Adatkommunikációra képes intelligens terepi műszerek gyors megvalósítása átfogó megoldáskészlettel

Az Ipar 4.0-ban rejlő lehetőségek teljes körű kiaknázásához a tervezőknek zord környezetekből kell adatokat gyűjteniük, és ezeket az adatokat megbízhatóan és biztonságosan kell továbbítaniuk a vezérlőrendszer felé. Bár ennek megvalósításához a legfontosabb technológiai eszközök már léteznek, a tervezők a múltban magukra voltak hagyatva a hatékony megoldások keresésekor és megvalósításakor. A tervezőknek olyan megoldásokra van szükségük, amelyek leegyszerűsítik a feldolgozóipar digitális átalakulásához szükséges, adatkommunikációra képes intelligens terepi műszerek megvalósítását.

Ez a cikk egy átfogó megoldáskészletet és annak használatát mutatja be az Analog Devices-től, amely hatékony választ kínál a növekvő igényre az adatkommunikációra képes intelligens terepi műszerek iránt.

Négy kulcsfontosságú funkcionális képesség, ami a terepi műszerek működéséhez kell

Az ipari automatizálásban a terepi műszerek jelfeldolgozó eszközök csoportjaiból állnak, amelyek megbízható adatcserét és vezérlést biztosítanak a terepi végpontokon lévő érzékelők és működtető elemek, valamint az ezen eszközök irányítására és adataik feldolgozására használt fő rendszerek között. Egy tipikus rendszerben ezeknek a műszereknek négy kulcsfontosságú funkcionális képességgel kell rendelkezniük:

• Megfelelő interfészeket kell biztosítaniuk az analóg-digitális (ADC) vagy digitális-analóg átalakítókon (DAC) keresztül csatlakoztatott érzékelők vagy működtető elemek számára.
• Mikrovezérlőket (MCU) kell biztosítaniuk jelkondicionáláshoz és a végberendezések vezérléséhez.
• Biztosítaniuk kell a műszer megfelelő és biztonságos működéséhez szükséges áramellátást, szigetelést és felügyeletet.
• Megfelelő interfészeket kell biztosítaniuk a különböző típusú kommunikációs lehetőségekhez, melyek az adatok és a vezérlési információk megbízható és biztonságos továbbításához szükségesek.

A korábbi tipikus terepi műszereknél a tervezőknek ezeket a funkcionális követelményeket úgy kellett megoldaniuk, hogy minden egyes konkrét érzékelő- vagy működtető-alapú rendszer esetén megfelelő ADC-ket, mikrovezérlőket, tápellátást és adatkommunikációs eszközöket kellett találniuk (1. ábra).

1. ábra: Terepi műszerek építésekor a tervezők a rendelkezésre álló ADC-k, DAC-k, MCU-k és további támogató eszközök használatával oldották meg az érzékelők által szolgáltatott adatok begyűjtéséhez vagy a jelátalakítók vezérléséhez szükséges alapvető követelményeket (kép: Analog Devices)

Az Ipar 4.0 egyre jelentősebb kihívásaival a terepi műszerek tervezői egyre több követelménnyel szembesülnek. Ez a nagyobb peremhálózati intelligencia, a fokozottabb biztonság és a jobb védettség iránti igény tekintetében nyilvánul meg, miközben a műszereknek továbbra is pontos és megbízható adatokat kell szolgáltatniuk.

Az Ipar 4.0 fejlettebb képességeket kér

Az érzékelők és működtető elemek interfészeinek szintjén, a nagy felbontású és sávszélességű érzékelők számának növekedése és változatossága miatt hatékony analóg front-end (AFE) megoldások váltak szükségessé. Ennek megfelelően, e műszereknél az adatfeldolgolgozási igények is arányosan nőttek, ami az érzékelők által gyűjtött jelek nagy száma és a jelformáló igények rovására írható. Ezenkívül, a peremhálózati intelligens működés javítása iránti törekvés olyan fejlett processzorokat igényel, amelyek a peremhálózati mesterséges intelligencia (MI) algoritmusok hatékony végrehajtására képesek, növelve a terepi műszerek hatékonyságát és biztonságosabb ipari működést tesznek lehetővé. Ezen eszközök informatikai biztonsága továbbra is kiemelkedő fontosságú, mivel a rájuk irányuló fenyegetések köre is egyre nő.

A megnövekedett képességekkel a fejlett terepi műszerek nagyobb adatsávszélességet és teljesítményt igényelnek a hagyományos 4-20 mA-es áramellátású eszközökhöz képest, amelyek jellemzően 1,2 kbit/s sebességet és 40 mW-on aluli teljesítményt biztosítanak a műszerek számára. A 10BASE-T1L 10 Mbit/s adatátviteli sávszélességet támogat, legfeljebb 60 W, illetve 0. zóna esetén legfeljebb 500 mW teljesítményleadással, ami az Ethernet-APL-lel együtt lehetővé teszi a gyújtószikramentes alkalmazást. Nem elhanyagolható előny, hogy a 10BASE-T1L/Ethernet-APL ezen működési teljesítményéhez egyetlen sodrott érpáras kábel elegendő, így lehetővé teszi a meglévő, már telepített kábeleken alapuló használatot.

Még akkor is, ha az ipari rendszerek egyre igényesebb kommunikációs követelményeket támasztanak, továbbra is szükség van a régi terepi műszerek és az Ipar 4.0 által kínált újonnan megjelenő lehetőségek támogatására. Következtetésképpen, a tervezőknek olyan intelligens terepi műszerrendszereket kell létrehozniuk, melyek alkalmasak a kombinált barnamezős és az újonnan épülő zöldmezős rendszerek számára (2. ábra).

2. ábra: Intelligens terepi műszerek tervezésekor a tervezőknek azt kell megoldaniuk, hogy megfeleljenek az új rendszerek energia- és adatsávszélesség-követelményeinek, de támogassák a már meglévő ipari rendszereket is (kép: Analog Devices)

Az Analog Devices korszerű eszközkészletével a tervezők gyorsan meg tudnak felelni a már meglévő és az újonnan épülő ipari automatizálási rendszerekben használt intelligens terepi műszerekkel szemben támasztott követelményeknek.

A fejlett terepi műszerekkel szemben támasztott követelmények teljesítése átfogó eszközkészlettel

Egy tipikus terepi műszernek számos követelménynek kell megfelelnie. Egy tipikus nyomásérzékelő jeladó példáján látható, hogy a tervezők saját felhasználási eseteikben hogyan tudják könnyen teljesíteni ezeket a követelményeket (3. ábra).

3. ábra: Egy nyomásérzékelő jeladó magas szintű blokkdiagramján keresztül szemléltethetők az alapvető követelmények, amelyeknek egy tipikus intelligens terepi műszernek meg kell felelnie (érzékelő interfész, processzor, tápellátás és adatkommunikációs képesség) (kép: Analog Devices)

A szemléltetett nyomásérzékelő jeladó kapcsolásban a jelláncnak gerjesztő áramot kell szolgáltatnia az ellenállás-híd kapcsolású nyomásérzékelőnek, és mérnie kell az érzékelt nyomás hatására keletkező differenciálfeszültséget. Itt egyetlen integrált eszközzel, mint például az Analog Devices AD7124 vagy AD4130 integrált AFE áramköreivel az érzékelő interfésze egyszerűsíthető, mivel a gerjesztő áramot egy teljes többcsatornás jellánc részeként, digitális kimenetként biztosítják (4. ábra).

4. ábra: Az AD7124 AFE biztosítani tudja a teljes többcsatornás jelláncot, amely a legtöbb aktív és passzív érzékelő segítségével nyerhető digitális adatok előállításához kell (kép: Analog Devices)

Az érzékelő alrendszer teljessé tételéhez a tervezők az Analog Devices ADuCM36x családjába tartozó mikrovezérlőt (MCU) használhatják az AFE vezérlésére, valamint további jelfeldolgozásra, kalibrálásra és kompenzálásra. Használhatják például az ADuCM36x mikrovezérlő integrált 24 bites ADC-jét egy hőmérséklet-érzékelő által szolgáltatott jelek átalakítására, az ellenállás-hidas érzékelő hőmérséklet-kompenzációjának biztosítására (4. ábra).

A szélesebb körű adatfeldolgozáshoz és a terepi műszer általános vezérléséhez a tervezők beépíthetnek egy nagy teljesítményű Arm® Cortex®-M4 MCU-t, például az Analog Devices MAX32675 vagy MAX32690 IC-it, míg az új MI mikrovezérlők, például a többszörösen díjazott MAX78000 család a legmagasabb hatékonysági fokon tudják biztosítani a neurális hálózatok peremhálózati működését. Az érzékelő alrendszertől az Analog Devices ADUM1440 digitális izolátorával elszigetelt, nagy teljesítményű mikrovezérlő irányítja a terepi műszer működését, a további perifériákkal és az adatkommunikációs képesség biztosításával együtt.

Az ipari automatizáláshoz tervezett mikrovezérlők különböző speciális alkalmazási követelményeknek felelnek meg. A MAX32675 például jól alkalmazható a 4-20 mA-es áramkörökben, míg a MAX32690 integrált formában egy fejlett Bluetooth 5.2 LE rádiót tartalmaz a vezeték nélküli kommunikációs lehetőség biztosításához és elegendő memóriát a nagy kommunikációs memóriaterületet igénylő protokollok, például a Profinet támogatásához. A növekvő biztonsági szempontoknak való megfeleléshez mindkét processzor integrált valódi véletlenszám-generátorral, Advanced Encryption Standard (AES) motorral, biztonságos, nem illékony kulcstárolással és biztonságos rendszerindítási funkciókkal rendelkezik.

A terepi műszerben lévő eszközök szabályozott tápellátásához a tervezők jellemzően használnak egy alacsony feszültségesésű (LDO) szabályozót, mint amilyen például az Analog Devices ADP162, valamint egy feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítót is, mint például az ADP2360, szintén az Analog Devices-től. A processzor alrendszer megfelelő tápfeszültségének biztosítása alapvető fontosságú az elektromosan zajos környezetben működő intelligens terepi műszerek megtervezése során. Az Analog Devices ADM8323 felügyelő segítségével a tervezők biztosíthatják, hogy a tápfeszültség mindig egy előre beállított feszültségküszöbérték felett maradjon.

A bekapcsolás, a kikapcsolás és feszültségesések során az ADM8323 egy olyan jelet ad, amely a mikrovezérlőt reset állapotban tartja. Amikor a tápellátás visszatér a küszöbérték fölé, az ADM8323 feloldja a resetet. Ekkor, a biztonságos rendszerindítást támogató mikrovezérlők, mint például a MAX32675 és a MAX32690, a folytatás előtt megerősítik a programkód hitelességét. Annak megerősítésére, hogy a kód végrehajtása rendben folytatódik, a tervezők használhatják az ADM8323 integrált ablakolt watchdog időzítőjét (WWDT).

Az érzékelők által szolgáltatott adatok gyűjtése és a programkód megbízható végrehajtása alapvetően fontosak egy intelligens terepi műszer működésében. A rendszer legalsóbb szintjén a megbízható kommunikáció kritikus fontosságú. Az intelligens csatlakoztatott terepi műszerek évek óta a 4-20 mA-es áramkörös eszközökre és a fázisfolytonos frekvenciabillentyűzés (FSK) alapú HART-modem protokoll szerinti adatcserére támaszkodtak. A tervezők könnyedén támogathatják a meglévő áramkörös és a HART protokollal kompatibilis interfészeket az Analog Devices AD5421 jelű 4-20 mA-es DAC-jével és az AD5700 jelű HART modemmel.

Az ipari automatizálási megoldások magasabb feszültségszinteket és nagyobb sávszélességet igényelnek, mint ami a korábbi módszerekkel lehetséges, ami új összekapcsolhatósági lehetőségek alkalmazását teszi szükségessé, mint amilyen például a fizikai réteget képviselő 10BASE-T1L szabvány. A tervezők gyorsan megvalósíthatják a 10BASE-T1L-nek megfelelő összekapcsolhatóságot az Analog Devices ADIN1100 vagy ADIN1110 integrált áramkörei segítségével. Míg az ADIN1100-val egy fizikai (PHY) rétegű adó-vevő építhető be a konstrukciókba, addig az ADIN1110 egyszerre egy PHY adó-vevőt, és egy integrált közeghozzáférés-vezérlő (MAC) interfészt tartalmaz, aminek köszönhetően integrált MAC nélküli, alacsony fogyasztású processzorokkal is használható.

Terepi műszerek bővítése és fejlesztése a speciális igényeknek megfelelően

Néhány alkatrész hozzáadásával vagy cseréjével a tervezők kibővíthetik és jobbá tehetik a 3. ábrán látható nyomásérzékelő működését, a saját konkrét alkalmazási esetükhöz szükséges, adatkommunikációra képes terepi műszerek létrehozásához. Például egy elektromágneses áramlásmérő általában ugyanarra az általános architektúrára épül, csupán néhány alkatrészt adnak hozzá vagy távolítanak el az eredeti kialakításból (5. ábra).

5. ábra: A tervezők gyorsan reagálni tudnak az új érzékelő-interfészek iránti igényekre; például, mint amire az itt látható elektromágneses áramlásmérő esetében van szükség, de felhasználva a már meglévő terepi műszerrendszerek elemeit (kép: Analog Devices)

Ennél a használati esetnél számos már alkalmazott komponens megfelel az általános követelményeknek, de az érzékelő esetében új interfész kialakítására van szükség. A tervezők egy megfelelő műszererősítővel, például az Analog Devices AD8422 IC-jével, egy ADP2441 egyenáramú szabályozóval és egy ADuM4121 izolált kapumeghajtóval teljesíthetik az új érzékelő interfészre vonatkozó követelményeket, hogy az áramlásmérőhöz szükséges állandó áramú gerjesztést biztosítsák.

Más építőelemek is rendelkezésre állnak a különböző felmerülő speciális követelmények teljesítéséhez. Az adatkommunikációra képes intelligens terepi műszereknek például titkosítási és hitelesítési funkciókra lehet szükségük, hogy az adatok védettek legyenek a nyilvánosságra kerüléstől, és biztosítsák a vezérlőegységtől a műszerhez továbbított vezérlőutasítások integritását, megfelelve a legújabb IEC 62443 szabvány követelményeinek. Ebben az esetben a tervezők az Analog Devices rendkívül alacsony fogyasztású MAXQ1065 jelű biztonsági társprocesszorát használhatják az AES üzenettitkosításhoz használt munkamenetkulcsok kiszámításához.

Összegzés

A bonyolult ipari automatizálási rendszerek az intelligens terepi műszerek által nyújtott képességekre épülnek, és működésükhöz a korábbi lehetőségekhez képest sokkal nagyobb számú és típusú érzékelőre és működtető elemre van szükség. Az ilyen műszerek hatékony megtervezéséhez a tervezők számára mostantól rendelkezésre áll egy összeválogatott eszközkészlet is az érzékelők esetében szükséges igényesebb interfészek, processzorok, energiaellátás és adatkommunikációs követelmények támogatására.