Непрерывный мониторинг в режиме реального времени и профилактическое техническое обслуживание приобретают сегодня все большее значение, так как владельцы предприятий стремятся увеличить производительность, сократив при этом затраты на текущий ремонт и время простоя оборудования.

Потребности современного производства в системах мониторинга
Правильно построенная система мониторинга позволяет значительно увеличить срок службы, улучшить качество продукции, а также повысить уровень безопасности на предприятии.
Учитывая, что потери от внеплановых простоев могут достигать почти четверти всех производственных затрат, своевременная диагностика и техническая профилактика обеспечивают значительную экономию средств и рост производительности [1].
Согласно отраслевым отчетам о состоянии рынка, среднегодовой рост (compound annual growth rate, CAGR) использования систем наблюдения на предприятиях составляет 25−40% и в основном определяется двумя тенденциями. Первая из них — все более частое применение интеллектуальных датчиков для регулярного технического контроля на предприятии. Вторая — увеличение потребности во внедрении искусственного интеллекта и усовершенствованных
аналитических функций для преобразования данных с последующими выводами о принятии мер профилактического техобслуживания и составлением бизнес-моделей на основе полученных сведений. Предполагается, что новые системы мониторинга найдут применение во многих отраслях промышленности, к которым относятся:
• очистные и перерабатывающие предприятия;
• промышленное производство;
• целлюлозно-бумажные комбинаты;
• пищевая промышленность;
• фармацевтическая промышленность;
• горнодобывающая промышленность и металлообработка;
• энергетика;
• нефтепереработка.
В указанных отраслях задачи, выполняемые такими системами, выходят далеко за рамки традиционного использования в оборудовании с вращающимися механизмами (например, в насосах, компрессорах, турбинах, вентиляторах), и они широко применяются в станках с ЧПУ, конвейерных лентах, промышленных роботах, измерительных приборах и другой аппаратуре (рис. 1).

Актуальные проблемы связи
Одна из ключевых проблем при использовании систем мониторинга оборудования — организация связи между интеллектуальными датчиками и комплексами управления более высокого уровня. В зависимости от требований конечной системы связь устанавливается с помощью проводных или беспроводных технологий. Основное преимущество беспроводного подключения заключается в простоте развертывания, а недостаток — в ограничениях, связанных с шириной полосы пропускания и временем работы от батареи. В свою очередь, полоса пропускания проводной связи также ограничена, а передача данных на большие расстояния в жестких условиях эксплуатации не всегда возможна и часто требует отдельного кабеля питания.
Существующие сегодня устройства на основе промышленных сетей Ethernet 100BASE-TX/10BASE-T обеспечивают скорость передачи данных до 100 Мбит/с и PoE-питание по кабелю Cat‑5 или Cat‑6e, длина которого, однако, ограничена 100 м. Кроме того, подобные решения нельзя использовать во взрывоопасных зонах из-за высокой передаваемой мощности. При необходимости системы мониторинга должны обеспечивать надежную связь на большом расстоянии с датчиковыми узлами в корпусах со степенью защиты IP66/IP67, ограниченными размерами и потребляемой мощностью, и работать в жестких условиях промышленной эксплуатации. Таким образом, для этих узлов необходимо решение с малым энергопотреблением и высокой пропускной способностью, которое обеспечивает передачу данных и питания по недорогому и легко монтируемому кабелю с компактным разъемом.

Новые решения на основе технологии однопарного Ethernet
Новая технология Ethernet, разработанная IEEE, получила название однопарного Ethernet (single pair Ethernet, SPE) и позволяет реализовать новые возможности подключения для передачи аналитических данных при мониторинге оборудования. Стандартом, определяющим физический уровень SPE, стал 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg‑2019), утвержденный IEEE 7 ноября 2019 года. Ожидается, что этот стандарт существенно улучшит эффективность автоматизации путем бесшовного подключения Ethernet к производственным установкам и механизмам и поможет решить те проблемы, которые до сих пор ограничивали применение Ethernet на предприятии. К ним относятся проблемы, связанные с электропитанием, пропускной способностью, кабельной сетью, длиной линий передачи, островами данных (Data Islands) и обеспечением искробезопасности электрических цепей во взрывоопасной атмосфере (искробезопасная зона 0).
Решая эти проблемы на существующих и создаваемых предприятиях, 10BASE-T1L открывает новые возможности для анализа состояния машин и механизмов и беспрепятственного подключения систем мониторинга к управляющему уровню, облачному или частному серверу. Этот стандарт позволит улучшить анализ данных, контроль над эксплуатируемым оборудованием и повысить производительность предприятий благодаря конвергентной сети Ethernet, обеспечивающей связь устройств с облаком или частным сервером (рис. 2).

Преимущества использования 10BASE-T1L Ethernet
Одно из главных преимуществ стандарта 10BASE-T1L — отсутствие необходимости в использовании энергоемких и сложных по структуре шлюзов, а также возможность организации конвергентной сети Ethernet, объединяющей информационные и операционные технологии (IT/OT) в одно целое. Такая сеть позволяет значительно упростить и ускорить процесс установки, замены и включения в сеть новых устройств и повысить скорость обновления их программного обеспечения, что, в свою очередь, выводит процесс обслуживания оборудования на качественно новый уровень. Применение 10BASE-T1L в сочетании с протоколом обмена сообщениями MQTT становится оптимальным решением для устройств с небольшим объемом памяти или интеллектуальных датчиков с малым энергопотреблением. Протокол MQTT обеспечивает прямую передачу необходимых данных облачным или частным серверам для последующего анализа с целью проведения профилактического обслуживания.
Для подключения производственного оборудования с поддержкой 10BASE-T1L к сети требуется хост-процессор с интегрированным управлением доступа к среде (medium access control, MAC) и пассивный медиаконвертер или коммутатор с портами 10BASE-T1L. При этом не понадобится дополнительное программное обеспечение, специальные драйверы или настраиваемые стеки TCP/IP (рис. 3).

Упрощенная схема подключения и минимальное количество используемого оборудования дает 10BASE-T1L следующие преимущества:
• 10BASE-T1L — технология с малым энергопотреблением и высокой пропускной способностью, оптимальная для подключения и развертывания сети на основе интеллектуальных датчиков с низким энергопотреблением.
• К «умным» датчикам, подключенным по стандарту 10BASE-T1L, имеется доступ по всей сети; они могут удаленно обновляться в любой момент и независимо от своего местонахождения. Благодаря высокой скорости передачи данных обновление по сети Ethernet не займет много времени.
• Доступ к усовершенствованным диагностическим средствам Ethernet-сети, облегчающим причинно-следственный анализ.
• Многовариантность монтажа датчиков: для подключения предусмотрен кабель с одной витой парой длиной 1 км и больше, по которому передаются данные и питание датчика.
• Доступ к данным осуществляется удаленно через веб-сервер, благодаря чему сокращается потребность в техническом осмотре приборов, проводимом специалистами, и значительно снижаются производственные расходы.

10BASE-T1L: питание и данные по двум проводам
Одной из микросхем, позволяющих организовать подключение датчика к сети 10BASE-T1L, является приемопередатчик ADIN1100 от компании Analog Devices. Его потребляемая мощность составляет всего 39 мВт. Микросхема обеспечивает подключение датчиков к сетям 10BASE-T1L на расстояние свыше 1000 м. Технология SPoE (Single-pair Power over Ethernet), или специализированные решения, объединенные с приемопередатчиком 10BASE-T1L, реализуют передачу питания и данных по одной витой паре.
Пропускная способность канала достигает примерно 10 Мбит/с, что наряду со значительной передаваемой мощностью позволяет создавать современные системы мониторинга на основе интеллектуальных датчиков. Появление стандарта 10BASE-T1L сделало возможным развертывание конвергентных сетей Ethernet IT/OT, что значительно упростило сбор и обработку аналитической информации. 10BASE-T1L поддерживает эксплуатацию систем во взрывоопасных зонах (искробезопасная зона 0). Иногда этот стандарт называется Ethernet-APL (Ethernet Advanced Physical Layer). 10BASET1L/Ethernet-APL предоставляет возможность предприятиям создавать новые, более совершенные системы мониторинга на основе интеллектуальных датчиков с малым энергопотреблением, повышая скорость и качество обработки аналитических данных для диагностики и последующего профилактического обслуживания.

Решения на системном уровне и платформы искусственного интеллекта для мониторинга
Использование комплексных решений на системном уровне для мониторинга оборудования служит ключом к повышению качества, скорости сбора и обработки аналитики, а значит, и к росту производительности всей системы. Достижения в области 10BASET1L/Ethernet-APL в сочетании с платформами мониторинга в режиме реального времени, например OtoSense от ADI, позволяют использовать принципы искусственного интеллекта на всех уровнях клиентских систем.
С помощью датчиков платформа OtoSense компании ADI обнаруживает любой звук, вибрацию, колебания давления, тока или температуры, обрабатывает эти сведения и ведет непрерывный контроль состояния приборов и устройств. Платформа также осуществляет диагностику по запросу и работу не только в онлайн-, но и в офлайн-режиме. OtoSense создает цифровой отпечаток устройства и автоматически отслеживает нарушения в его работе, что позволяет идентифицировать неисправности задолго до возникновения поломок, приводящих к дорогостоящему простою оборудования или его повреждению.
Достижения в области создания интеллектуальных датчиков, обработки сигналов, способов подключения к сети, а также построения корпусов и применение искусственного интеллекта в периферийных устройствах помогают создавать новые решения для мониторинга и диагностики, обеспечивая значительную экономию средств и повышая производительность.
В современных решениях системного уровня для задач мониторинга используются МЭМС-датчики, отвечающие за обнаружение вибрации и ударов, прецизионные преобразователи для сбора данных, а также блоки для краевых вычислений, благодаря чему обеспечивается высокое качество полученных сведений.

Для беспроводной передачи данных, как правило, предусмотрены коммуникационные решения SmartMesh или Wireless HART, а в случае проводной связи в наиболее эффективных решениях используются стандарты RS‑485 или 10BASE-T1L с однопарным Ethernet, обеспечивающим питание и передачу данных по двум проводам. Эти технологии совместно с высокопроизводительной системой управления электропитанием объединяются в комплексные решения для мониторинга (например, на платформе OtoSense), которые находят применение
в диагностическом оборудовании (рис. 4).
Своевременное получение и качественная обработка данных о состоянии оборудования на «умных» предприятиях позволяют значительно продлить его срок службы, снизить затраты на обслуживание и устранить незапланированные простои, обеспечив высокий уровень безопасности производства.

Литература
1. The Costs and Benefits of Advanced Maintenance in Manufacturing. U. S. Department of Commerce.