工業系統正朝持續監測、預測性維護與分散式決策的方向邁進。而在測量點直接內嵌智慧能力，已變得與集中式控制同樣重要，以便工業系統以近乎即時的方式進行反應。
設計人員有越來越多的機會，或是在逐漸升高的壓力下，要在工業邊緣添加更多的感測器和智慧功能。工業系統正朝持續監測、預測性維護與分散式決策的方向邁進。雖然在傳統架構下要大規模監測並不容易，但在多項技術的結合下，用更簡易的實體與系統層級基礎設施來部署智慧邊緣節點已經更加實際。
在測量點直接內嵌智慧能力，已變得與集中式控制同樣重要，以便工業系統以近乎即時的方式進行反應，而非透過延遲的彙整資料。機器層級通常會出現設備劣化、能源浪費以及製程偏移等問題，此時透過本地感測與處理，就可在異常擴散至整個系統之前及早偵測。
傳統的工業乙太網路架構通常採集中式，並由閘道器主導，且高度依賴纜線。從架構上來看，感測器與致動器會透過獨立的電源線路、本地 I/O 模組或是現場匯流排網路進行連接，會先匯整資料後才傳送到更大型的網路。
這種傳統模式在工廠自動化與控制方面運作良好，但在邊緣嵌入智慧能力時的效果不佳。每新增一個感測器，設計人員就必須考量額外的接線、電力基礎設施、閘道器及整合複雜度。寶貴的資料很常都滯留在系統周邊，無法發揮即時能見度和本地智慧的效益。
傳統的乙太網路實體層（PHY）收發器礙於高引腳數和功耗，往往不適用於資源受限的邊緣感測器。這些要求會超出緊湊、密封式IP67感測器外殼的嚴格熱範圍。此外，許多低功耗微控制器並未含有乙太網路媒體存取控制（MAC）功能，因此傳統PHY的實作對於緊湊的邊緣節點來說不切實際。
延長數據與電源線路
設計人員可以結合單對乙太網路（SPE）以及數據線供電（PoDL），在單一輕量化雙絞線上同時進行乙太網路通訊與供電，進而推進工業邊緣應用。這可簡化安裝作業並降低達到乙太網路連線的成本。相較之下，傳統的乙太網路供電（PoE）部署通常是針對較短的乙太網路鏈路和較高功率的端點裝置進行最佳化，例如無線存取點、IP攝影機和交換器。
SPE/PoDL作法能讓較小的邊緣裝置連網變得實際可行，就無需全部透過層層中介基礎架構進行連結。設計人員可以將智慧感測節點分散配置在更靠近機器、流程及實體資產的位置，而非將智慧和連線能力集中在控制點。
設計人員可利用更輕量的基礎架構搭配MEMS感測器與裝置，並在單一元件中整合Ethernet PHY與MAC功能，就可將小巧且功耗更低的工業邊緣裝置與智慧感測器直接連接到乙太網路，達到更簡便且具成本效益的分散式感測系統。
Analog Devices, Inc.（ADI）就有提供這類裝置，即ADIN1110收發器 （圖一）。此低功耗單埠 MAC-PHY 元件可讓系統在邊緣端達到操作能見度，並採用 10BASE-T1L 遠距 SPE 標準，可讓數據與電力傳輸距離延伸到最遠 1,700 公尺並達 10 Mbps。標準乙太網路的纜線長度通常會限制在 100 公尺。
ADI的ADIN1110收發器整合MAC和PHY功能，可讓數據與電力傳輸距離達到最遠1,700公尺。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）
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10BASE-T1L乙太網路標準有利於順利連接融合式IT/OT網路，能讓維護團隊隨時隨地存取即時的資產健康資訊。這對於實際應用的實作來說至關重要，例如預測性維護、能源監測、環境感測、機器人技術與模組化自動化。
ADIN1110節點專為工業環境中的分散式智慧與條件式監測而設計。每個節點均以1.8 V或3.3 V的單一電源軌運作。
此架構可省去內建MAC的主機處理器，因此系統設計人員能挑選更簡單、更低功耗的微控制器，如MAX78000或MAX32670，以達成盡可能最低的整體系統層級耗電量。如此一來，設計人員就可簡化乙太網路的整合，同時降低整體系統的複雜度與功耗。
此裝置內含四個獨立的電源域：AVDD_H、AVDD_L、DVDD_1P1及VDDIO。雖然能以單一電源 （如 3.3 V）運作，但若將這些電源域分隔，就能讓開發人員利用較低電壓的外部電軌達到最佳化的功率耗散。
收發器消耗的有功功率會依據所選的發射振幅及電源配置而有所不同：
‧ 在 1.0 V 峰對峰雙電源下，功耗為 42 mW。
‧ 在 1.0 V 峰對峰單一電源下，功耗為50 mW。
‧ 在 2.4 V 峰對峰三重電源下，功耗為 78 mW。
‧ 在 2.4 V 峰對峰雙電源下，功耗為 87 mW。
‧ 在 2.4 V 峰對峰單一電源下，功耗為119 mW。
ADI 的收發器內建晶片上纜線診斷功能，包括一個時域反射計（TDR）引擎。此引擎能偵測並找出纜線故障位置，進而提升遠距離傳輸時的訊號完整性。
這些功能結合低功耗微控制器與MEMS感測器的優勢後，就可開發具有即時監測能力且更具成本效益的乙太網路連接型感測節點。
在涉及數十甚至數百個互連裝置的部署情況下，設計人員需要在網路區段之間實施智慧流量轉送。ADIN2111（圖二）就可因應此需求，結合了雙10BASE-T1L介面與整合式交換功能，可達到菊鏈與其他多節點網路拓撲。
ADIN2111 乙太網路交換器搭配兩個 10BASE-T1L PHY，可用來延伸網路連接能力，並在網路區段之間達到智慧流量轉送。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）
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簡化工業感測器的部署
除了減少元件數量和功耗外，SPE 還可大幅簡化在工業環境中大規模部署感測器的作業。
傳統的條件式監測設備通常要透過導管、接線盒及本地控制櫃鋪設獨立的乙太網路、現場匯流排及電源線路。因此，安裝人力及纜線管理通常會比感測器本身的成本還要高。
SPE 能將乙太網路通訊與電力傳輸結合在單一雙絞線中，就可讓設計人員縮小纜線體積，並在有限的工業空間中簡化佈線。此外，遠距離的 10BASE-T1L 鏈路能讓感測器部署於廣大的設施中，無需額外的交換器、媒介轉換器或遠端 I/O 基礎設施。
這些特性在改裝應用中特別有利，因為若要在既有設備上新增監測點，可能需要大量的重新接線或控制系統修改。與其重新設計更龐大的自動化架構，工程師通常會直接在機械層級新增分散式感測節點，同時保持與標準乙太網路的連接。
CbM 應用設計
條件式監測（CbM）用的典型SPE振動感測器結合了四個關鍵設計元素：MEMS感測、低雜訊PoDL電力擷取、機械堅固的封裝，以及輕量化邊緣網路軟體。
傳統的工業振動監測系統通常需仰賴笨重的單軸壓電感測器。相較之下，越來越多現代SPE邊緣節點使用整合式三軸 MEMS 加速計，例如ADI的ADXL357系列。三軸MEMS裝置能同時監測多軸向的振動，能讓系統偵測像是軸承磨損、軸心不平衡或轉子偏心等狀況，且不需精確的感測器定向。
為了降低安裝複雜度，許多SPE感測器會利用數據線供電（PoDL）的同一條雙絞線來取得數據和電力。
在典型的實作中，耦合電感和 AC 耦合電容會將DC電源與乙太網路資料路徑分離。擷取的24 V電軌接著會轉換成感測電子裝置所需的較低電壓。為了降低雜訊，設計人員通常會將高效率降壓轉換器（如LT8618）與超低雜訊LDO（如LT3042）搭配使用。此組合可維持高效電力轉換，同時提供潔淨的電源軌給 MEMS 感測器及類比電路。
感測器外殼會大幅影響測量精度。如果外殼在加速計的工作頻寬內產生共振，可能會導致擷取的數據出現失真或錯誤的振動特徵。硬質的鋁或鋼製外殼搭配牢固的安裝點，有助於確保機器振動準確傳遞至感測元件，且不會對結構造成干擾。
ADIN1110系統架構可配合多種感測器類型，包括溫度、壓力、聲音和位置感測器。只需對微控制器韌體進行最少的變更，就可達到類比或數位輸出。
結論
將ADIN1110 MAC-PHY的10BASE-T1L功能與SPE網路、PoDL電力傳輸及緊湊的MEMS感測整合在一起，設計人員就可將乙太網路連接型監測節點部署在更靠近工業資產的位置，且無需與傳統架構相關的基礎設施開銷。如此一來，就可在分散式工業系統中達到更具擴充能力的條件式監測，以及更廣泛的操作能見度。
（本文作者 Barley Li為DigiKey亞太區技術應用工程經理）
