Construiți rapid instrumente de câmp inteligente conectate, cu ajutorul seturilor complete de soluții

Pentru a realiza întregul potențial al Industriei 4.0, proiectanții trebuie să obțină date din medii dificile și să comunice aceste date în siguranță către sistemul de control. Deși factorii tehnologici cheie pentru a realiza această viziune există, în trecut, proiectanții identificau și implementau soluții eficiente pe cont propriu. Proiectanții au nevoie de soluții care să simplifice implementarea instrumentelor de câmp inteligente conectate necesare pentru a realiza transformarea digitală în industria de procesare.

Acest articol descrie utilizarea unui set complet de soluții de la Analog Devices care oferă un răspuns eficient la cererea tot mai mare de instrumente de câmp inteligente conectate.

Instrumentele de câmp se bazează pe patru capacități funcționale cheie

În automatizările industriale, instrumentele de câmp cuprind o colecție de dispozitive de procesare a semnalelor care asigură un schimb fiabil de date și de control între senzorii și actuatoarele finale din teren și sistemele gazdă utilizate pentru a gestiona aceste dispozitive și datele lor. Într-o aplicație tipică, aceste instrumente trebuie să susțină patru capacități funcționale cheie:

• Furnizarea de interfețe cu senzori sau actuatoare conectate prin intermediul convertoarelor analogice-digitale (ADC) sau al convertoarelor digitale-analogice (DAC)
• Furnizarea de unități microcontroler (MCU) pentru condiționarea semnalelor și controlul dispozitivelor finale
• Furnizarea energiei, izolării și supravegherii necesare pentru funcționarea și siguranța instrumentelor
• Furnizarea de interfețe pentru diferitele opțiuni de conectivitate necesare pentru schimbul sigur și de încredere cu date și informații de control.

Proiectanții au abordat aceste cerințe funcționale pentru un instrument de câmp tipic prin găsirea dispozitivelor ADC, MCU, de alimentare și de conectivitate necesare pentru a sprijini fiecare aplicație specifică bazată pe senzori sau actuatoare (Figura 1).

Figura 1: La crearea instrumentelor de câmp, proiectanții au abordat cerințele de bază pentru achiziția de date de la senzori sau pentru controlul traductoarelor prin utilizarea de ADC-uri, DAC-uri, MCU-uri și dispozitive de suport suplimentare disponibile. (Sursă imagine: Analog Devices)

Odată cu provocările mai semnificative ale Industriei 4.0, proiectanții de instrumente de câmp se confruntă cu un set tot mai mare de cerințe pentru inteligență, siguranță și securitate sporite la periferie, continuând în același timp să furnizeze date precise și sigure.

Industria 4.0 determină necesitatea unor capacități mai avansate

La interfața senzorului sau a dispozitivului de acționare, un număr mai mare și o varietate mai mare de senzori de înaltă rezoluție și lățime de bandă mare necesită soluții eficiente cu front-end analogic (AFE). Cerințele de procesare ale acestor instrumente cresc în mod corespunzător, determinate de cerințele tot mai mari de achiziție și condiționare a semnalelor senzorilor. În plus, dorința de a obține o inteligență sporită la periferie justifică procesoarele avansate care pot executa eficient algoritmi de inteligență artificială (AI) la periferie, sporind eficiența instrumentelor de câmp și îmbunătățind siguranța industrială. Securitatea acestor instrumente rămâne extrem de importantă în fața unei game tot mai largi de amenințări.

Odată cu creșterea capacităților, instrumentele de câmp avansate necesită o lățime de bandă de date și o putere mai mare în comparație cu dispozitivele tradiționale cu buclă de curent de 4-20 miliamperi (mA), care oferă de obicei o putere de livrare a energiei către instrumente de 1,2 kilobiți pe secundă (Kbits/s) și mai puțin de 40 de miliwați (mW). 10BASE-T1L acceptă o lățime de bandă de date de 10 megabiți pe secundă (Mbit/s) și o livrare de energie de până la 60 de wați sau 500 mW în Zona 0, încurajând cazurile de utilizare în condiții de siguranță intrinsecă cu Ethernet-APL. În plus, 10BASE-T1L/Ethernet-APL oferă această performanță prin cablu cu o singură pereche torsadată, permițând în același timp reutilizarea cablului existent instalat.

Chiar dacă sistemele industriale implică cerințe de comunicare mai exigente, rămâne necesitatea de a susține instrumentele de câmp tradiționale și aplicațiile emergente din Industria 4.0. Prin urmare, proiectanții trebuie să răspundă cu proiecte inteligente de instrumente de câmp pentru o combinație de aplicații recondiționate și sisteme noi (Figura 2).

Figura 2: Atunci când proiectează instrumente de câmp inteligente, proiectanții se confruntă cu provocarea de a răspunde cerințelor emergente de putere și lățime de bandă de date și de a susține aplicațiile industriale existente. (Sursă imagine: Analog Devices)

Utilizând un set de dispozitive avansate de la Analog Devices, proiectanții pot răspunde rapid cerințelor pentru instrumentele de câmp inteligente utilizate pentru sistemele de automatizare industrială existente și emergente.

Îndepliniți cerințele pentru instrumente de câmp avansate cu un set complet de dispozitive

Un instrument de câmp tipic trebuie să îndeplinească o serie de cerințe. Un transmițător tipic de senzor de presiune demonstrează modul în care proiectanții pot îndeplini cu ușurință aceste cerințe în propriile aplicații (Figura 3).

Figura 3: Proiectarea de nivel înalt a unui emițător cu senzor de presiune ilustrează cerințele de bază pentru capacitățile funcționale tipice ale interfeței senzorului, procesorului, energiei și conectivității unui instrument de câmp inteligent. (Sursă imagine: Analog Devices)

În designul de emițător cu senzor de presiune ilustrat, lanțul de semnal trebuie să furnizeze un curent de excitație la senzorul de presiune cu punte rezistivă și să măsoare tensiunea diferențială generată pe măsură ce senzorul reacționează la presiune. În acest caz, un singur dispozitiv integrat, cum ar fi AFE AD7124 sau AD4130 de la Analog Devices, simplifică interfața senzorului prin furnizarea curentului de excitație ca parte a unui lanț de semnal complet cu mai multe canale, cu o ieșire digitală (Figura 4).

Figura 4: AFE AD7124 oferă lanțul complet de semnal multicanal necesar pentru a genera date digitale de la majoritatea senzorilor activi și pasivi. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a completa subsistemul de senzori, proiectanții pot utiliza un MCU din familia ADuCM36x de la Analog Devices pentru a gestiona AFE și pentru a efectua procesarea, calibrarea și compensarea suplimentară a semnalelor. De exemplu, proiectanții pot utiliza ADC-ul pe 24 de biți integrat al MCU ADuCM36x pentru convertirea citirilor de la un senzor de temperatură pentru a asigura compensarea în funcție de temperatură a senzorului cu punte rezistivă (Figura 4).

Pentru o procesare mai amplă și pentru gestionarea generală a instrumentului de câmp, proiectanții pot încorpora un MCU Arm® Cortex®-M4 de înaltă performanță, cum ar fi MAX32675 sau MAX32690 de la Analog Devices, în timp ce noile microcontrolere AI, cum ar fi familia MAX78000, multipremiată, asigură cea mai mare eficiență în execuția rețelelor neuronale la periferie. Izolat de subsistemul senzorului printr-un izolator digital ADUM1440 de la Analog Devices, MCU de înaltă performanță gestionează funcționarea instrumentului de câmp, perifericele suplimentare și conectivitatea.

Concepute pentru automatizarea industrială, aceste MCU-uri îndeplinesc diferite cerințe de aplicații specializate. De exemplu, MAX32675 este potrivit pentru aplicațiile cu bucle de curent de 4-20 mA, în timp ce MAX32690 integrează un radio Bluetooth 5.2 low energy (LE) avansat pentru aplicații fără fir și suficientă memorie pentru a accepta stive mari de comunicații, cum ar fi Profinet. Ambele procesoare abordează preocupările tot mai mari legate de securitate prin oferirea unui generator de numere aleatoare reale integrat, a unui motor de standard de criptare avansată (AES), a unui sistem de stocare securizată nevolatilă a cheilor și a unei porniri securizate.

Pentru a furniza energie regulată la dispozitivele dintr-un instrument de câmp, proiectanții includ în mod obișnuit un regulator cu căderi mici de tensiune (LDO), cum ar fi ADP162 de la Analog Devices, precum și un regulator de comutare c.c. - c.c. cu coborâre, cum ar fi ADP2360 de la Analog Devices. Asigurarea unei tensiuni de alimentare corecte a subsistemului procesorului este esențială pentru proiectele de instrumente de câmp inteligente care funcționează în medii cu zgomot electric. Utilizând supervizorul ADM8323 de la Analog Devices, proiectanții se pot asigura că tensiunea de alimentare rămâne peste un prag de tensiune prestabilit.

În timpul evenimentelor de pornire, oprire și căderi de tensiune, ADM8323 activează un semnal care menține MCU într-o stare de resetare. Atunci când puterea revine peste nivelul de prag, ADM8323 eliberează resetarea. În acest moment, MCU-urile care acceptă pornirea securizată, cum ar fi MAX32675 și MAX32690, confirmă autenticitatea codului de program înainte de a continua. Pentru a confirma faptul că execuția codului continuă în mod normal, proiectanții pot utiliza temporizatorul pentru dispozitive de semnalizare integrat cu fereastră al ADM8323.

Achiziționarea datelor de la senzori și executarea sigură a codului sunt aspecte fundamentale ale funcționării unui instrument de câmp inteligent. La nivelul aplicațiilor, comunicarea de încredere este esențială. De ani de zile, instrumentele de câmp inteligente conectate s-au bazat pe dispozitive cu buclă de curent de 4-20 mA și pe schimbul de date utilizând protocolul de modem HART cu schimbare de frecvență continuă (FSK). Proiectanții pot susține cu ușurință interfețele existente pentru bucla de curent și protocolul HART folosind dispozitivele DAC de 4-20 mA AD5421 și modemul HART AD5700 de la Analog Devices.

Soluțiile de automatizare industrială necesită niveluri de tensiune mai ridicate și o lățime de bandă mai mare decât cele pe care le pot suporta metodele anterioare, ceea ce determină necesitatea unor opțiuni de conectivitate precum standardul de nivel fizic 10BASE-T1L. Proiectanții pot implementa rapid conectivitatea 10BASE-T1L folosind ADIN1100 sau ADIN1110 de la Analog Devices. În timp ce ADIN1100 oferă un emițător-receptor de nivel fizic (PHY) pentru proiecte, ADIN1110 integrează atât un emițător-receptor PHY, cât și o interfață de control al accesului la media (MAC), permițând utilizarea cu procesoare cu consum redus de energie fără un MAC integrat.

Extinderea și îmbunătățirea instrumentelor de câmp pentru cerințe specializate

Prin adăugarea sau înlocuirea câtorva componente, proiectanții pot extinde și îmbunătăți același proiect de senzor de presiune din Figura 3 pentru a crea instrumentul de câmp conectat necesar pentru aplicația lor specifică. De exemplu, un proiect pentru un emițător electromagnetic de debit ar putea utiliza aceeași arhitectură generală, adăugându-se și eliminându-se doar câteva componente, după cum este necesar (Figura 5).

Figura 5: Proiectanții pot răspunde rapid la noile cerințe de interfață a senzorilor, cum ar fi cele pentru emițătorul de debit electromagnetic prezentat aici, reutilizând în același timp elementele de proiectare a unui instrument de câmp existent. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru această aplicație, multe dintre aceleași componente îndeplinesc cerințele generale, dar pentru senzori este necesară o interfață diferită. Proiectanții pot îndeplini noile cerințe de interfață pentru senzori folosind un amplificator de instrumentație adecvat, cum ar fi AD8422 de la Analog Devices, un regulator c.c. - c.c. ADP2441 și un driver de poartă izolat ADuM4121 pentru a furniza sursa de excitație cu curent constant necesară pentru traductorul de debit.

Alte elemente constitutive disponibile se adresează cerințelor specializate emergente. De exemplu, instrumentele de câmp inteligente conectate ar putea avea nevoie de capacități de criptare și autentificare pentru a proteja datele împotriva divulgării și pentru a asigura integritatea instrucțiunilor de control transmise de la o gazdă la instrument, respectând cele mai recente cerințe IEC 62443. În acest caz, proiectanții ar putea adăuga coprocesorul de securitate MAXQ1065 de la Analog Devices, cu consum de energie foarte redus, pentru a calcula o cheie de sesiune care să fie utilizată în criptarea mesajelor AES.

Concluzie

Aplicațiile sofisticate de automatizare industrială se bazează pe capacitățile instrumentelor de câmp inteligente și pot accepta un număr mai mare de diferiți senzori și diferite actuatoare. Pentru a proiecta aceste instrumente în mod eficient, proiectanții pot acum să se bazeze pe un set cuprinzător de dispozitive pentru a îndeplini cerințele mai exigente în ceea ce privește interfețele de senzori, procesoarele, alimentarea și conectivitatea.