Bouw snel aangesloten intelligente veldinstrumenten met uitgebreide oplossingssets

Om het volledige potentieel van Industry 4.0 te realiseren, moeten ontwerpers gegevens uit ruwe omgevingen verzamelen en die gegevens betrouwbaar en veilig communiceren naar het besturingssysteem. Hoewel de belangrijkste technologische voorwaarden bestaan om deze visie te realiseren, stonden ontwerpers er in het verleden alleen voor bij het identificeren en implementeren van effectieve oplossingen. Ontwerpers hebben oplossingen nodig die de implementatie vereenvoudigen van de aangesloten intelligente veldinstrumenten die nodig zijn voor digitale transformatie in de procesindustrie.

Dit artikel beschrijft het gebruik van een uitgebreide oplossingenreeks van Analog Devices die een effectief antwoord biedt op de groeiende vraag naar aangesloten intelligente veldinstrumenten.

Veldinstrumenten vertrouwen op vier belangrijke functionele mogelijkheden

In industriële automatisering omvatten veldinstrumenten de verzameling signaalverwerkingsapparaten die zorgen voor een betrouwbare gegevens- en besturingsuitwisseling tussen eindsensors en actuators in het veld en de hostsystemen die worden gebruikt om deze apparaten en hun gegevens te beheren. In een typische toepassing moeten deze instrumenten vier belangrijke functionele mogelijkheden ondersteunen:

• Interfaces bieden met sensors of actuators die zijn aangesloten via analoog-naar-digitaalconvertors (ADC's) of digitaal-naar-analoogconvertors (DAC's)
• Microcontrollereenheden (MCU's) leveren voor signaalconditionering en eindapparaatbesturing
• De voeding, isolatie en bewaking leveren die nodig zijn voor de werking en veiligheid van instrumenten
• Interfaces bieden voor de verschillende connectiviteitsopties die nodig zijn voor een betrouwbare en veilige uitwisseling van gegevens en besturingsinformatie

Ontwerpers hebben deze functionele vereisten voor een typisch veldinstrument aangepakt door de benodigde ADC's, MCU's, voeding en connectiviteitsapparaten te vinden om elke specifieke sensor- of actuatorgebaseerde toepassing te ondersteunen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Bij het maken van veldinstrumenten hebben ontwerpers voldaan aan de basisvereisten voor het verkrijgen van sensorgegevens of het besturen van transducers door gebruik te maken van beschikbare ADC's, DAC's, MCU's en aanvullende ondersteunende apparaten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met de grotere uitdagingen van Industry 4.0 worden ontwerpers van veldinstrumenten geconfronteerd met een steeds grotere reeks vereisten voor meer edge intelligence, veiligheid en beveiliging, terwijl ze nauwkeurige en betrouwbare gegevens moeten blijven leveren.

Industry 4.0 stimuleert de behoefte aan geavanceerdere mogelijkheden

Op de sensor- of actuatorinterface vereisen een groter aantal en een grotere variëteit aan sensoren met hoge resolutie en hoge bandbreedte effectieve analoge front-end (AFE) oplossingen. De verwerkingseisen van deze instrumenten stijgen navenant, gedreven door uitgebreide sensor signaal acquisitie en conditioneringseisen. Bovendien rechtvaardigt het streven naar meer intelligentie aan de rand geavanceerde processors die kunstmatige intelligentie-algoritmen (AI) efficiënt kunnen uitvoeren aan de rand, waardoor de efficiëntie van veldinstrumenten wordt verhoogd en de industriële veiligheid wordt verbeterd. De veiligheid van deze instrumenten blijft van het grootste belang in het licht van een groeiend aantal bedreigingen.

Met de toegenomen mogelijkheden vereisen geavanceerde veldinstrumenten een hogere gegevensbandbreedte en vermogensafgifte in vergelijking met oudere 4-20 milliamp (mA) stroomlusapparaten, die doorgaans een vermogensafgifte aan instrumenten bieden van 1,2 kilobits per seconde (Kbits/s) en minder dan 40 milliwatt (mW). 10BASE-T1L ondersteunt een gegevensbandbreedte van 10 megabits per seconde (Mbits/s) en een vermogensafgifte tot 60 watt of 500 mW in Zone 0, waardoor intrinsiek veilige gebruikssituaties met Ethernet-APL worden aangemoedigd. Bovendien biedt 10BASE-T1L/Ethernet-APL deze prestaties via een enkele twisted-pair kabel, terwijl hergebruik van bestaande geïnstalleerde kabel mogelijk is.

Zelfs nu industriële systemen zwaardere communicatie-eisen stellen, blijft de noodzaak bestaan om oudere veldinstrumenten en opkomende Industry 4.0-toepassingen te ondersteunen. Als gevolg hiervan moeten ontwerpers reageren met intelligente veldinstrumentontwerpen voor een combinatie van bestaande brownfield toepassingen en nieuwe greenfield systemen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Bij het ontwerpen van intelligente veldinstrumenten staan ontwerpers voor de uitdaging om te voldoen aan de nieuwe vereisten voor vermogen en gegevensbandbreedte en om bestaande industriële toepassingen te ondersteunen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met behulp van een set geavanceerde apparaten van Analog Devices kunnen ontwerpers snel voldoen aan de vereisten voor intelligente veldinstrumenten die worden gebruikt voor bestaande en opkomende industriële automatiseringssystemen.

Voldoen aan de vereisten voor geavanceerde veldinstrumenten met een uitgebreide set apparaten

Een typisch veldinstrument moet voldoen aan een reeks vereisten. Een typische druksensorzender laat zien hoe ontwerpers gemakkelijk aan deze vereisten kunnen voldoen in hun eigen toepassingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een zender van een druksensor op hoog niveau illustreert de basisvereisten voor de sensorinterface, processor, voeding en connectiviteitsmogelijkheden van een typisch intelligent veldinstrument. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In het ontwerp van de afgebeelde druksensorzender moet de signaalketen een excitatiestroom leveren aan de resistieve-brug druksensor en het spanningsverschil meten dat wordt gegenereerd wanneer de sensor reageert op druk. Hier vereenvoudigt een enkel geïntegreerd apparaat zoals de AD7124 of AD4130 AFE's van Analog Devices de sensorinterface door excitatiestroom te leveren als onderdeel van een complete meerkanaals signaalketen met een digitale uitgang (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De AD7124 AFE biedt de complete meerkanaals signaalketen die nodig is om digitale gegevens te genereren van de meeste actieve en passieve sensors. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om het sensorsubsysteem te vervolledigen, kunnen ontwerpers een MCU uit de ADuCM36x familie van Analog Devices gebruiken om de AFE te beheren en bijkomende signaalverwerking, kalibratie en compensatie uit te voeren. Ontwerpers kunnen bijvoorbeeld de geïntegreerde 24-bits ADC van de ADuCM36x MCU gebruiken om meetwaarden van een temperatuursensor te converteren voor temperatuurcompensatie van de resistieve-brugsensor (Afbeelding 4).

Voor uitgebreidere verwerking en algemeen beheer van het veldinstrument kunnen ontwerpers een krachtige Arm® Cortex®-M4 MCU inbouwen, zoals de MAX32675 of MAX32690 van Analog Devices, terwijl nieuwe AI-microcontrollers, zoals de meermaals bekroonde MAX78000-familie, zorgen voor de meest efficiënte uitvoering van neurale netwerken aan de rand. Afgeschermd van het sensorsubsysteem door een ADUM1440 digitale isolator van Analog Devices, beheert de krachtige MCU de werking van het veldinstrument, extra randapparatuur en connectiviteit.

Deze MCU's zijn ontworpen voor industriële automatisering en voldoen aan verschillende gespecialiseerde toepassingseisen. De MAX32675 is bijvoorbeeld zeer geschikt voor 4-20 mA current loop-toepassingen, terwijl de MAX32690 een geavanceerde Bluetooth 5.2 low energy (LE) radio integreert voor draadloze toepassingen en voldoende geheugen heeft om grote communicatiestacks zoals Profinet te ondersteunen. Beide processors komen tegemoet aan de groeiende bezorgdheid over beveiliging door een geïntegreerde echte generator voor willekeurige getallen, een engine voor geavanceerde coderingsstandaard (AES), veilige niet-vluchtige sleutelopslag en veilig opstarten.

Om de apparaten in een veldinstrument van gereguleerde voeding te voorzien, nemen ontwerpers gewoonlijk een LDO-regelaar met lage uitval (low dropout) op zoals de ADP162 van Analog Devices, evenals een DC-DC step-down schakelende regelaar zoals de ADP2360 van Analog Devices. Een juiste voedingsspanning voor het processorsubsysteem is essentieel voor intelligente veldinstrumentontwerpen die werken in omgevingen met veel elektrische ruis. Met behulp van de ADM8323-supervisor van Analog Devices kunnen ontwerpers ervoor zorgen dat de voedingsspanning boven een vooraf ingestelde spanningsdrempel blijft.

Tijdens opstarten, uitschakelen en spanningsdaling activeert de ADM8323 een signaal dat de MCU in een resetstatus houdt. Wanneer de spanning terugkeert boven het drempelniveau, geeft de ADM8323 de reset vrij. Op dat moment bevestigen MCU's die beveiligd opstarten ondersteunen, zoals de MAX32675 en MAX32690, de authenticiteit van de programmacode voordat ze verder gaan. Om te bevestigen dat de uitvoering van code normaal doorgaat, kunnen ontwerpers de geïntegreerde windowed watchdog-timer van de ADM8323 gebruiken.

Het verkrijgen van sensorgegevens en het betrouwbaar uitvoeren van code zijn fundamentele aspecten van de werking van een intelligent veldinstrument. Op applicatieniveau is betrouwbare communicatie cruciaal. Jarenlang hebben intelligent aangesloten veldinstrumenten vertrouwd op 4-20 mA stroomlusapparaten en gegevensuitwisseling met behulp van het fase-continue FSK (Frequency Shift Keying) HART-modemprotocol. Ontwerpers kunnen bestaande stroomlus- en HART-protocolinterfaces gemakkelijk ondersteunen met behulp van de AD5421 4-20 mA DAC en AD5700 HART-modemapparaten van Analog Devices.

Industriële automatiseringsoplossingen vereisen hogere spanningsniveaus en meer bandbreedte dan eerdere methoden kunnen ondersteunen, waardoor er behoefte is aan connectiviteitsopties zoals de 10BASE-T1L standaard voor fysieke lagen. Ontwerpers kunnen snel 10BASE-T1L-connectiviteit implementeren met de ADIN1100 of ADIN1110 van Analog Devices. Terwijl de ADIN1100 een zendontvanger voor de fysieke (PHY) laag biedt voor ontwerpen, integreert de ADIN1110 zowel een PHY-zendontvanger als een media access control (MAC) interface, waardoor gebruik met processors met laag vermogen zonder geïntegreerde MAC mogelijk wordt.

Veldinstrumenten uitbreiden en verbeteren voor gespecialiseerde vereisten

Door een paar componenten toe te voegen of te vervangen, kunnen ontwerpers hetzelfde druksensorontwerp uit Afbeelding 3 uitbreiden en verbeteren om het aangesloten veldinstrument te maken dat nodig is voor hun specifieke toepassing. Een ontwerp voor een elektromagnetische flowtransmitter zou bijvoorbeeld dezelfde algemene architectuur kunnen gebruiken, waarbij slechts een paar componenten naar behoefte worden toegevoegd en verwijderd (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Ontwerpers kunnen snel inspelen op nieuwe sensorinterfacevereisten, zoals die voor de hier getoonde elektromagnetische debietzender, terwijl ze elementen van een bestaand veldinstrumentontwerp hergebruiken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor deze toepassing voldoen veel van dezelfde componenten aan de algemene vereisten, maar er is een andere sensorinterface nodig. Ontwerpers kunnen voldoen aan de nieuwe sensorinterfacevereisten met behulp van een geschikte instrumentatieversterker zoals de AD8422 van Analog Devices, een ADP2441 DC-DC)regelaar en een ADuM4121 geïsoleerde gatedriver om de constante stroom excitatiebron te leveren die nodig is voor de fdebiettransductor.

Andere beschikbare bouwstenen voldoen aan opkomende gespecialiseerde vereisten. Aangesloten, intelligente veldinstrumenten kunnen bijvoorbeeld behoefte hebben aan versleutelings- en verificatiemogelijkheden om gegevens te beschermen tegen openbaarmaking en om de integriteit te waarborgen van besturingsinstructies die worden doorgegeven van een host naar het instrument, zodat wordt voldaan aan de nieuwste IEC 62443-vereisten. In dit geval kunnen ontwerpers de ultra-low power MAXQ1065 security co-processor van Analog Devices toevoegen om een sessiesleutel te berekenen voor gebruik in AES-berichtversleuteling.

Conclusie

Geavanceerde industriële automatiseringstoepassingen bouwen voort op de mogelijkheden van intelligente veldinstrumenten en kunnen grotere aantallen gevarieerde sensors en actuators ondersteunen. Om deze instrumenten effectief te ontwerpen, kunnen ontwerpers nu putten uit een uitgebreide set apparaten om de zwaardere sensorinterfaces, processors, stroom en connectiviteitseisen te ondersteunen.