Aby bylo možné využít potenciál Průmyslu 4.0 na plno je nutné získat data ze zařízení, které pracují v nepříznivých podmínkách, a tyto data spolehlivě a bezpečně předat řídicímu systému. K tomu nám pomohou měřící a komunikační komponenty, obvykle zařazené v kategorii průmyslová senzorika a komunikace nebo procesní instrumentace. Původní název z angličtiny „Field instruments“ v českém prostředí nezískal popularitu ani žádný ekvivalent, i výrobci v německy mluvících zemích častěji než po "Feldinstrumentierung" sáhnou po spojení procesní řízení nebo procesní instrumentace. V článku se budeme držet původního spojení Field instruments, protože v anglicky mluvících zemích zůstává pevně zažita a může nám i pomoci při hledání vhodných komponent pro průmyslové systémy.

Existuje mnoho technologií, které nabízí převod naměřené analogové hodnoty na digitální, ale Průmysl 4.0 vyžaduje komplexní řešení včetně spolehlivého přenosu dat do řídícího systému. Analog Devices nabízí řešení, která zjednodušuje vývoj propojených inteligentních měřících nástrojů, potřebných k dosažení digitální transformace ve zpracovatelském průmyslu.

Field instruments a jejich role

Field instruments jsou komponenty, které se přemění signály ze senzorů na digitální podobu a zároveň zajišťují spolehlivou výměnu dat mezi koncovými senzory a akčními členy a nadřazeným řídícím systémem.  Field instruments zajišťují čtyři klíčové funkce:

• Poskytují rozhraní pro senzory a akční členy prostřednictvím ADC nebo DAC převodníku
• Obsahují mikrokontrolery pro úpravu signálu a ovládání koncového zařízení
• Zajišťují napájení, potřebnou izolaci a dohled na provoz a bezpečnost přístroje
• Poskytují komunikační rozhraní pro spolehlivou a bezpečnou výměnu dat a řídicích informací

V minulosti bylo nutné vybrat potřebné ADC nebo DAC převodníky, příslušný mikrokontroler, zajistit dostatečný napájecí zdroj a rozhraní pro připojení konkrétního senzoru nebo akčního členu (obrázek 1).

Obrázek 1: Základní blokové schéma Field intruments, které obsahuje DAC nebo ADC převodníky, mikrokontroler a další podpůrné komponenty. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Průmysl 4.0 vyžaduje pokročilejší funkce

Větší počet a rozmanitost senzorů s vysokým rozlišením a velkou šířkou pásma vyžaduje efektivní analogová front-endová (AFE) řešení. Nároky na zpracování těchto naměřených dat se odpovídajícím způsobem zvyšují. Edge Computing a umělá inteligence efektivně a rychle zpracovávají signál sofistikovanými algoritmy, čímž zvyšují efektivitu provozních přístrojů a zvyšují zároveň průmyslovou bezpečnost. Se zvýšenými možnostmi vyžadují pokročilé nástroje vyšší datovou propustnost a vyšší spotřebu energie ve srovnání se staršími zařízeními s proudovou smyčkou 4–20 mA, která obvykle komunikovala rychlostí 1,2 Kbit/s a méně než 40 mW.

Ethernetová komunikace 10BASE-T1L nabízí přenos dat rychlostí 10 Mbit/s, a kde je jeden kroucený pár vyhrazen pro napájení. V běžném průmyslovém prostředí lze připojené zařízení napájet až 60 W. V prostorách, kde je nutné zajistit jiskrovou bezpečnost (zóna 0), Ethernet-APL dodá výkon 500 mW. I když Průmysl 4.0. má vysoké nároky na komunikaci, stále musí umožňovat připojit starší stroje, senzory a akční členy (obrázek 2).

Obrázek 2: Field instruments musí reagovat na vznikající požadavky na výkon a šířku pásma dat a zároveň podporovat stávající průmyslové aplikace. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Komplexní sady od Analog Devices

Zařízení v kategorii Field instruments obsahuje řadu komponentů, které umožní komunikovat se senzorem a naměřená data rychle a spolehlivě předat dále ke zpracování. Na obrázku 3 je blokové schéma typického tlakového snímače, který se snadno stane součástí průmyslového systému.

Obrázek 3: Blokové schéma tlakového snímače obsahuje rozhraní snímače, procesor, napájení a konektivitu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Důležitou součástí tlakového snímače je obvod zajišťující budící proud do odporového můstku a následné měření rozdílového napětí generované senzorem, při změně tlaku. ADC převodník AD7124 nebo AD4130 je schopen poskytovat budicí proud a stát se součástí kompletního vícekanálového signálového řetězce s digitálním výstupem (obrázek 4).

Obrázek 4: AD7124 poskytuje kompletní vícekanálový signálový řetězec potřebný pro generování digitálních dat z většiny aktivních a pasivních senzorů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

K dokončení senzorového subsystému lze použít mikrokontroler z rodiny ADuCM36x pro správu AFE a provádění dalšího zpracování signálu, kalibraci a kompenzaci. Lze využít integrovaný 24bitový ADC uvnitř mikrokontroleru ADuCM36x pro zajištění teplotní kompenzace odporového můstkového senzoru (obrázek 4). Pro rozsáhlejší zpracování a celkovou správu lze využít výkonný MCU Arm Cortex-M4 jako je například MAX32675 nebo MAX32690. Mikrokontrolery s umělou inteligencí nalezneme v řadě MAX78000, která zajistí provádění algoritmů pomocí neuronových sítí. Analog Devices nabízí také digitální izolátory ADUM1440, aby byla zajištěna spolehlivá signálová cesta od senzoru až k řídícímu systému.

Výše zmíněné mikrokontrolery jsou navrženy přímo pro průmyslovou automatizaci. Například MAX32675 je vhodný pro aplikace s proudovou smyčkou 4-20 mA, zatímco MAX32690 obsahuje nízkoenergetický Bluetooth 5.2 pro bezdrátovou komunikaci. Oba mikrokontrolery obsahují dostatečně velkou paměť pro podporu velkých komunikačních stacků jako je například Profinet. Oba mikrokontrolery jsou vybaveny integrovaným generátorem skutečných náhodných čísel, modulem pokročilého šifrovacího standardu (AES), bezpečným úložištěm klíčů a bezpečným spouštění.

Aby bylo možné dodávat požadovanou energii, je součástí Field instrumentu LDO měnič ADP162 nebo Step down měnič ADP2360. Zajištění správného napájecího napětí v procesorového subsystému je nezbytnou součástí Field instrumentů nasazených v elektricky rušném prostředí. Pomocí supervizoru ADM8323 lze zajistit, aby napájecí napětí zůstalo nad přednastaveným prahem napětí. Během kolísání napájecího napětí vydává supervizor ADM8323 signál, který udržuje mikrokontroler ve stavu reset. Až se napájení vrátí nad prahovou úroveň, ADM8323 tento reset uvolní. V tomto okamžiku mikrokontroler, který má integrován funkci bezpečného spouštění (MAX32675 a MAX32690), před spuštěním programu ověří jeho pravost. K zajištění provádění kódu bez obtíží lze využít watchdog, který je součástí supervizora ADM8323.

Získávání dat ze senzorů a spolehlivý chod kódu jsou základními vlastnostmi provozu Field instrumentu. Na aplikační úrovni je důležitá spolehlivá komunikace. Po léta se inteligentní připojené spoléhaly na zařízení s proudovou smyčkou 4-20 mA a výměna dat se prováděla pomocí protokolu HART modemu s klíčováním FSK. Pro zachování této konektivity lze využít DAC převodník 4-20mA AD5421 a modem HART AD5700.

Průmyslovou konektivitu lze postavit na transceiverech ADIN1100 nebo ADIN1110. ADIN1100 reprezentuje jen fyzickou vrstvu 10BASE-T1L, kdežto ADIN1110 obsahuje jak fyzickou vrstvu, tak i MAC rozhraní, a to umožňuje použití mikrokontrolery s velmi nízkou spotřebou bez integrovaného MAC rozhraní.

Rozšíření o speciální požadavky

Přidáním nebo nahrazením několika komponent lze rozšířit nebo vylepšit tlakový senzor z obrázku 3 a vytvořit Field instrument pro konkrétní aplikaci. Například úprava obvodu pro magnetický průtokoměr. Průtok kapaliny odpovídá napětí, které je indukováno průtokem kapaliny magnetickým polem. Změna nastává jen u přední části jinak zbytek obvodu zůstává stejná (obrázek 5).

Obrázek 5: Lze rychle reagovat na nové požadavky snímače – magnetický průtokoměr. Rozhraní senzoru se mění, ale ostatní obvody zůstávají. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro aplikaci s magnetickým průtokoměrem mnoho komponent splňuje zadání, ale je nutná změna u rozhraní pro magnetický průtokoměr. Pro rozhraní s magnetickým průtokoměrem je vhodné použít zesilovač AD8422, DC-DC měnič ADP2441 a budič ADuM4121, který poskytuje zdroj konstantního proudu potřebný pro převodník průtoku. Pro splnění normy IEC 62443 (Průmyslová kybernetická bezpečnost), která definuje šifrovací a autentizační mechanismy pro zvýšenou bezpečnost v průmyslu, lze využít bezpečnostní koprocesor MAXQ1065 s extrémně nízkou spotřebou pro implementaci AES šifrování.

Závěr

Sofistikované aplikace průmyslové automatizace jsou založeny na schopnostech inteligentních měřících a komunikačních obvodech, které zajišťují vyčítání naměřených dat a správu akčních členů v systému. Těmto obvodům se obecně říká „Field Instrument“. K efektivnímu návrhu lze čerpat z komplexní sady integrovaných obvodů od Analog Devices a splnit náročně požadavky Průmyslu 4.0.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com