Cómo ampliar la ventaja competitiva en el sector industrial con SPE y PoDL

Los diseñadores cuentan con cada vez más oportunidades —y, tal vez, con una presión cada vez mayor— para incorporar más sensores e inteligencia en el entorno industrial periférico. Los sistemas industriales están evolucionando hacia la supervisión continua, el mantenimiento predictivo y la toma de decisiones distribuida. Si bien la implementación a gran escala puede resultar complicada con las arquitecturas tradicionales, la convergencia de tecnologías está haciendo que resulte más factible desplegar nodos periféricos inteligentes con una infraestructura física y a nivel de sistema mucho más sencilla.

La capacidad de integrar la inteligencia directamente en el punto de medición está adquiriendo la misma importancia que el control centralizado, lo que permite a los sistemas industriales responder casi en tiempo real, en lugar de hacerlo a partir de datos agregados y con retraso. Problemas como el deterioro de los equipos, el desperdicio de energía y la desviación de los procesos suelen surgir a nivel de la máquina, donde la detección y el procesamiento locales permiten identificar anomalías antes de que se propaguen por el resto del sistema.

Las arquitecturas tradicionales de Ethernet industrial suelen ser centralizadas, estar basadas en puertas de enlace y depender en gran medida de los cables. Desde el punto de vista arquitectónico, los sensores y los actuadores se conectan a través de cableado de alimentación independiente, módulos de E/S locales o redes de bus de campo que agrupan los datos antes de que estos lleguen a la red más amplia.

Ese modelo tradicional ha funcionado bien para la automatización y el control de fábricas, pero no resulta tan eficaz a la hora de integrar inteligencia en el borde. Con cada nuevo sensor, los diseñadores deben tener en cuenta el cableado adicional, la infraestructura eléctrica, las pasarelas y la complejidad de la integración. Con demasiada frecuencia, los datos valiosos quedan atrapados en la periferia de los sistemas que podrían beneficiarse de la visibilidad en tiempo real y la inteligencia local.

Los transceptores de la capa física (PHY) de Ethernet convencionales suelen resultar inadecuados para los sensores periféricos con recursos limitados, debido a su elevado número de pines y a su elevado consumo energético. Estos requisitos superan los estrictos límites térmicos de las carcasas compactas y selladas de los sensores con clasificación IP67. Además, muchos microcontroladores de bajo consumo no incorporan la funcionalidad de control de acceso al medio (MAC) de Ethernet, lo que hace que las implementaciones PHY convencionales resulten poco prácticas para los nodos periféricos compactos.

Datos extendidos y corrientes

Los diseñadores pueden impulsar las aplicaciones industriales de vanguardia mediante una combinación de Ethernet de un solo par (SPE) y alimentación a través de líneas de datos (PoDL) para las comunicaciones Ethernet y el suministro de energía a través de un único par ligero. Esto simplifica las instalaciones y reduce los costos de la implementación de la conectividad Ethernet. En comparación, las implementaciones convencionales de "Power over Ethernet" (PoE) suelen estar optimizadas para enlaces Ethernet más cortos y dispositivos terminales de mayor potencia, como puntos de acceso inalámbricos, cámaras IP y conmutadores.

El enfoque SPE/PoDL permite conectar en red directamente dispositivos periféricos más pequeños, en lugar de enrutar todo a través de capas de infraestructura intermedia. En lugar de concentrar la inteligencia y la conectividad en puntos de control centralizados, los diseñadores pueden distribuir nodos de detección inteligentes mucho más cerca de las máquinas, los procesos y los activos físicos.

Gracias al uso de esa infraestructura más ligera, con sensores MEMS y dispositivos que integran las funciones PHY y MAC de Ethernet en un único componente, los diseñadores pueden conectar dispositivos industriales periféricos compactos y de bajo consumo, así como sensores inteligentes, directamente a las redes Ethernet, lo que permite crear sistemas de detección distribuidos más sencillos y rentables.

Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece un dispositivo de este tipo: el transceptor ADIN1110 (Figura 1). Diseñado para permitir el funcionamiento de sistemas que proporcionan visibilidad operativa en el borde de la red, este componente MAC-PHY de un solo puerto y bajo consumo implementa el estándar SPE de largo alcance 10BASE-T1L para transmisiones de datos y alimentación que se extienden hasta 1.700 metros a 10 Mbps. El Ethernet estándar suele estar limitado a tramos de cable de 100 metros.

Figura 1: El transceptor ADIN1110 de ADI incorpora funciones MAC y PHY que permiten transmitir datos y energía a una distancia de hasta 1700 metros. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El estándar Ethernet 10BASE-T1L facilita una conexión fluida a redes convergentes de IT/TO, lo que permite a los equipos de mantenimiento acceder a información en tiempo real sobre el estado de los activos desde cualquier lugar y en cualquier momento. Esto resulta esencial para la implementación práctica de aplicaciones como el mantenimiento predictivo, la monitorización energética, la detección ambiental, la robótica y la automatización modular.

Los nodos ADIN1110 están diseñados para la inteligencia distribuida y la supervisión basada en el estado en entornos industriales. Cada nodo funciona con una única tensión de alimentación de 1.8 V o 3.3 V.

Esta arquitectura elimina la necesidad de que el procesador principal cuente con un MAC integrado, lo que permite a los diseñadores de sistemas optar por microcontroladores más sencillos y de menor consumo, como el MAX78000 o el MAX32670, con el fin de lograr el menor consumo energético global posible a nivel del sistema. En consecuencia, los diseñadores pueden optimizar la integración de Ethernet y, al mismo tiempo, reducir la complejidad general del sistema y el consumo energético.

El dispositivo incorpora cuatro dominios de alimentación distintos: AVDD_H, AVDD_L, DVDD_1P1 y VDDIO. Aunque puede funcionar con una única fuente de alimentación (por ejemplo, 3.3 V), la separación de estos dominios permite a los desarrolladores optimizar la disipación de potencia mediante el uso de rieles de alimentación externos de menor tensión.

La potencia activa que consume el transceptor varía en función de la amplitud de transmisión y de la configuración de la fuente de alimentación seleccionada:

• Con una alimentación dual de 1.0 V p-p, el consumo de energía es de 42 mW.
• Con una fuente de alimentación única de 1.0 V p-p, el consumo de energía es de 50 mW.
• Con una alimentación triple de 2.4 V p-p, el consumo de energía es de 78 mW.
• Con una alimentación dual de 2.4 V p-p, el consumo de energía es de 87 mW.
• Con una alimentación única de 2.4 V p-p, el consumo de energía es de 119 mW.

El transceptor de ADI incorpora funciones de diagnóstico de cables integradas en el chip, entre las que se incluye un motor de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR). El motor permite detectar y localizar fallos en los cables, mejorando así la integridad de la señal en largas distancias.

Estas capacidades, combinadas con las ventajas de los microcontroladores de bajo consumo y los sensores MEMS, permiten desarrollar nodos sensores conectados a Ethernet más rentables y con capacidad de monitorización en tiempo real.

En los casos en que las implementaciones impliquen docenas o incluso cientos de dispositivos interconectados, los diseñadores deben implementar un reenvío inteligente del tráfico entre los segmentos de red. El ADIN2111 (figura 2) responde a esa necesidad al combinar dos interfaces 10BASE-T1L con capacidades de conmutación integradas, lo que permite la conexión en cadena y otras topologías de red con múltiples nodos.

Figura 2: Se puede utilizar un conmutador Ethernet ADIN2111 con dos PHY 10BASE-T1L para ampliar la conectividad de red con un reenvío inteligente del tráfico entre segmentos de red. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Simplificación de la implantación de sensores industriales

Además de reducir el número de componentes y el consumo energético, la tecnología SPE simplifica considerablemente la implantación de sistemas de sensores a gran escala en entornos industriales.

Las instalaciones tradicionales de monitorización de estado suelen requerir un cableado independiente de Ethernet, bus de campo y alimentación, que recorre los conductos, cajas de derivación y armarios de control locales. En consecuencia, la mano de obra de instalación y la gestión del cableado suelen convertirse en un factor de costo más importante que los propios sensores.

La capacidad de SPE para combinar las comunicaciones por Ethernet y el suministro de energía en un único par trenzado permite a los diseñadores reducir al mínimo el volumen de los cables y simplificar su tendido en espacios industriales reducidos. Además, las largas distancias de conexión 10BASE-T1L permiten instalar sensores en instalaciones de gran extensión sin necesidad de conmutadores adicionales, convertidores de medios ni infraestructura de E/S remota.

Estas características resultan especialmente ventajosas en aplicaciones de modernización, en las que la incorporación de nuevos puntos de monitorización a los equipos existentes podría, de otro modo, requerir un cableado considerable o modificaciones sustanciales en el sistema de control. En lugar de rediseñar la arquitectura de automatización en su conjunto, los ingenieros suelen poder añadir nodos de detección distribuidos directamente a nivel de máquina, al tiempo que mantienen la conectividad con las redes estándar basadas en Ethernet.

Diseño de la aplicación CbM

Un sensor de vibraciones SPE típico para la monitorización basada en el estado (CbM) combina cuatro elementos clave de diseño: tecnología de detección MEMS, extracción de energía PoDL de bajo ruido, carcasa mecánicamente sólida y software ligero de conexión en red periférica.

Los sistemas tradicionales de monitorización de vibraciones industriales solían basarse en sensores piezoeléctricos de un solo eje, que resultaban bastante voluminosos. Por el contrario, los nodos periféricos modernos de las redes SPE utilizan cada vez más acelerómetros MEMS triaxiales integrados, como los de la serie ADXL357 de ADI. Un dispositivo MEMS triaxial puede monitorizar simultáneamente las vibraciones en varios ejes, lo que permite al sistema detectar situaciones como el desgaste de los cojinetes, el desequilibrio del eje o la excentricidad del rotor sin necesidad de una orientación precisa del sensor.

Para reducir al mínimo la complejidad de la instalación, muchos sensores SPE obtienen tanto los datos como la alimentación a través del mismo cable de par trenzado mediante la tecnología "Power over Data Lines" (PoDL).

En una implementación típica, los inductores acoplados y los capacitores de acoplamiento de CA separan la alimentación de CC de la ruta de datos de Ethernet. A continuación, la tensión de 24 V extraída se convierte a las tensiones más bajas que requieren los circuitos electrónicos de detección. Para reducir el ruido, los diseñadores suelen combinar un convertidor reductor de alta eficiencia, como el LT8618, con un regulador LDO de ruido ultrabajo, como el LT3042. Esta combinación garantiza una conversión de potencia eficiente, al tiempo que proporciona una línea de alimentación limpia al sensor MEMS y a los circuitos analógicos.

La carcasa del sensor puede afectar de manera significativa a la precisión de la medición. Si la carcasa resuena dentro de la banda de frecuencia de funcionamiento del acelerómetro, puede introducir distorsiones o señales de vibración falsas en los datos capturados. Las carcasas rígidas de aluminio o acero, dotadas de puntos de fijación seguros, contribuyen a garantizar que la vibración de la máquina se transmita con precisión al elemento sensor sin introducir artefactos estructurales.

La arquitectura del sistema ADIN1110 admite múltiples tipos de sensores, entre los que se incluyen los de temperatura, presión, sonido y posición. Es posible implementar una salida analógica o digital con cambios mínimos en el firmware del microcontrolador.

Conclusión

Al integrar las capacidades 10BASE-T1L del MAC-PHY ADIN1110 con la tecnología de red SPE, el suministro de energía PoDL y los sensores MEMS compactos, los diseñadores pueden implementar nodos de monitorización conectados por Ethernet mucho más cerca de los activos industriales, sin los costes de infraestructura asociados a las arquitecturas tradicionales. El resultado es una supervisión basada en el estado más escalable y una mayor visibilidad operativa en los sistemas industriales distribuidos.