Bygg snabbt uppkopplade intelligenta fältinstrument med omfattande lösningspaket

För att kunna utnyttja den fulla potentialen i Industry 4.0 måste konstruktörer samla in information i tuffa miljöer och kommunicera denna information på ett tillförlitligt och säkert sätt till styrsystemet. Även om de viktigaste tekniska förutsättningarna finns för att uppnå denna vision, har konstruktörer tidigare varit ensamma om att identifiera och implementera effektiva lösningar. Konstruktörer behöver lösningar som förenklar implementeringen av de uppkopplade intelligenta fältinstrument som behövs för att uppnå digital omvandling inom processindustrin.

Den här artikeln beskriver användningen av ett omfattande lösningspaket från Analog Devices som erbjuder ett effektivt svar på den växande efterfrågan på uppkopplade intelligenta fältinstrument.

Fältinstrument är beroende av fyra viktiga funktionella förmågor

Inom industriautomation består fältinstrument av en samling signalbehandlingsenheter som säkerställer tillförlitligt data- och kontrollutbyte mellan ändgivare och ställdon på fältet, och de värdsystem som används för att hantera dessa enheter och deras data. I en typisk tillämpning måste dessa instrument stödja fyra viktiga funktionella förmågor:

• Tillhandahålla gränssnitt för givare och ställdon som är anslutna via analog- till digitalomvandlare (ADC) eller digital- till analogomvandlare (DAC).
• Microcontrollerenheter (MCU) för signalbehandling och styrning av ändenheter
• Tillhandahålla den effekt, isolering och övervakning som krävs för instrumentets drift och säkerhet
• Tillhandahålla gränssnitt för de olika anslutningsmöjligheter som krävs för tillförlitligt och säkert utbyte av data och styrinformation.

Konstruktörer har hanterat dessa funktionskrav för ett typiskt fältinstrument genom att hitta de ADC-enheter, MCU-enheter, kraftkällor och anslutningsenheter som behövs för varje specifik givar- eller ställsdonsbaserad tillämpning (figur 1).

Figur 1: När fältinstrument konstrueras har konstruktörer tillgodosett de grundläggande kraven för insamling av givardata eller styrning av givare genom att använda tillgängliga ADC-, DAC-, MCU-enheter och ytterligare stödenheter. (Bildkälla: Analog Devices)

Med de större utmaningarna inom Industry 4.0 ställs konstruktörer av fältinstrument inför en ökande mängd krav på ökad intelligens i molnkanten, säkerhet och trygghet samtidigt som de fortsätter att tillhandahålla korrekta och tillförlitliga data.

Industry 4.0 driver på behovet av mer avancerade funktioner

I gränssnittet mellan givare och ställdon kräver allt fler högupplösta givare med hög bandbredd effektiva lösningar för den analoga frontänden (AFE). Bearbetningskraven för instrumenten ökar i motsvarande grad, drivet av omfattande krav på insamling och bearbetning av givarsignaler. Kraven på ökad intelligens i molnkanten ställer dessutom krav på avancerade processorer som effektivt kan utföra AI-algoritmer (artificiell intelligens) i molnkanten, vilket ökar fältinstrumentens effektivitet och förbättrar industrisäkerheten. Säkerheten för dessa instrument är av yttersta vikt mot bakgrund av en ökande mängd hot.

Med ökad kapacitet kräver avancerade fältinstrument högre databandbredd och strömförsörjning jämfört med äldre strömslingor på 4-20 mA, som vanligtvis har en effektförsörjning till instrumenten på 1,2 kilobit per sekund (kbits/s) och mindre än 40 milliwatt (mW). 10BASE-T1L har stöd för en bandbredd på 10 Mbit/s och strömförsörjning på upp till 60 W eller 500 mW i zon 0, vilket uppmuntrar till inbyggd säkerhet i användningsområden med Ethernet-APL. Dessutom har 10BASE-T1L/Ethernet-APL denna prestanda via en enkel partvinnad kabel samtidigt som det är möjligt att återanvända den befintliga installerade kabeln.

Även om industriella system har mer krävande kommunikationskrav kvarstår behovet av att stödja äldre fältinstrument och nya tillämpningar för Industry 4.0. Därför måste konstruktörer ta fram intelligenta fältinstrument för en kombination av befintliga tillämpningar och nya system (Figur 2).

Figur 2: Vid utformning av intelligenta fältinstrument ställs konstruktörer inför utmaningen att tillgodose nya krav på effekt och databandbredd och samtidigt stödja befintliga industriella tillämpningar. (Bildkälla: Analog Devices)

Med hjälp av en uppsättning avancerade enheter från Analog Devices kan konstruktörer snabbt uppfylla kraven på de intelligenta fältinstrument som används i befintliga och nya industriella automationssystem.

Uppfylla kraven för avancerade fältinstrument med en omfattande uppsättning enheter

Ett typiskt fältinstrument måste uppfylla en rad olika krav. En typisk sändare för tryckgivare visar hur konstruktörer enkelt kan uppfylla dessa krav i sina egna tillämpningar (Figur 3).

Figur 3: En konstruktion på hög nivå av en sändare för tryckgivare illustrerar grundläggande krav på givargränssnitt, processor, strömförsörjning och anslutningsmöjligheter i ett typiskt intelligent fältinstrument. (Bildkälla: Analog Devices)

I den avbildade konstruktionen av tryckgivarens sändare måste signalkedjan tillhandahålla en excitationsström för tryckgivaren med en resistorbrygga och mäta den differentiella spänning som genereras när givaren reagerar på tryck. Här förenklar en enda integrerad enhet som t.ex. AFE AD7124 eller AD4130 från Analog Devices givarens gränssnitt genom att tillhandahålla excitationsström som en del av en komplett flerkanalig signalkedja med digital utgång (Figur 4).

Figur 4: AD7124 AFE tillhandahåller den kompletta flerkanaliga signalkedja som krävs för att generera digitala data från de flesta aktiva och passiva givare. (Bildkälla: Analog Devices)

För att komplettera delsystemet med givaren kan konstruktörer använda en MCU från familjen ADuCM36x från Analog Devices för att hantera AFE och utföra ytterligare signalbehandling, kalibrering och kompensation. Konstruktörer kan t.ex. använda den inbyggda 24-bitars ADC:n i MCU:n ADuCM36x för att omvandla mätvärden från en temperaturgivare för att åstadkomma temperaturkompensation för givaren med resistorbryggan (figur 4).

För mer omfattande bearbetning och övergripande hantering av fältinstrumentet kan konstruktörer använda en högeffektiv Arm® Cortex®-M4 MCU som MAX32675 eller MAX32690 från Analog Devices, medan nya AI-microcontrollers, som den flerfaldigt prisbelönade familjen MAX78000, garanterar högsta möjliga effektivitet vid exekvering av neurala nätverk i molnkanten. Den högeffektiva MCU:n är isolerad från sensorns delsystem med den digitala isolatorn ADUM1440 från Analog Devices och hanterar fältinstrumentets avdrift, extra kringutrustning och anslutningsmöjligheter.

MCU-enheterna är konstruerade för industriautomation och uppfyller olika specialiserade tillämpningskrav. MAX32675 är exempelvis väl lämpad för strömslingor med 4-20 mA, medan MAX32690 integrerar en avancerad radio för Bluetooth 5.2 LE för trådlösa tillämpningar, och tillräckligt med minne för att stödja stora kommunikationsstackar som Profinet. Båda processorerna tar hänsyn till ökande säkerhetsproblem genom att erbjuda en integrerad äkta slumptalsgenerator, en AES-motor (Advanced Encryption Standard), säker icke-flyktig nyckellagring och säker start.

För att leverera reglerad ström till enheterna i ett fältinstrument använder konstruktörer vanligtvis en spänningsregulator med lågt spänningsfall (LDO) som ADP162 från Analog Devices, samt en step-down DC-DC-switchregulator som ADP2360 från Analog Devices. Att garanteraa en korrekt matningsspänning till processorns delsystem är avgörande för intelligenta fältinstrument som arbetar i miljöer med mycket elektriska störningar. Med hjälp av övervakningskretsen ADM8323 från Analog Devices kan konstruktörer garantera att matningsspänningen håller sig inom ett förinställt gränsvärde.

När ADM8323 startas, stängs av eller råkar ut för strömavbrott, skickar den en signal som håller MCU:n i ett återställningsläge. När strömmen åter är över gränsvärdet, frigör ADM8323 återställningen. Vid den tidpunkten bekräftar MCU-enheter med stöd för säker start, som t.ex. MAX32675 och MAX32690, att programkoden är äkta innan de fortsätter. För att bekräfta att kodexekveringen fortsätter normalt kan utvecklare använda det inbyggda övervakningstimern med fönster i ADM8323.

Att samla in givardata och utföra kod på ett tillförlitligt sätt är grundläggande aspekter för driften av ett intelligent fältinstrument. På tillämpningnivå är tillförlitlig kommunikation avgörande. I åratal har intelligenta anslutna fältinstrument förlitat sig på strömslingor med 4-20 mA och datautbyte med modemprotokollet HART med FSK (Frequency Shift Keying). Konstruktörer kan enkelt stödja befintliga gränssnitt för strömslinga och HART-protokoll med hjälp HART-modemen AD5421 4-20 mA DAC och AD5700 från Analog Devices.

Löstningar för industriautomation kräver högre spänningsnivåer och större bandbredd än vad tidigare metoder kan hantera, vilket leder till ett behov av anslutningsalternativ som standarden för det fysiska lagret 10BASE-T1L. Konstruktörer kan snabbt implementera anslutningar för 10BASE-T1L med ADIN1100 eller ADIN1110 från Analog Devices. Medan ADIN1100 har en transceiver för det fysiska lagret (PHY), integrerar ADIN1110 både en PHY-transceiver och ett MAC-gränssnitt (Media Access Control), som möjliggör användning för processorer med låg strömförbrukning utan inbyggd MAC.

Utöka och förbättra fältinstrument för specialiserade krav

Genom att lägga till eller byta ut några komponenter kan konstruktörer utöka och förbättra samma tryckgivarkonstruktion från figur 3 för att skapa det anslutna fältinstrument som krävs för deras specifika tillämpning. En konstruktion för en elektromagnetisk flödessändare kan exempelvis använda samma övergripande arkitektur och bara lägga till och ta bort några komponenter efter behov (figur 5).

Figur 5: Konstruktörer kan snabbt reagera på nya krav i givargränssnitt, som t.ex. för den elektromagnetiska flödessändare som visas här, samtidigt som de återanvänder delar av en befintlig konstruktion för fältinstrument. (Bildkälla: Analog Devices)

För denna tillämpning uppfyller många av de komponenter som är likadana de övergripande kraven, men ett annat givargränssnitt krävs. Konstruktörer kan uppfylla de nya kraven på givargränssnitt med hjälp av en lämplig instrumentförstärkare som AD8422, en ADP2441 DC-DC-regulator och en ADuM4121 isolerad gatedrivkrets från Analog Devices för att tillhandahålla den excitationskälla med konstant ström som krävs för flödesomvandlaren.

Andra tillgängliga byggblock tillgodoser framväxande specialiserade krav. Anslutna, intelligenta fältinstrument kan till exempel behöva krypterings- och autentiseringsfunktioner för att skydda data från att avslöjas och garantera integriteten i styrinstruktioner som skickas från en värd till instrumentet, i enlighet med de senaste kraven i IEC 62443. I det här fallet kan konstruktörer lägga till säkerhetshjälpprocessorn MAXQ1065 med extremt låg strömförbrukning från Analog Device för att beräkna en sessionsnyckel för användning i AES-kryptering av meddelanden.

Sammanfattning

Sofistikerade tillämpningar för industriautomation bygger på kapaciteten i intelligenta fältinstrument och kan ha stöd för ett stort antal olika givare och ställdon. För att kunna utforma dessa instrument på ett effektivt sätt kan konstruktörer nu använda sig av en omfattande uppsättning enheter som uppfyller större krav på givargränssnitt, processorer, effekt och anslutningsmöjligheter.