Szybkie tworzenie połączonych, inteligentnych przyrządów polowych dzięki kompleksowym zestawom rozwiązań

Aby w pełni wykorzystać potencjał Przemysłu 4.0, projektanci muszą pozyskiwać dane w trudnych warunkach środowiskowych oraz przekazywać je niezawodnie i bezpiecznie do układu sterowania. Chociaż istnieją kluczowe technologie umożliwiające realizację tej idei, w przeszłości projektanci znajdowali i wdrażali skuteczne rozwiązania samodzielnie. Projektanci potrzebują rozwiązań, które upraszczają wdrażanie połączonych inteligentnych przyrządów polowych potrzebnych do transformacji cyfrowej w przemyśle przetwórczym.

W niniejszym artykule opisano zastosowanie kompleksowego zestawu rozwiązań firmy Analog Devices, stanowiącego skuteczną odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na inteligentne połączone przyrządy polowe.

Przyrządy polowe opierają się na czterech kluczowych funkcjach

We wdrożeniach automatyki przemysłowej zbiór przyrządów polowych obejmuje urządzenia do przetwarzania sygnałów, zapewniających niezawodną wymianę danych i sygnałów sterowania między czujnikami końcowymi i aktuatorami w obiekcie oraz systemami hosta służącymi do zarządzania tymi urządzeniami i ich danymi. W typowym zastosowaniu przyrządy te muszą zapewniać następujące cztery kluczowe możliwości funkcjonalne:

• interfejsy dla czujników lub aktuatorów podłączonych za pośrednictwem przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) lub przetworników cyfrowo-analogowych (DAC)
• mikrokontrolery MCU do kondycjonowania sygnałów i sterowania urządzeniami końcowymi
• zasilanie, izolację i nadzór niezbędne do działania przyrządu i zapewnienia bezpieczeństwa
• interfejsy dla różnych typów łączności wymagane do niezawodnej i bezpiecznej wymiany danych i sygnałów sterujących

Projektanci zajęli się tymi wymaganiami funkcjonalnymi dla typowego przyrządu polowego, dobierając potrzebne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), mikrokontrolery MCU, komponenty zasilania i urządzenia do łączności przeznaczone do poszczególnych zastosowań wykorzystujących czujniki lub aktuatory (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podczas tworzenia przyrządów polowych projektanci zajęli się podstawowymi wymaganiami dotyczącymi pozyskiwania danych z czujników lub sterowania przetwornikami, wykorzystując dostępne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC), mikrokontrolery MCU i dodatkowe urządzenia pomocnicze. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wraz z coraz większymi wyzwaniami Przemysłu 4.0, projektanci przyrządów polowych stoją przed coraz szerszym zakresem wymagań w zakresie inteligencji brzegowej, bezpieczeństwa i zabezpieczeń przy jednoczesnym dostarczaniu dokładnych i wiarygodnych danych.

Przemysł 4.0 stymuluje zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane funkcje

Większa liczba i różnorodność czujników o wysokiej rozdzielczości i dużej szerokości pasma w interfejsie czujnikowym lub aktuatorowym wymaga skutecznych rozwiązań w postaci analogowych układów front-end (AFE). Wymagania opisywanych przyrządów w dziedzinie przetwarzania rosną proporcjonalnie do wymagań związanych z akwizycją i kondycjonowaniem sygnałów z czujników. Ponadto dążenie do rozwijania inteligencji brzegowej wymaga zaawansowanych procesorów, które mogą sprawnie wykonywać algorytmy sztucznej inteligencji (AI) w środowisku brzegowym, zwiększając sprawność przyrządów polowych i poprawiając bezpieczeństwo przemysłowe. W obliczu coraz większej liczby zagrożeń, kwestią nadrzędną pozostaje bezpieczeństwo omawianych przyrządów.

Dzięki zwiększonym możliwościom, zaawansowane przyrządy polowe wymagają większej przepustowości danych i doprowadzanej mocy w porównaniu ze starszymi urządzeniami z pętlą prądową 4-20mA, które zwykle oferują szybkość transmisji danych wynoszącą 1,2kbit/s i moc poniżej 40mW. Standard 10BASE-T1L obsługuje przepustowość danych 10Mbit/s i moc do 60W lub 500mW w strefie 0, co zachęca do stosowania samoistnie bezpiecznych rozwiązań Ethernet-APL. Ponadto technologie 10BASE-T1L/Ethernet-APL zapewniają wyższe parametry działania w porównaniu z pojedynczą skrętką dwużyłową, jednocześnie umożliwiając ponowne wykorzystanie istniejących kabli.

Nawet jeśli systemy przemysłowe mają bardziej wyśrubowane wymagania komunikacyjne, wciąż nie można ignorować obsługi starszych przyrządów polowych oraz nowych zastosowań Przemysłu 4.0. W rezultacie projektanci muszą opracowywać inteligentne projekty przyrządów polowych, uwzględniając przy tym zarówno potrzeby istniejących, przestarzałych systemów, jak i systemów nowych i nowoczesnych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: projektując inteligentne przyrządy polowe, projektanci stają przed wyzwaniem reagowania na pojawiające się wymagania w dziedzinie mocy i przepustowości danych oraz obsługi istniejących rozwiązań przemysłowych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Korzystając z zestawu zaawansowanych urządzeń firmy Analog Devices, projektanci mogą szybko spełnić wymagania dotyczące inteligentnych przyrządów polowych używanych w istniejących i nowo powstających systemach automatyki przemysłowej.

Spełnienie wymagań stawianych zaawansowanym przyrządom polowym dzięki wszechstronnemu zestawowi urządzeń

Typowy przyrząd polowy musi spełniać szereg wymagań. Typowy nadajnik czujnika ciśnienia pozwala zademonstrować sposób, w jaki projektanci mogą łatwo spełnić te wymagania we własnych zastosowaniach (ilustracja 3).

Ilustracja 3: projekt wysokiego poziomu przetwornika czujnika ciśnienia ilustruje podstawowe wymagania dotyczące interfejsu czujnika, procesora, zasilania i funkcji łączności w typowym inteligentnym przyrządzie polowym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przedstawionej na ilustracji konstrukcji nadajnika czujnika ciśnienia, łańcuch sygnałowy musi dostarczać prąd wzbudzający do mostka rezystancyjnego czujnika ciśnienia i mierzyć generowane napięcie różnicowe w odpowiedzi czujnika na ciśnienie. Tutaj pojedyncze zintegrowane urządzenie, na przykład analogowy układ front-end AD7124 lub AD4130 firmy Analog Devices, upraszcza interfejs czujnika, dostarczając prąd wzbudzający w ramach kompletnego wielokanałowego łańcucha sygnałowego z wyjściem cyfrowym (ilustracja 4).

Ilustracja 4: analogowy układ front-end (AFE) AD7124 zapewnia kompletny wielokanałowy łańcuch sygnałowy wymagany do generowania danych cyfrowych z większości aktywnych i pasywnych czujników. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Projektanci mogą uzupełnić podsystem czujników o mikrokontroler MCU ADuCM36x firmy Analog Devices, służący do zarządzania analogowym układem front-end (AFE) i pełnienia dodatkowych funkcji przetwarzania sygnału, kalibracji oraz kompensacji. Projektanci mogą na przykład wykorzystać zintegrowany 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) ADuCM36x do konwersji odczytów z czujnika temperatury w celu zapewnienia kompensacji temperatury mostka rezystancyjnego (ilustracja 4).

W celu bardziej zaawansowanego przetwarzania i ogólnego zarządzania przyrządem polowym projektanci mogą zastosować wysokowydajny mikrokontroler MCU Arm® Cortex®-M4, na przykład MAX32675 lub MAX32690 firmy Analog Devices, natomiast nowe mikrokontrolery ze sztuczną inteligencją (AI), np. z wielokrotnie nagradzanej grupy MAX78000, zapewniają najwyższą sprawność działania sieci neuronowych w środowisku brzegowym. Izolowany od podsystemu czujników za pomocą izolatora cyfrowego ADUM1440 firmy Analog Devices, wysokowydajny mikrokontroler MCU zarządza pracą przyrządów polowych, dodatkowymi urządzeniami peryferyjnymi i łącznością.

Mikrokontrolery MCU zostały zaprojektowane z myślą o automatyce przemysłowej i spełniają wymagania różnych specjalistycznych zastosowań. Na przykład układ MAX32675 dobrze nadaje się do zastosowań z pętlą prądową 4-20mA, natomiast układ MAX32690 integruje zaawansowane radio Bluetooth 5.2 Low Energy (LE) do zastosowań bezprzewodowych oraz pamięć wystarczającą do obsługi dużych stosów komunikacyjnych, takich jak Profinet. Oba procesory rozwiewają rosnące obawy dotyczące bezpieczeństwa, oferując zintegrowany generator liczb prawdziwie losowych, aparat zaawansowanego standardu szyfrowania (AES), bezpieczne nieulotne przechowywanie kluczy i bezpieczne uruchamianie.

W celu dostarczenia regulowanego zasilania do urządzeń w przyrządzie polowym, projektanci zazwyczaj stosują regulatory napięcia o niskim spadku (LDO), na przykład ADP162 firmy Analog Devices, a także obniżające regulatory przełączające prądu stałego, np. ADP2360 firmy Analog Devices. Zapewnienie prawidłowego napięcia zasilania podsystemu procesora ma kluczowe znaczenie dla projektów inteligentnych przyrządów polowych działających w środowiskach, gdzie występują zakłócenia elektryczne. Korzystając z układu nadzorującego ADM8323 firmy Analog Devices, projektanci mogą zadbać o to, aby napięcie zasilania pozostawało powyżej wstępnie ustawionej wartości progowej.

Podczas zdarzeń włączania zasilania, wyłączania zasilania i spadku napięcia, układ ADM8323 wysyła sygnał, który utrzymuje mikrokontroler MCU w stanie zresetowania. Gdy zasilanie powróci powyżej poziomu progowego, układ ADM8323 zwolni reset. Na tym etapie mikrokontrolery MCU obsługujące bezpieczne uruchamianie, takie jak MAX32675 i MAX32690, potwierdzają autentyczność kodu programu przed kontynuowaniem. Aby potwierdzić, że wykonywanie kodu przebiega normalnie, projektanci mogą użyć okienkowego zintegrowanego czasowego układu nadzorującego ADM8323.

Akwizycja danych z czujników i niezawodne wykonywanie kodu to podstawowe aspekty działania inteligentnego przyrządu polowego. Na poziomie praktycznym kluczowe znaczenie ma niezawodna komunikacja. Od lat inteligentne przyrządy polowe opierają się na urządzeniach z pętlą prądową 4-20mA i wymianie danych z wykorzystaniem protokołu modemowego HART z kluczowaniem częstotliwości (FSK) w trybie fazy ciągłej. Projektanci mogą łatwo obsługiwać istniejącą pętlę prądową i interfejsy protokołów HART za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) 4-20mA AD5421 oraz urządzeń modemowych HART AD5700 firmy Analog Devices.

Rozwiązania automatyki przemysłowej wymagają wyższych poziomów napięcia i większej szerokości pasma niż wcześniejsze metody, co prowadzi do zapotrzebowania na takie opcje łączności, jak standard warstwy fizycznej 10BASE-T1L. Projektanci mogą szybko wdrożyć łączność 10BASE-T1L za pomocą układu ADIN1100 lub ADIN1110 firmy Analog Devices. Układ ADIN1100 jest nadajniko-odbiornikiem z warstwą fizyczną (PHY) do projektów, natomiast układ ADIN1110 integruje w sobie zarówno nadajniko-odbiornik warstwy fizycznej, jak i interfejs kontroli dostępu do mediów (MAC), umożliwiając jego użycie z procesorami o niskiej mocy bez zintegrowanego interfejsu kontroli dostępu do mediów (MAC).

Rozbudowa i udoskonalanie przyrządów polowych pod kątem specjalistycznych wymagań

Dodając lub zastępując kilka komponentów, projektanci mogą rozbudować i ulepszyć konstrukcję czujnika ciśnienia z ilustracji 3, tworząc połączony przyrząd polowy wymagany do konkretnego zastosowania. Na przykład projekt elektromagnetycznego czujnika przepływu może wykorzystywać tę samą ogólną architekturę, dzięki czemu wystarczy dodać i usunąć kilka komponentów w razie potrzeby (ilustracja 5).

Ilustracja 5: projektanci mogą szybko reagować na nowe wymagania dotyczące interfejsów czujników, takie jak te dotyczące pokazanego tutaj elektromagnetycznego czujnika przepływu, wykorzystując jednocześnie elementy istniejącej konstrukcji przyrządu polowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W tym zastosowaniu wiele takich samych komponentów spełnia ogólne wymagania, ale wymagany jest inny interfejs czujnika. Projektanci mogą spełnić nowe wymagania dotyczące interfejsów czujników przy użyciu odpowiedniego wzmacniacza instrumentacyjnego, takiego jak np. układ AD8422, regulator prądu stałego ADP2441 oraz izolowany sterownik bramek ADuM4121 firmy Analog Devices, które zapewniają stałe prądowe źródło wzbudzenia potrzebne dla przetwornika przepływu.

Nowe specjalistyczne wymagania są zaspokajane przez inne dostępne bloki konstrukcyjne. Na przykład połączone inteligentne przyrządy polowe mogą wymagać funkcji szyfrowania i uwierzytelniania w celu ochrony danych przed ujawnieniem i zapewnienia integralności instrukcji sterujących przekazywanych z hosta do przyrządu, spełniając najnowsze wymagania normy IEC 62443. W tym przypadku projektanci mogą dodać koprocesor zabezpieczeń MAXQ1065 ultraniskiej mocy firmy Analog Devices do obliczania klucza sesji celem użycia w szyfrowaniu komunikatów AES.

Podsumowanie

Zaawansowane zastosowania automatyki przemysłowej opierają się na możliwościach inteligentnych przyrządów polowych i mogą obsługiwać większą liczbę różnych czujników i aktuatorów. Aby skutecznie projektować takie przyrządy, projektanci mogą teraz korzystać z kompleksowego zestawu urządzeń do obsługi bardziej wymagających interfejsów czujników, procesorów, zasilania i łączności.