Byg hurtigt forbundne intelligente feltinstrumenter med omfattende løsningssæt

For at realisere det fulde potentiale i Industri 4.0 skal designerne indsamle data fra barske miljøer og kommunikere disse data pålideligt og sikkert til kontrolsystemet. Selvom de vigtigste teknologiske forudsætninger for at opnå denne vision er til stede, har designere tidligere været alene om at identificere og implementere effektive løsninger. Designere har brug for løsninger, der forenkler implementeringen af de forbundne intelligente feltinstrumenter, der er nødvendige for at opnå digital transformation i procesindustrien.

Denne artikel beskriver brugen af et omfattende løsningssæt fra Analog Devices, der giver et effektivt svar på den voksende efterspørgsel efter forbundne intelligente feltinstrumenter.

Feltinstrumenter er afhængige af fire vigtige funktionelle egenskaber

I industriel automatisering omfatter feltinstrumenter en samling af signalbehandlingsenheder, der sikrer pålidelig data- og kontroludveksling mellem slutsensorer og aktuatorer i marken og de værtssystemer, der bruges til at styre disse enheder og deres data. I en typisk applikation skal disse instrumenter understøtte fire vigtige funktionelle egenskaber:

• Tilvejebringe grænseflader med sensorer eller aktuatorer forbundet via analog-til-digital-konvertere (ADC'er) eller digital-til-analog-konvertere (DAC'er)
• Mikrocontrollerenheder (MCU'er) til signalbehandling og styring af slutenheden
• Sørg for den strøm, isolation og overvågning, der er nødvendig for instrumentets drift og sikkerhed.
• Tilvejebringe grænseflader til de forskellige tilslutningsmuligheder, der er nødvendige for pålidelig og sikker udveksling af data og kontroloplysninger.

Designere har imødekommet disse funktionelle krav til et typisk feltinstrument ved at finde de nødvendige ADC'er, MCU'er, strøm- og forbindelsesenheder til at understøtte hver specifik sensor- eller aktuatorbaseret applikation (Figur 1).

Figur 1: Når man skaber feltinstrumenter, har designerne opfyldt de grundlæggende krav til indsamling af sensordata eller styring af transducere ved at bruge tilgængelige ADC'er, DAC'er, MCU'er og yderligere støtteenheder. (Billedkilde: Analog Devices)

Med de større udfordringer i Industri 4.0 står designere af feltinstrumenter over for et voksende sæt krav om større edge intelligence, sikkerhed og tryghed, samtidig med at de fortsat leverer nøjagtige og pålidelige data.

Industri 4.0 skaber behov for mere avancerede funktioner

Ved sensor- eller aktuatorgrænsefladen kræver et større antal og flere forskellige sensorer med høj opløsning og høj båndbredde effektive analoge front-end-løsninger (AFE). Kravene til behandling af disse instrumenter stiger tilsvarende, drevet af omfattende krav til opsamling og behandling af sensorsignaler. Desuden kræver ønsket om større edge-intelligens avancerede processorer, der effektivt kan udføre algoritmer for kunstig intelligens (AI) på kanten, hvilket øger feltinstrumenternes effektivitet og forbedrer den industrielle sikkerhed. Sikkerheden af disse instrumenter er fortsat altafgørende i lyset af en voksende vifte af trusler.

Med øgede muligheder kræver avancerede feltinstrumenter højere databåndbredde og strømforsyning sammenlignet med ældre 4-20 milliampere (mA) strømsløjfeenheder, som typisk tilbyder strømforsyning til instrumenter på 1,2 kilobit pr. sekund (Kbits/s) og mindre end 40 milliwatt (mW). 10BASE-T1L understøtter en databåndbredde på 10 megabit pr. sekund (Mbits/s) og en strømforsyning på op til 60 watt eller 500 mW i Zone 0, hvilket fremmer egensikre anvendelsesmuligheder med Ethernet-APL. Desuden giver 10BASE-T1L/Ethernet-APL denne ydelse over et enkelt parsnoet kabel, samtidig med at det gør det muligt at genbruge eksisterende installerede kabler.

Selv når industrielle systemer involverer mere krævende kommunikationskrav, er der stadig behov for at understøtte ældre feltinstrumenter og nye Industri 4.0-applikationer. Som følge heraf skal designerne reagere med intelligente feltinstrumentdesign til en kombination af eksisterende brownfield-applikationer og nye greenfield-systemer (figur 2).

Figur 2: Når man designer intelligente feltinstrumenter, står man over for udfordringen med at reagere på nye krav til strøm og databåndbredde og samtidig understøtte eksisterende industrielle applikationer. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved hjælp af et sæt avancerede enheder fra Analog Devices kan designere hurtigt opfylde kravene til de intelligente feltinstrumenter, der bruges til eksisterende og nye industrielle automatiseringssystemer.

Opfyld kravene til avancerede feltinstrumenter med et omfattende sæt enheder

Et typisk feltinstrument skal opfylde en række krav. En typisk tryksensortransmitter viser, hvordan designere nemt kan opfylde disse krav i deres egne applikationer (figur 3).

Figur 3: Et højniveaudesign af en tryksensortransmitter illustrerer de grundlæggende krav til et typisk intelligent feltinstruments sensorinterface, processor, strøm og tilslutningsmuligheder. (Billedkilde: Analog Devices)

I det afbildede tryksensortransmitterdesign skal signalkæden levere en excitationsstrøm til den resistive brotryksensor og måle den differentialspænding, der genereres, når sensoren reagerer på tryk. Her forenkler en enkelt integreret enhed som Analog Devices' AD7124 eller AD4130 AFE'er sensorinterfacet ved at levere excitationsstrøm som en del af en komplet flerkanals signalkæde med et digitalt output (figur 4).

Figur 4: AD7124 AFE leverer den komplette flerkanals signalkæde, der kræves for at generere digitale data fra de fleste aktive og passive sensorer. (Billedkilde: Analog Devices)

For at fuldende sensor-undersystemet kan designerne bruge en MCU fra Analog Devices' ADuCM36x-familien til at styre AFE og udføre yderligere signalbehandling, kalibrering og kompensation. For eksempel kan designere bruge ADuCM36x MCU'ens integrerede 24-bit ADC til at konvertere aflæsninger fra en temperatursensor for at give temperaturkompensation af den resistive brosensor (figur 4).

For mere omfattende behandling og overordnet styring af feltinstrumentet kan designere indarbejde en højtydende Arm® Cortex®-M4 MCU som Analog Devices' MAX32675 eller MAX32690, mens nye AI-mikrocontrollere, som den prisbelønnede MAX78000-familie, sikrer den mest effektive udførelse af neurale netværk på kanten. Den højtydende MCU er isoleret fra sensorundersystemet med en ADUM1440 digital isolator fra Analog Devices og styrer driften af feltinstrumentet, ekstra perifere enheder og tilslutningsmuligheder.

Disse MCU'er er designet til industriel automatisering og opfylder forskellige specialiserede anvendelseskrav. For eksempel er MAX32675 velegnet til 4-20 mA strømsløjfeapplikationer, mens MAX32690 integrerer en avanceret Bluetooth 5.2 low energy (LE)-radio til trådløse applikationer og tilstrækkelig hukommelse til at understøtte store kommunikationsstakke som Profinet. Begge processorer imødekommer voksende sikkerhedsproblemer ved at tilbyde en integreret ægte tilfældig talgenerator, en avanceret krypteringsstandard (AES) motor, sikker ikke-flygtig nøglelagring og sikker opstart.

For at levere reguleret strøm til enhederne i et feltinstrument vil designere typisk inkludere en LDO-regulator (low dropout) som Analog Devices' ADP162 samt en DC-DC step-down switching-regulator som Analog Devices' ADP2360. At sikre en korrekt forsyningsspænding til processordelsystemet er afgørende for intelligente feltinstrumentdesign, der fungerer i elektrisk støjende miljøer. Ved hjælp af Analog Devices' ADM8323 supervisor kan designere sikre, at forsyningsspændingen forbliver over en forudindstillet spændingstærskel.

Under opstart, nedlukning og strømafbrydelse sender ADM8323 et signal, der holder MCU'en i en nulstillet tilstand. Når strømmen vender tilbage over tærskelniveauet, frigiver ADM8323 nulstillingen. På det tidspunkt bekræfter MCU'er, der understøtter secure boot, såsom MAX32675 og MAX32690, ægtheden af programkoden, før de fortsætter. For at bekræfte, at kodeudførelsen fortsætter normalt, kan designere bruge ADM8323's integrerede watchdog-timer med vindue.

Indsamling af sensordata og pålidelig udførelse af kode er grundlæggende aspekter af driften af et intelligent feltinstrument. På applikationsniveau er pålidelig kommunikation afgørende. I årevis har intelligent forbundne feltinstrumenter været afhængige af 4-20 mA strømsløjfeenheder og dataudveksling ved hjælp af den fasekontinuerlige FSK HART-modem-protokol. Designere kan nemt understøtte eksisterende strømsløjfe- og HART-protokolgrænseflader ved hjælp af Analog Devices' AD5421 4-20 mA DAC- og AD5700 HART-modemenheder.

Industrielle automatiseringsløsninger kræver højere spændingsniveauer og mere båndbredde, end tidligere metoder kan understøtte, hvilket skaber et behov for tilslutningsmuligheder som den fysiske lagstandard 10BASE-T1L. Designere kan hurtigt implementere 10BASE-T1L-forbindelse ved hjælp af Analog Devices' ADIN1100 eller ADIN1110. Mens ADIN1100 tilbyder en fysisk (PHY) lag-transceiver til design, integrerer ADIN1110 både en PHY-transceiver og en MAC-grænseflade (Media Access Control), hvilket muliggør brug med processorer med lavt strømforbrug uden en integreret MAC.

Udvide og forbedre feltinstrumenter til specialiserede behov

Ved at tilføje eller udskifte nogle få komponenter kan designere udvide og forbedre det samme tryksensordesign fra figur 3 for at skabe det tilsluttede feltinstrument, der kræves til deres specifikke anvendelse. For eksempel kan et design til en elektromagnetisk flowtransmitter bruge den samme overordnede arkitektur og blot tilføje og fjerne et par komponenter efter behov (figur 5).

Figur 5: Designere kan hurtigt reagere på nye krav til sensorgrænseflader, som dem til den elektromagnetiske flowtransmitter, der er vist her, mens de genbruger elementer fra et eksisterende feltinstrumentdesign. (Billedkilde: Analog Devices)

Til denne applikation opfylder mange af de samme komponenter de overordnede krav, men der kræves en anden sensorgrænseflade. Designere kan opfylde de nye krav til sensorgrænseflade ved at bruge en passende instrumentforstærker som Analog Devices' AD8422, en ADP2441 DC-DC-regulator og en ADuM4121 isoleret gate-driver til at levere den konstantstrøms excitationskilde, der er nødvendig for flowtransduceren.

Andre tilgængelige byggesten imødekommer nye specialiserede krav. For eksempel kan forbundne, intelligente feltinstrumenter have brug for krypterings- og autentificeringsfunktioner for at beskytte data mod offentliggørelse og sikre integriteten af kontrolinstruktioner, der sendes fra en vært til instrumentet, hvilket opfylder de nyeste IEC 62443-krav. I dette tilfælde kan designerne tilføje Analog Devices' ultralave effekt MAXQ1065 sikkerheds co-processor til at beregne en sessionsnøgle til brug i AES-meddelelseskryptering.

Konklusion

Sofistikerede industrielle automatiseringsapplikationer bygger på kapaciteten i intelligente feltinstrumenter og kan understøtte et større antal forskellige sensorer og aktuatorer. For at designe disse instrumenter effektivt kan designerne nu trække på et omfattende sæt af enheder, der understøtter mere krævende sensorgrænseflader, processorer, strøm og forbindelseskrav.