Bygg tilkoblede intelligente feltinstrumenter raskt med omfattende løsningssett

For å realisere det fulle potensialet i Industri 4.0 må konstruktører hente inn data fra tøffe miljøer og kommunisere disse dataene pålitelig og sikkert til styringsystemet. Selv om nøkkelteknologiene eksisterer for å oppnå denne visjonen, har designere tidligere vært alene om å identifisere og implementere effektive løsninger. Designere trenger løsninger som forenkler implementeringen av de tilkoblede intelligente feltinstrumentene som trengs for å oppnå digital transformasjon i prosessindustrien.

Denne artikkelen beskriver bruken av et omfattende løsningssett fra Analog Devices som gir et effektivt svar på den økende etterspørselen etter tilkoblede intelligente feltinstrumenter.

Feltinstrumenter er avhengige av fire nøkkelfunksjoner

I industriell automatisering omfatter feltinstrumenter innsamling av signalbehandlingsenheter som sikrer pålitelig data og styringsutveksling mellom endesensorer og aktuatorer i feltet, og vertssystemene som brukes til å administrere disse enhetene og deres data. I en typisk applikasjon må disse instrumentene støtte fire nøkkelfunksjoner:

• Skaffe grensesnitt til sensorer eller aktuatorer som er koblet via analog-til-digital-omformere (ADC-er) eller digital-til-analog-omformere (DAC-er)
• Tilby mikrokontrollerenheter (MCU-er) for signalkondisjonering og styring av sluttenheter
• Sørg for strømmen, isolasjonen og tilsyn som trengs for instrumentdrift og sikkerhet
• Levere grensesnitt til de ulike tilkoblingsalternativene som kreves for pålitelig og sikker utveksling av data og styringsinformasjon

Designere har adressert disse funksjonskravene for et typisk feltinstrument ved å finne de nødvendige ADC-, MCU-, strøm- og tilkoblingsenhetene for å støtte hver enkelt sensor eller aktuatorbaserte utrustninger (figur 1).

Figur 1: Når du oppretter feltinstrumenter, har designere adressert de grunnleggende kravene for å innhente sensordata eller styre transdusere ved å bruke tilgjengelige ADC-er, DAC-er, MCU-er og ekstra støtteenheter. (Bildekilde: Analog Devices)

Med de mer betydelige utfordringene til Industry 4.0, står designere av feltinstrumenter overfor et voksende sett med krav til bedre inngangspunktet (edge)-intelligens, sikkerhet og trygghet – samtidig som de fortsetter å levere nøyaktige og pålitelige data.

Industri 4.0 øker behovet for mer avanserte funksjoner

Ved sensor- eller aktuatorgrensesnittet krever et større antall sensorer med høy oppløsning og høy båndbredde effektive analoge front-end (AFE) -løsninger. Behandlingsbehovene til disse instrumentene øker tilsvarende, drevet av omfattende krav til innsamling og kondisjonering av sensorsignaler. Videre garanterer stasjonen for større kantintelligens avanserte prosessorer som effektivt kan utføre algoritmer for kunstig intelligens (AI/KI) på inngangspunktet (edge AI), noe som øker effektiviteten av feltinstrumenter og forbedrer industrisikkerheten. Sikkerheten til disse instrumentene er fortsatt avgjørende i møte med mengde ulike trusler.

Med økte funksjoner krever avanserte feltinstrumenter høyere databåndbredde og strømforsyning sammenlignet med eldre 4-20 milliamp (mA) strømsløyfeenheter, som vanligvis tilbyr strømforsyning til instrumenter på 1,2 kilobit per sekund (Kbits/s) og mindre enn 40 milliwatt (mW). 10BASE-T1L støtter databåndbredde på 10 megabit per sekund (Mbits/s) og strømforsyning på opptil 60 watt eller 500 mW i sone 0, noe som oppmuntrer til egensikre brukstilfeller med Ethernet-APL. I tillegg gir 10BASE-T1L/Ethernet-APL denne ytelsen over tvunnet par-kabel, samtidig som den muliggjør gjenbruk av eksisterende installert kabel.

Selv om industrisystemer innebærer mer krevende kommunikasjonskrav, forblir behovet for å støtte eldre feltinstrumenter og nye Industri 4.0-utrustninger. Som et resultat må designere svare med intelligente feltinstrumentdesign for en kombinasjon av eksisterende utrustninger og nye greenfield-systemer (figur 2).

Figur 2: Ved utforming av intelligente feltinstrumenter står designere overfor utfordringen med å svare på nye krav til strøm- og databåndbredde og støtte eksisterende industrielle utrustninger. (Bildekilde: Analog Devices)

Ved hjelp av et sett med avanserte enheter fra Analog Devices kan designere raskt løse kravene til de intelligente feltinstrumentene som brukes til eksisterende og nye industriautomatiseringssystemer.

Oppfyll kravene til avanserte feltinstrumenter med et omfattende sett med enheter

Et typisk feltinstrument må tilfredsstille en rekke krav. En typisk trykksensorsender demonstrerer hvordan designere lett kan oppfylle disse kravene i sine egne utrustninger (figur 3).

Figur 3: En trykksensorsender med design på høyt nivå illustrerer grunnleggende krav til et typisk intelligent feltinstruments sensorgrensesnitt, prosessor, strøm og tilkoblingsfunksjonalitet. (Bildekilde: Analog Devices)

I den avbildede trykksensorens senderdesign må signalkjeden gi en eksitasjonsstrøm til motstandsbroens trykksensor og måle differensialspenningen som genereres når sensoren reagerer på trykk. Her forenkler en enkelt integrert enhet slik som Analog Devices AD7124 eller AD4130 AFE sensorgrensesnittet ved å gi eksitasjonsstrøm som en del av en komplett flerkanals signalkjede med en digital utgang (figur 4).

Figur 4: AD7124 AFE gir den komplette flerkanals signalkjeden som kreves for å generere digitale data fra de fleste aktive og passive sensorene. (Bildekilde: Analog Devices)

For å fullføre sensor-delsystemet kan designere bruke en MCU i ADuCM36x-familien fra Analog Devices til å administrere AFE og utføre ekstra signalbehandling, kalibrering og kompensasjon. For eksempel kan designere bruke ADuCM36x MCUs integrerte 24-bits ADC for å konvertere avlesninger fra en temperatursensor for å gi temperaturkompensasjon for motstandsbro-sensoren (figur 4).

For mer omfattende behandling og generell styring av feltinstrumentet, kan designere inkludere en Arm® Cortex® -M4 MCU med høy ytelse, som MAX32675 eller MAX32690 fra Analog Devices, mens nye AI-mikrokontrollere, som den prisbelønte MAX78000-familien, sikrer den høyeste virkningsgraden av nevrale nettverk på inngangspunktet (edge-en). Den høyytelses MCU-en er isolert fra sensorundersystemet med digitalisolator ADUM1440 fra Analog Devices, og håndterer feltinstrumentdrift, tilleggsutstyr og tilkoblingsmuligheter.

Disse MCU-ene er designet for industriell automatisering og oppfyller ulike spesialiserte utrustningskrav. MAX32675 er for eksempel godt egnet for 4-20 mA strømsløyfeapplikasjoner, mens MAX32690 integrerer en avansert Bluetooth 5.2 lavenergi-radio (LE) for trådløse utrustninger og tilstrekkelig minne til å støtte store kommunikasjonsstabler som Profinet. Begge prosessorene løser økende sikkerhetsproblemer ved å tilby en integrert sann tilfeldig nummergenerator, en avansert krypteringsstandard (AES)-motor, sikker ikke-flyktig nøkkellagring og sikker oppstart.

For å levere regulert strøm til enhetene i et feltinstrument, vil designere vanligvis inkludere en LDO-regulator (Low Dropout) som for eksempel ADP162 fra Analog Devices, samt en DC-DC-nedtrappingsregulator som for eksempel ADP2360 fra Analog Devices. Å sikre en riktig forsyningsspenning til prosessorens delsystem er avgjørende for intelligente feltinstrumentutforminger som opererer i elektrisk støyende miljøer. Bruke overvåkeren (supervisoren) ADM8323 fra Analog Devices kan designere sikre at forsyningsspenningen forblir over en forhåndsinnstilt spenningsterskel.

Under oppstarts-, avslåings- og spenningskollaps (brownout)-hendelser, hevder ADM8323 et signal som holder MCU-en i en tilbakestilt tilstand. Når strømmen returnerer over terskelnivået, utløser ADM8323 nullstillingen. På det tidspunktet bekrefter MCU-er som støtter sikker oppstart, for eksempel MAX32675 og MAX32690, ektheten av programkoden før du fortsetter. For å bekrefte at kjøring av kode fortsetter normalt, kan designere bruke ADM8323s vindusintegrerte vakthund-timer.

Innhenting av sensordata og pålitelig kjøring av kode er grunnleggende aspekter ved driften av et intelligent feltinstrument. På utrustningsnivå er pålitelig kommunikasjon kritisk. I årevis har intelligente tilkoblede feltinstrumenter vært avhengig av 4-20 mA strømsløyfeenheter og datautveksling ved bruk av HART-modemprotokollen for fasekontinuerlig frekvensforskyvning (FSK). Designere kan enkelt støtte eksisterende strømsløyfe- og HART-protokollgrensesnitt ved å bruke 4-20 mA DAC AD5421 og HART-modemenhet AD5700 fra Analog Devices.

Industriautomatiseringsløsninger krever høyere spenningsnivåer og mer båndbredde enn tidligere metoder kan støtte, noe som fører til et behov for tilkoblingsalternativer som 10BASE-T1L fysisk lagstandard. Designere kan raskt implementere 10BASE-T1L-tilkobling ved hjelp av ADIN1100 eller ADIN1110 fra Analog Devices. Mens ADIN1100 tilbyr en fysisk (PHY) lag-sender/mottaker for design, integrerer ADIN1110 både en PHY-sender/mottaker og et MAC-grensesnitt (Media Access Control), noe som muliggjør bruk med lavenergiprosessorer uten en integrert MAC.

Utvid og forbedre feltinstrumenter for spesialiserte krav

Ved å legge til eller erstatte noen få komponenter, kan designere utvide og forbedre den samme trykksensorutformingen fra figur 3 for å opprette det tilkoblede feltinstrumentet som kreves for deres spesifikke utrustning. En utforming for en elektromagnetisk strømningssender kan f.eks. bruke den samme generelle arkitekturen, og bare legge til og fjerne noen få komponenter etter behov (figur 5).

Figur 5: Designere kan raskt reagere på nye krav til sensorgrensesnitt, for eksempel de for den elektromagnetiske strømningssenderen som vises her, mens de gjenbruker elementer i en eksisterende feltinstrumentdesign. (Bildekilde: Analog Devices)

For denne utrustningen oppfyller mange av de samme komponentene de generelle kravene, men et annet sensorgrensesnitt er nødvendig. Designere kan møte de nye kravene til sensorgrensesnitt ved å bruke en passende instrumenteringsforsterker som Analog Devices sin AD8422, DC-DC regulator ADP2441 og isolert portdriver ADuM4121, for å gi konstantstrømeksitasjonskilden som trengs for strømningstransduseren.

Andre tilgjengelige byggeklosser adresserer nye spesialiserte krav. For eksempel kan tilkoblede, intelligente feltinstrumenter trenge krypterings- og godkjenningsfunksjoner for å beskytte data mot avsløring og sikre integriteten til styringsinstruksjoner som sendes fra en vert til instrumentet, og som oppfyller de nyeste IEC 62443-kravene. I dette tilfellet kan designere legge til Analog Devices sikkerhetsprosessor MAXQ1065 med ultralavt energiforbruk (ultralav effekt) for å beregne en øktnøkkel for bruk i AES-meldingskryptering.

Konklusjon

Avanserte industrielle automatiseringutrustninger bygger på egenskapene til intelligente feltinstrumenter og kan støtte et større antall varierte sensorer og aktuatorer. For å konstruere disse instrumentene effektivt, kan designere nå bruke et omfattende sett med enheter for å støtte mer krevende sensorgrensesnitt, prosessorer, strøm og tilkoblingskrav.