒng)的一些額外關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)包括：
更高的數(shù)據(jù)速率，電纜長(zhǎng)度較短（小于100米）時(shí)可達(dá)50Mbps
數(shù)據(jù)速率較低時(shí)，線(xiàn)纜長(zhǎng)度可達(dá)1000米
全/半雙工RS-485和RS-422多驅(qū)動(dòng)器/接收器對(duì)可以使用最小量的組件，將雙向SPI轉(zhuǎn)換為RS-485總線(xiàn)信號(hào)
較寬的共模輸入范圍允許主機(jī)和從機(jī)之間具備接地電位差異
有線(xiàn)接口的EMC性能
在長(zhǎng)電纜中傳輸時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)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(tài)。
傳導(dǎo)和輻射噪聲源可影響100米線(xiàn)纜長(zhǎng)度內(nèi)的通信可靠性。采用ADI公司的iCoupler芯片級(jí)變壓器隔離技術(shù)可以提高對(duì)這些噪聲源的抗干擾能力。AN-1398概述了利用iCoupler技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的對(duì)常見(jiàn)工業(yè)瞬態(tài)的抵抗力。
在工廠自動(dòng)化環(huán)境中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常無(wú)法控制提供通信網(wǎng)絡(luò)的電氣裝置。最好的做法是假定存在接地電位差異。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)百伏的接地電位差異。RS-485通信節(jié)點(diǎn)需要電流隔離電源和數(shù)據(jù)線(xiàn)路能在這些環(huán)境中可靠地運(yùn)行。信號(hào)和isoPower隔離器件提供峰值可達(dá)600V（基礎(chǔ)）或353V（增強(qiáng)型）的最大連續(xù)工作電壓。在存在較大接地電位差異的情況下，基礎(chǔ)絕緣支持實(shí)現(xiàn)可靠的通信。增強(qiáng)型絕緣保護(hù)操作人員免于在廠區(qū)受到電擊。
在有線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中，暴露在外的連接器和電纜可能遭受許多嚴(yán)苛的高壓瞬態(tài)影響。與變速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)IEC61800-3標(biāo)準(zhǔn)，要求最低±4kV（接觸）/±8kV（空氣）的IEC61000-4-2ESD保護(hù)。ADI公司的新一代RS-485收發(fā)器提供高于±8kV（接觸）/±8kV（空氣）IEC61000-4-2ESD保護(hù)。
數(shù)據(jù)線(xiàn)路上的幻象電源
在主控制器和遠(yuǎn)程CbM傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配電力和數(shù)據(jù)線(xiàn)路需要采用創(chuàng)新的解決方案來(lái)降低電纜成本。將數(shù)據(jù)和電力線(xiàn)路融合在單一雙絞線(xiàn)上意味著可以大幅節(jié)省系統(tǒng)成本，以及可以在空間有限的終端傳感器節(jié)點(diǎn)位置采用更小的印刷電路板(PCB)連接器解決方案。
功率和數(shù)據(jù)通過(guò)電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在雙絞線(xiàn)對(duì)上。高頻數(shù)據(jù)通過(guò)串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線(xiàn)路耦合，同時(shí)保護(hù)RS-485收發(fā)器免受直流總線(xiàn)電壓影響。主控制器上的電源通過(guò)電感器連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)路，然后使用電纜遠(yuǎn)端的CbM從傳感器節(jié)點(diǎn)上的電感器進(jìn)行濾波。
電纜兩端的電感應(yīng)良好匹配，以避免產(chǎn)生差分模式噪聲，自諧振頻率應(yīng)至少達(dá)到10MHz，避免對(duì)ADI公司新一代振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)突發(fā)模式產(chǎn)生干擾。注意，電源和數(shù)據(jù)耦合解決方案必須添加到不需要直流數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)線(xiàn)路中，例如MOSI或MISO到RS-485的擴(kuò)展件。
