Drahtgebundene vorausschauende Wartung für Industrie 4.0

| Autor / Redakteur: Richard Anslow und Dara O`Sullivan * / Kristin Rinortner

Ganz nah dran: Die Auswahl der richtigen Sensoren hat entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit einer Fernwartungslösung für Industrie-4.0-Anwendungen.
Ganz nah dran: Die Auswahl der richtigen Sensoren hat entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit einer Fernwartungslösung für Industrie-4.0-Anwendungen. (Bild: Analog Devices/Adobe Stock)

Dieser Artikel beschreibt drahtgebundene Interface-Lösungen, die den Designzyklus und die Testzeit von Lösungen zur vorausschauenden Wartung reduzieren und eine schnellere Markteinführung ermöglichen.

Die Entwicklung und der Einsatz einer drahtgebundenen Überwachung erfordern verschiedene Kompromisse. Bei der Auswahl des MEMS-Beschleunigungssensors muss die Fehlerart berücksichtigt werden, damit der MEMS-Sensor mit korrekter Bandbreite und korrektem Rauschverhalten im System arbeitet. Die Datenverarbeitung am Sensorknoten erfordert eine sorgfältige Auswahl des Prozessors, um eine maximale Systemflexibilität zu erzielen.

Auch Kommunikationsprotokoll und physikalischer Layer muss sorgfältig gewählt werden, damit eine Arbeit in Echtzeit möglich wird. Weiterhin muss die EMV von Verkabelung und Steckverbindern sowie und Leistungsübertragung über die Leitung berücksichtigt werden.

Die Auswahl des MEMS-Schwingungssensors unterliegt verschiedenen Aspekten. Die Anzahl der zu überwachenden Achsen ist in der Regel abhängig von der Fehlerart und der Anordnung des Sensors. Hat der Fehler eine klar dominierende Achse und einen klaren Übertragungspfad in dieser Achse, ist ein Einachsen-Sensor ausreichend. Das Erfassen von drei Achsen ist nützlich bei Fehlern, die Energie in mehreren Achsen generieren oder besonders dann, wenn der Übertragungspfad der Fehlerenergie unklar ist.

Rauschdichte und Bandbreite sind wichtige Spezifikationen

Der zu überwachende Fehlertyp hat einen signifikanten Einfluss auf die Wahl des Sensors. Seine Rauschdichte und Bandbreite sind wichtige Spezifikationen und bestimmen den Schwingungspegel und Frequenzbereich, der zuverlässig erkannt wird. Beispielsweise erfordert ein Fehler bei der Unwucht und Fluchtung bei Maschinen mit niedriger Drehzahl einen Sensor mit geringer Rauschdichte und ziemlich geringen Anforderungen an die Bandbreite, während ein Getriebefehler sowohl eine geringe Rauschdichte als auch hohe Bandbreite des Sensors bedingen.

Zusammen mit der Fehlerart ist es auch wichtig, die Anforderungen an die vorrausschauenden Wartung (Condition Based Monitoring, CbM) zu verstehen. Alarmerkennung von auf dem Ampel-Prinzip basierenden Zustandsanzeigen benötigen andere Leistungspegel für anspruchsvolle Prognosen. Dies beeinflusst sowohl die Analyse und Algorithmen als auch die Sensorwahl. Je höher die Anforderungen an den Sensor bezüglich Bandbreite, Rauschdichte und Linearität sind, desto höher entwickelt müssen die Analysefähigkeiten sein.

Der Ausgang eines Beschleunigungssensors ist entweder analog oder digital, i.d.R. SPI. Ein Sensor mit analogem Ausgang benötigt eine digitale Wandlungsstufe und eine gewisse Signalkonditionierung. Dies kann mit einem diskreten A/D-Wandler mit Vorverstärker oder einem in einen zentralen Controller/Server eingebetteten A/D-Wandler erfolgen. Einige grundlegende FFT- oder Signalverarbeitungs-Algorithmen können am Sensorknoten nötig sein, um die Arbeitslast von der Datenverbindung und/oder dem zentralen Controller/Server fernzuhalten.

Sensordaten in ein Protokoll kapseln

Die SPI-Schnittstelle am Ausgang des A/D-Wandlers oder Sensors liefert jedoch nicht unbedingt Mechanismen zur Prüfung der Datenintegrität, Zeitmarkierung, Kombinieren der Daten von unterschiedlichen Sensoren etc. Es kann nützlich sein, die Sensordaten zur geeigneten Behandlung und Übertragung vor der Sendung am Sensorknoten in einem Protokoll auf höherem Niveau zu kapseln.

SPI ist eine unsymmetrische referenzbezogene serielle Schnittstelle für die Kommunikation über kurze Entfernungen. Um SPI direkt an den physikalischen Layer für die Übertragung über größere Entfernungen zu legen, können RS-485-Leitungstreiber und -Empfänger eingesetzt werden. Die RS-485-Signale sind symmetrisch, differenziell und rauschfest sowie über lange Distanzen robust. Das Systemrauschen wird gleichmäßig in jedes Kabel eines verdrillten RS-485-Leitungspaares eingekoppelt. Ein Signal ist der Gegenpart des jeweils anderen und die elektromagnetischen Felder, die in den RS-485-Bus eingekoppelt werden, heben sich deshalb gegenseitig auf. Dies reduziert die elektromagnetischen Interferenzen des Systems.

Weitere Vorteile, durch die RS-485 gut für Systeme zur vorausschauenden Wartung geeignet ist, sind: höhere Datenraten von bis zu 50 MBit/s auf Leitungslängen unter 100 m, bei geringeren Datenraten Entfernungen bis zu 1000 m, Voll-/Halb-Duplex-RS-485 und multiple RS-422-Treiber/Empfänger-Paare können bidirektionale RS-485 mit minimalen Zusatzkomponenten umsetzen und der weite Gleichtakt-Eingangsbereich erlaubt unterschiedliche Massepotenziale zwischen Master und Slave.

Daten und Stromversorgung über ein Leitungspaar

In einem drahtgebundenen Kommunikationssystem können die eingesetzten Steckverbinder zahlreichen Hochspannungsimpulsen ausgesetzt sein. Der Standard IEC 61800-3 definiert die Anforderungen an die einstellbare Geschwindigkeit von elektrischen Leistungstreibern, die einen ESD-Schutz von minimal ±4 kV Kontakt /±8 kV Luftspalt nach IEC 61000-4-2 einhalten müssen. Die nächste Generation der RS-485-Transceiver bieten einen weit höheren ESD-Schutz als die definierten ±4 kV Kontakt / ±8 kV Luftspalt nach IEC 61000-4-2.

Stromversorgung und die Übertragung von Daten zwischen Master-Controllern und entfernten CbM-Sensorknoten erfolgt gemeinsam über ein verdrilltes Leitungspaar, was signifikant Kosten spart und kleinere Leiterplatten-Steckverbinder bei platzbeschränkten Sensorknoten zur Folge hat.

Die Stromversorgung und die Daten werden über ein Spulen-Kondensator-Netzwerk übertragen. Die hochfrequenten Daten werden über Reihenkondensatoren in die Datenleitungen eingekoppelt, wodurch auch der RS-485-Transceiver vor Gleichspannungen am Bus geschützt wird. Eine Stromversorgung ist am Master-Controller über eine mit der Datenleitung verbundenen Spule angeschlossen und die Versorgungsleitung wird dann mit einer weiteren Spule am CbM-Slave-Knoten am anderen Ende des Kabels wieder herausgefiltert.

Die Spulen an beiden Enden des Kabels müssen gut abgeglichen sein, um Gegentakt-Rauschen zu vermeiden und die Resonanzfrequenzen sollten mindestens 10 MHz betragen, um Interferenzen mit dem Echtzeit-Burst-Betrieb der Schwingungsmesssysteme zu verhindern.

Lösungen für die drahtgebundene CbM

Der MEMS-Beschleunigungssensor ADcmXL3021 eignet sich für alle drei hier beschriebenen Lösungen. Er hat eine geringe Rauschdichte von 25 µg/√Hz, die eine exzellente Auflösung ergibt. Der Sensor besitzt auch eine hohe Bandbreite von DC bis 10 kHz mit 5% Ebenheit, die das Erfassen von wichtigen Schwingungssignaturen auf vielen unterschiedlichen Maschinenplattformen erlaubt. Der Sensor ist in einem mechanisch optimierten Aluminium-Gehäuse untergebracht, das ein konsistentes Einkoppeln in den integrierten MEMS-Sensor über einen weiten Frequenzbereich erlaubt. Dies stellt sicher, dass die Schwingungssignatur von der Messanordnung zuverlässig erfasst und konditioniert wird.

Der Sensor ist mit einem SPI-Ausgang erhältlich, der direkt an RS-485/RS-422-Bausteine oder indirekt über Mikroprozessor und/oder die Signal- und Versorgungs-Isolierungstechnik iCoupler angeschlossen werden kann (Bild 1). Für die Echtzeit-Überwachung von Schwingungssignaturen an industriellen Anlagen besitzt der ADcmXL3021 eine Betriebsart für das Echtzeit-Streaming, die mit einer SPI-Übertragung von rund 12 MBit/s arbeitet. Um diesen Echtzeit-Datenstrom an den RS-485-Bus zu legen, müssen Komponenten mit den entsprechenden Fähigkeiten der Datenübertragung gewählt werden. Die RS-485/RS-422-Transceiver ADM3066E/ADM4168E/LTC2858 arbeiten alle bei Datenraten von 20 MBit/s und darüber.

Für Option 1 und Option 2 in Bild 1, mit direkter Verbindung von SPI zu RS-485, haben der ADM3066E und ADM4168E eine robuste Schnittstelle, um eine SPI-Konfiguration mit drei Empfängern und einem Sender (3+1) für einen Slave-Schwingungssensorknoten zu implementieren. Das SPI-CS-Empfangssignal wird mit dem ADM3066E implementiert und die SPI-CLK-, -MOSI- und -MISO-Signale werden über den ADM4168E geliefert.

Wenn man im Echtzeit-Streaming-Modus arbeitet, sendet der ADcmXL3021 ein Interrupt-Signal an den Master-Mikrocontroller, um anzuzeigen, dass ein neuer Datenburst für den Empfang bereitsteht. Das Interrupt-Signal (/BUSY) kann auch mit dem ADM4168E an den Master gesendet werden.

Übersetzung von unsymmetrischen in symmetrische Signale

Die komplette Lösung besteht aus drei Signalen, die vom Master an den ADcmXL3021 (MOSI, CS, CLK) und zwei Signalen, die vom ADcmXL3021 zurück an den Master (MISO, /BUSY) gesendet werden. Diese fünf unsymmetrischen Signale können mit zwei Komponenten in differentielle Signale übersetzt werden – den Bausteinen ADM4168E und ADM3066E. Diese differenziellen Signale werden dann von RJ50- und weiteren Steckverbindern übernommen, die verglichen mit industriellen RJ45-Ethernet-Steckverbindern etwa den gleichen Leiterplattenplatz beanspruchen. Die Transceiver ADM3066E und ADM4168E haben einen ESD-Schutz, der über die ±8 kV Kontakt / ±8 kV Luftspalt nach IEC 61000-4-2 hinausgeht, was eine hohe Robustheit gewährleistet, wenn sie direkt an eine Leitungsschnittstelle angeschlossen werden.

Bei Option 3 erlaubt der Mikrocontroller eine Vorverarbeitung des SPI-Ausgangs des ADcmXL3021 und auch die Möglichkeit, eine Protokollübersetzung zwischen dem SPI-Interface und weiteren seriellen Schnittstellen wie UART durchzuführen. UART wird allgemein als asynchrones Protokoll mit RS-485-Schnittstellen eingesetzt. UART besteht aus Sende- und Empfangssignalen sowie einem Transmit-Enable-Signal, die alle an einen Voll-Duplex-RS-485-Transceiver, wie den LTC2858-1 angelegt werden können. Der LTC2858-1 erlaubt im Voll-Duplex-Betrieb, den simultanen bidirektionalen Datentransfer und erfüllt damit die Anforderungen an bidirektionale SPI-Datenübertragungen. Der Mikrocontroller kann die Übersetzung des synchronen SPI-Protokolls in das asynchrone UART-Protokoll übernehmen.

Die Bausteine ADuM5401/ADuM5402 sind die kleinsten Signal- und Versorgungs-isolierten Bausteine. Sie enthalten integrierte A/D-Wandler, die entweder 5,0 V oder 3,3 V mit bis zu 500 mW an geregelter und isolierter Leistung aus einer 5,0-V-Eingangsversorgung bereitstellen.

In Bild 1 zeigt Option 2 einen ADuM5401, der 5 V DC aus dem Datenbus entnimmt und eine isolierte Spannung von 3 V an den ADcmXL3021 liefert. Der ADuM5401 hat auch vier Signal-Isolierungskanäle, die sich für die 3+1-SPI-Isolation eignen.

Option 3 in Bild 1 zeigt den ADuM5402, der ähnlich dem ADuM5401 ist. Der Hauptunterschied ist, dass der ADuM5402 zwei digital isolierte Sende- und zwei digital isolierte Empfangskanäle besitzt.

Leistungseinschränkungen bei den drei Optionen

Das Integrieren eines Mikrocontrollers in den CbM-Sensorknoten steigert die Designflexibilität, allerdings auf Kosten einer größeren Leiterplattenfläche und komplexerer Software. Da der Master-CbM-Knoten einen Mikroprozessor enthält, bedeutet dies, dass Option 3 in Bild 1 im Wesentlichen ein Zwei-Mikroprozessorsystem ist, das im Vergleich mit nur einem Prozessor im CbM-Masterknoten langsamer aufzubauen ist und auch langsamer läuft.

Die Optionen 1 und 2 haben eine geringe Designflexibilität, können jedoch schneller eingesetzt werden, da sie transparente SPI-zu-RS485-Links mit geringer Komplexität weiter vereinfachen. Diese beiden Optionen beanspruchen verglichen mit Option 3 auch eine kleinere Grundfläche auf der Leiterplatte, die zusätzliche Leiterplattenfläche für den Mikrocontroller und dazugehörige Schaltungen (z.B. Taktoszillatoren und mehrere passive Komponenten) benötigt.

Das Hinzufügen der Signal- und Versorgungs-Isolierung in Option 2 und Option 3 benötigt nur minimal zusätzliche Leiterplattenfläche und verbessert die EMV weit über das hinaus, was mit Schutzfunktionen auf dem Chip bei den RS-484/RS-422-Transceivern zu erzielen wäre.

Lösungen für geringere Datenraten

Für drahtgebundene Anwendungen, die mit geringeren Datenraten (unter 2 MBit/s) laufen, bietet der SPI-Erweiterungsbaustein LTC4332 eine alternative Implementierung für eine robuste SPI-Verbindung zwischen dem Master und dem entfernten Slave-Sensorknoten. Der Chip kann SPI-Daten senden, einschließlich eines Interrupt-Signals über zwei verdrillte Leitungspaare. Diese Lösung ergibt verglichen mit einer Standardlösung signifikante Kosteneinsparungen bis zu 50% bei der Bus-Verkabelung.

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* Richard Anslow arbeitet als Applikationsingenieur im Geschäftsbereich Automation & Energy Business bei Analog Devices in Limerick / Irland.

* Dara O`Sullivan arbeitet als Applikationsingenieur im Geschäftsbereich Automation & Energy Business bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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