シングルペアEthernetを使用した状態基準保全の実装方法

ファクトリーオートメーションおよび産業用モノのインターネット（IIoT）において、状態基準保全（CbM）を行うことで、動作可能時間および生産性の向上、メンテナンスコストの削減、設備寿命の延長、作業員の安全確保のために、設備の健全性を深く理解することができます。センサ、診断アルゴリズム、処理能力の向上、人工知能（AI）や機械学習（ML）技術の応用により、CbMの有用性は高まっていますが、適切なインフラがないため、多くのアプリケーションへの普及は限られています。

鉱業、石油およびガス、公共事業、製造業などのアプリケーションの装置は、電源やデータネットワークがない場所に設置されることが多いです。このような遠隔地に新しい電力ケーブルおよびネットワークケーブルを敷設することは、特に比較的高い電力とデータレートを必要とするCbMアプリケーションの場合、コストがかかり非現実的になる可能性があります。

ワイヤレスの代替案にはトレードオフが伴います。たとえば、バッテリ駆動のセンサは限られたデータレートしか提供できないため、これらの設置はCbMには不向きです。このような場所に最新のCbM機能を導入するためには、技術者は、信頼性の高い電力および広帯域幅のネットワークを低コストで提供する代替インフラオプションを必要とします。

10BASE-T1LシングルペアEthernet（SPE）は、これらの基準に適合するように明確に設計されました。産業用Ethernetの限界をはるかに超えて、最大1キロメートル（km）の距離にわたってデータと電力を提供します。技術者は、この新技術によって、これまでアクセスできなかった場所に高度なCbM技術を導入することができます。

この記事では、CbMの概要とAIの効果を説明した後、遠隔地におけるSPEの利点の概要を述べ、SPEベースのセンサの重要な構成要素に焦点を当て、それらを選択するためのガイドラインについて説明します。最後に、この記事では、データおよび電力を組み合わせた通信インターフェースの設計の基本をレビューし、SPEベースのCbMシステムをより広範な産業ネットワークに統合する方法も説明します。

CbMとAIおよびMLの効果

多くの要因がCbMの普及を後押ししていますが、AIおよびMLの台頭は特に注目に値します。これらの技術は、CbMの範囲をポンプ、コンプレッサ、ファンなどの回転機器にとどまらず、CNC機械、コンベアシステム、ロボティクスを含むより広範な機械にまで広げています。

こうした進歩は、振動、圧力、温度、視覚データなど無数のデータを取り込み、解析するAIやMLシステムの性能のおかげです。豊富なデータセットがあれば、AIやMLシステムは、旧来の技術では見逃していたかもしれない異常な動作を特定することができます。

このような利点を得るためには、すべての関連機器から忠実度の高いデータを入手できなければなりません。そのため、CbMシステムには、運用の最も遠く離れた隅々までエッジツークラウドコネクティビティを提供することが重要になっています（図1）。

図1：現代のCbMシステムでは、遠隔運用技術（OT）装置と情報技術（IT）システムを接続しなければなりません。（画像提供： Analog Devices）

代替案に対するSPEの利点

このような遠隔地にサービスを提供するために、技術者はコストと物理的な設置面積を最小限に抑え、ITにやさしい方法でデータおよび電力を供給する必要があります。産業用Ethernetソリューションは、毎秒100メガビット（Mbps）の一般的なデータ帯域幅と、1ポートあたり最大30ワットのPoE（Power over Ethernet）を供給するための当然の選択肢です。しかし、産業用Ethernetは100メートル（m）までの距離という制約があります。

SPEは、その名の通り、100BASE-TXの2ペアや10BASE-Tの4ペアではなく、1本のツイストペア線でEthernetコネクティビティを行います。その結果、SPEケーブルは同等の産業用Ethernetケーブルよりも小型、軽量、低コストとなっています。スペースの縮小にもかかわらず、SPEは最大1キロメートル（km）の範囲で、最大1ギガビット/秒（Gbps）のデータ転送速度、最大50ワットの電力、過酷な環境に対応するIP67適合コネクタをサポートしています。

特筆すべきは、SPEの最大定格は相互に排他的であるということです。たとえば、1Gbpsの速度は40mまでの短い範囲にしか対応していません。一方、データ転送速度は、最大ケーブル長1kmで10Mbpsに制限されます。

SPEアプリケーションで使用するEthernet MACの選択方法

他のEthernet接続と同様に、SPEインターフェースはメディアアクセス制御（MAC）層と物理（PHY）層を内蔵しています。MACはEthernetトラフィックを管理し、PHYはケーブルからのアナログ波形をデジタル信号に変換します。

多くの高度なマイクロコントローラユニット（MCU）はMACを搭載しており、PHYを搭載するものもあります。しかし、エッジセンサに使用される低コスト、低消費電力のMCUには、これらの機能のいずれも搭載されていません。このソリューションは10BASE-T1L MAC-PHYにあり、このMAC-PHYは両方の要素を別々のチップに実装しているため、設計者はさまざまな超低消費電力プロセッサから選択することができます。

その良い例がAnalog Devicesの ADIN1110CCPZ-R7 です（図2）。このシングルポート10BASE-T1Lトランシーバは、伝送距離の長い10Mbps SPE接続用に設計されています。ADIN1110は4線式シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介してホストに接続します。

図2：ADIN1110 はシングルポートの10BASE-T1Lトランシーバで、4線式SPIインターフェースでホストプロセッサに接続します。（画像提供：Analog Devices）

ロバスト性を改善するために、ADIN1110は電圧供給モニタとパワーオンリセット（POR）回路を内蔵しています。さらに、プログラム可能な送信レベル、外部終端抵抗、および独立した受信ピンおよび送信ピンにより、このデバイスは本質安全防爆アプリケーションに適しています。

データ通信および電力通信共有インターフェースの設計

SPEは、PoDL（Power over Data Lines）と呼ばれる技術を使って、電力とデータを同じ電線で供給します。図3に示すように、高周波データは直列コンデンサを通してツイストペアに結合され、直流（DC）電力はインダクタを使ってラインに結合されます。

図3：PoDLは、誘導性カップリングと容量性カップリングを用いて、電力信号とデータ信号をそれぞれ1本のツイストペアで供給します。（画像提供：Analog Devices）

実際には、ロバスト性および耐故障性のために追加のコンポーネントが必要になります。たとえば、ブリッジ整流ダイオードは、電源接続の誤った極性から保護するために推奨されます。同様に、過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードは、電磁両立性（EMC）ロバスト性のために必要です。特に、ケーブルからのコモンモードノイズを軽減するためのチョークは必要です。

CbM用センサの選択

先に述べたように、CbMはさまざまなセンシングモダリティに適用できます。これらのモダリティにおいて、考慮すべき重要な要素のひとつは、性能と効率のトレードオフです。

振動センシングを例にとってみましょう。圧電センサは微小電気機械システム（MEMS）より優れた性能を発揮しますが、コストは上がります。このため、圧電センサは、中央に配置される傾向がある重要度の高い設備に適した選択肢となります。

これとは対照的に、重要度の低い設備の多くは、施設の最奥部に配置されることが多く、コストの制約から現在は監視されていません。それでも、システム全体の生産性を向上させるためには、データを掘り起こす必要があります。距離と価格感受性の組み合わせは、まさにSPEベースのCbMが得意とするところであり、MEMSセンサが自然に適合します。

MEMSセンサは低コストであることに加え、SPEセンサにとって他の利点もあります。たとえば、圧電センサに比べ、ほとんどのMEMSセンサはデジタルフィルタリング、優れた直線性、軽量、小型を実現しています。

次の設計上の選択は、1軸センサと3軸センサのどちらを選ぶかです。表1は、2 つの標準的な例、 ADXL357BEZ-RL 3軸加速度センサと ADXL1002BCPZ-RL7 1軸加速度センサの違いを示しています。

表1：1軸ADXL1002BCPZ-RL7と3軸ADXL357BEZ-RLセンサは、多くの重要な検討領域にわたってトレードオフを提供します。（画像提供：Analog Devices

表1が示すように、1軸センサはかなり広い帯域幅と低いノイズを提供します。しかし、3軸センサは垂直、水平、軸方向の振動を捉えることができるため、設備の稼働状況をより詳細に把握することができます。シャフトの曲がり、ローターの偏心、ベアリングの問題、ローターのコックなど、多くの故障は1軸センサで特定することは困難です。

振動センサだけでは、主に振動に関連する故障であっても、すべての故障を検出することはできないことは注目に値します。シナリオによっては、1軸センサをモータの電流や磁界を検出するような他のセンサと組み合わせることが最適になる場合もあります。他のケースでは、2つ以上の単軸センサが最適なソリューションとなることもあります。

これらの考慮すべき内容の複雑さを考えると、両方のタイプのセンサを試してみることが望ましいです。この目的のために、Analog Devicesは、 ADXL357 3軸センサ評価ボード と ADXL1002 1軸センサ評価ボードを提供しています。

SPEベースCbMシステムの大規模産業ネットワークへの統合

CbMシステムに不可欠な要件は、クラウドへのシームレスな接続を提供することです。図4は、MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）プロトコルを使って、これを実現する方法を示しています。この軽量なIIoTメッセージングプロトコルは、最小限のコードフットプリントおよび狭いネットワーク帯域幅でリモートデバイスの接続を可能にします。

図4：SPEに基づくCbMアーキテクチャ。センサシステムの主要コンポーネントには、センサ、低消費電力エッジプロセッサ、MAC-PHYが含まれます。（画像提供：Analog Devices）

ほとんどの低価格Cortex-M4マイコンはこのアプリケーションに適しています。実際、これらのチップはセンサとMAC-PHYに接続するために必要なSPIポートを備えています。ソフトウェアの観点から見ると、主な要件は、MQTTスタック用の十分なメモリ、適切なRTOS（リアルタイムオペレーティングシステム）、およびエッジ分析ソフトウェアです。通常、数十キロバイトのRAMおよびROMしか必要としません。

SPEケーブルが既存のインフラに接続されると、メディアコンバータが10BASE-T1L信号を標準Ethernetケーブル用の10BASE-Tフレームに変更することができます。この変換は単に物理フォーマットを変えるだけで、Ethernetパケットはそのままであることに注意してください。ここから、これらのパケットをあらゆるEthernetネットワークに送ることができます。

まとめ

SPEは、遠隔装置のCbMの課題に巧みに対処する、革新的な技術として台頭しつつあります。そのPoDL機能は、1本のツイストペアで電力とデータ伝送をエレガントに統合し、Ethernetインフラをより長距離に拡張する低コストの方法を提供します。MAC-PHYインタフェースとMEMSセンサを慎重に選択することで、技術者はこれらの機能を使用して、重要度の低い設備に使用することを正当化できる十分なコスト効果のある小型軽量ソリューションを展開することができます。これにより、AIやMLシステムがこれまでにない運用上の実態を把握するために使用できる、新たなレベルの運用の可視化が可能になります。