新单对以太网技术：状态检测场景中的进行高质量资产健康探测以及供电的2线制技术

作者：ADI公司 战略营销经理 Maurice O’Brien

随着设备制造商希望通过实时监控设备来提高资产利用率、延长设备的使用寿命，以及通过采用预测性维护技术来降低维护成本和设备停机时间，从而提高设备的吞吐量，状态监控应用变得越来越重要。状态监控也被用于提升制造质量和制造工厂的安全性。

鉴于计划外停机的成本可能占总制造成本的近四分之一，所以采用预测性维护有望大幅节省成本并提高生产力。关注状态监控的工业市场报告显示，这个市场的复合年均增长率预计在25%至40%之间，主要受两大增长领域推动。第一，是增加智能传感器的部署数量，用于监测资产的运行状况；第二，是加大人工智能和高级分析的使用，将资产运行状况数据转化为可执行的见解，以部署预测性维护功能，创造以服务为基础的新型预测性维护业务模式机遇。新型状态监控的部署增长涉及各种行业，包括水和废水处理、制造、食品和饮料、制药、金属和采矿、能源、石油和天然气装置等。在这些行业中，状态监控应用不再局限于传统的旋转设备应用（泵、压缩机和风机），而是扩展到适合CNC机床、机床、编码器、传送带、机器人和仪器仪表等新应用。要使状态监控应用不断得到发展，需要解决的一个关键挑战是，实现智能传感器与更高级别的管理系统之间的连接，后者根据从被监控的资产获取的信息实施操作。

图1：状态监控应用

截止目前，状态监控应用一直使用有线或无线连接解决方案，具体由终端应用要求决定。无线连接解决方案在部署方面存在优势，但带宽和/或电池寿命通常受到限制。有线连接解决方案有时受到数据带宽限制，在恶劣的工业环境下无法支持长距离传输，且通常需要采用单独的电源线。基于100BASE-TX/10BASE-T的现有的工业以太网解决方案通过带PoE的CAT-5或CAT-6/e电缆提供高达100-Mb速率的高数据带宽，但覆盖距离在100米之内，且不能在危险区域内使用，因为它们是高功率解决方案。状态监控应用需要能够支持潜在的远程传感器，这些传感器需要在一个空间和功率受限的IP66/67外壳中进行远程通信，因为该外壳被部署在恶劣的工业环境中。这些受限的传感器节点应用需要采用一种低功耗、高数据带宽的通信解决方案，通过一根低成本、易于安装的电缆（采用小型电缆接头）将电能和数据传输到传感器节点。

由IEEE制定的新单对以太网（SPE）物理层标准为传输资产运行状况信息，实施状态监控应用提供了新的连接解决方案。10BASE-T1L是在2019年11月7日经过IEEE认证的新以太网物理层标准（IEEE 802.3cg-2019）。这将通过与现场级器件的无缝以太网连接显著提高工厂运营效率，变革自动化行业。10BASE-T1L解决了至今为止一直限制现场使用以太网的挑战。这些挑战包括功率、带宽、布线、距离、数据岛以及本质安全0区（危险区域）应用。通过解决后装升级以及前装安装的挑战，10BASE-T1L将有助于获得以前无法获取的新资产运行状况信息，并将它们无缝传送给控制层、云/私人服务器。这些新的见解将通过从现场资产到云或私人服务器的融合以太网网络（请参见图2），让数据分析、运营见解和生产力提高成为可能。

而10BASE-T1L无需采用传统通信用于连接至控制和管理网络的耗电复杂网关，可跨信息技术（IT）和操作技术（OT）网络使能融合以太网网络。通过此融合网络，可简化安装和器件更换，加快网络调试和配置。最终将加快软件更新，简化根本原因分析和现场级资产维护。10BASE-T1L物理层与消息传输协议（MQTT）融合，为现场资产提供消息传输协议，其中，低功耗智能传感器仅占用少量内存空间。MQTT将资产运行状况信息直接与云或私人服务器连接，以实施高级数据分析，进而采用预测性维护技术。

要与支持10BASE-T1L的现场资产通信，需要具有集成介质访问控制（MAC）的主机处理器、无源介质转换器或具有10BASE-T1L端口的交换机。无需其他软件、自定义TCP/IP堆栈和特殊驱动程序（请参见图3）。这就使10BASE-T1L器件具有明显优势：

图2：融合IT/OT网络上的资产运行状况信息

图3：采用10BASE-T1L PHY的现场资产、智能传感器连接

•10BASE-T1L是一种功耗极低的物理层技术，可以采用高数据带宽连接解决方案实现极低功耗的智能传感器部署。

•通过10BASE-T1L连接的智能传感器可通过网络访问，并可随时随地远程更新。传感器变得越来越复杂，软件也更有可能更新。现在，通过快速以太网连接，可在现实时间段内做到这一点。

•访问高级以太网网络诊断工具简化根本原因分析。

•通过单条长达或超过1千米的双绞线（在单条双绞线上同时传输功率和数据），提高智能传感器安装的灵活性。

•现在，通过在现场资产上运行的网络服务器，我们可以远程获取并随时随地访问资产运行状况信息，使得维护人员无需再“四处走动”来监控资产运行状况，帮助大幅节省了成本。

ADIN1100（ADI的10BASE-T1L PHY）可以在超过1200米长的单条双绞线上实现更低功耗的以太网连接，其功耗仅为39 mW。采用10BASE-T1L之后，可在单条双绞线上同时提供功率和数据。10-Mb数据带宽通信链路可在同一条电缆上传输大量功率，为现场资产提供智能传感器、功率和连接带宽，以实现新型状态监控应用。采用10BASE-T1L连接之后，获取资产运行状况信息变得更加容易，因为这些信息现在可通过融合IT/OT以太网网络获取。10BASE-T1L可在危险区域内使用（本质安全区域0），用于实施过程自动化部署，有时候被称为以太网APL。10BASE-T1L/以太网APL将提供新的低功耗连接解决方案，将资产运行状况监测智能传感器连接到用于实施AI和高级分析的高级数据管理系统，从而将资产运行状况数据转换为可操作的信息，以部署新的预测维护服务。

图4：ADI公司，状态监控功能

ADI公司为状态监控应用提供完整的系统级解决方案，实现对现场资产的实时监控。ADI致力于利用在检测、信号处理、连接、机械封装技术和AI等领域数十年的经验，实现下一代状态监控应用。ADI OtoSense™是一款AI驱动的平台，能够实时传感和解译声音、振动、压力、电流或温度等信息，用于连续状态监控和按需诊断，以在各级客户系统中实现AI集成。它可以实时在终端上的现场资产上运行（在线和离线），以对现场资产实施持续状态监控。ADI OtoSense™可以自行检测异常，通过与状态监控领域专家交互不断学习，可创建数字指纹以帮助识别故障，并可以提早预测故障，从而避免发生代价高昂的停机、损坏或重大故障。

将ADI在检测、信号链和系统设计考量等方面的深厚领域知识与我们的AI检测和解译平台融合，帮助客户更快部署新状态监控系统；通过访问更高质量的数据和信息，从他们的状态监控解决方案中获取更多价值；改善客户的制造工艺，延长设备的现场使用寿命，减少意外停机时间，同时保持最高水平的质量和安全。ADI的状态监控系统级解决方案提供技术和信息，为部署的设备创建新的、高价值的预测性维护服务产品。

作者简介

Maurice O’ Brien是ADI公司工业自动化部的战略营销经理。他负责交付以工业自动化为重点的系统级解决方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工业以太网领域工作了3年，在电源管理应用和营销领域工作了15年。他拥有爱尔兰利默里克大学的电子工程学士学位。