Älykkäiden verkkoon kytkettyjen kenttäinstrumenttien nopea rakentaminen kattavilla ratkaisuvalikoimilla

Täyden potentiaalin saamiseksi Teollisuus 4.0 -aloitteesta suunnittelijoiden on pystyttävä keräämään tietoja haastavissa käyttöolosuhteissa sekä siirtämään ne luotettavasti ja turvallisesti ohjausjärjestelmään. Teknologia tämän vision toteuttamiseen on olemassa, mutta aikaisemmin suunnittelijat ovat olleet omillaan tehokkaiden ratkaisujen tunnistamisessa ja toteuttamisessa. Suunnittelijat tarvitsevat teollisuusprosessien digitaalisen muutoksen saavuttamiseksi ratkaisuja, jotka yksinkertaistavat verkkoon kytkettyjen älykkäiden kenttäinstrumenttien toteutusta.

Tässä artikkelissa kuvaillaan Analog Devices -yrityksen kattavaa ratkaisuvalikoimaa, jolla voidaan vastata tehokkaasti verkkoon kytkettyjen älykkäiden kenttäinstrumenttien tarpeisiin.

Kenttäinstrumenttien neljä päätoimintoa

Teollisuusautomaatiototeutuksissa kenttäinstrumenttien roolina on tarjota signaalinkäsittely luotettavan tiedonsiirron ja ohjauksen mahdollistamiseksi kentällä olevien antureiden, toimilaitteiden sekä laitteita ja tietoja hallinnoivan isäntäjärjestelmän välillä. Tyypillisessä sovelluksessa näiden instrumenttien täytyy tukea neljää päätoimintoa:

• rajapintojen tarjoaminen analogi-digitaalimuuntimien (Analog-to-Digital Converter, ADC) ja digitaali-analogiamuuntimien (Digital-to-Analog Converter, DAC) kautta kytkettyjen antureiden ja toimilaitteiden välille
• mikrokontrollereiden (Microcontroller Unit, MCU) tarjoaminen signaalinparannusta ja päätelaitteiden ohjausta varten
• instrumenttien käyttöön ja turvallisuuteen vaadittavan tehon, erotuksen ja valvonnan tarjoaminen
• tietojen ja ohjaussignaalien luotettavaan siirtoon tarvittavien rajapintojen tarjoaminen erilaisia yhteysvaihtoehtoja varten.

Suunnittelijat ovat ratkaisseet näitä tyypillisten kenttäinstrumenttien toiminnallisia vaatimuksia etsimällä sopivat AD-muuntimet, mikrokontrollerit sekä teho- ja tiedonsiirtolaitteet kutakin anturi- ja toimilaitepohjaista sovellusta varten (kuva 1).

Kuva 1: Kenttäinstrumenttien kehittämiseksi suunnittelijoiden on pitänyt ratkaista antureiden ohjaamisen ja niiden tietojen keräämisen perusvaatimuksia käyttämällä saatavilla olevia AD- ja DA-muuntimia, mikrokontrollereita ja muita tarvittavia laitteita. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Haastavammissa Teollisuus 4.0 ‑sovelluksissa kenttäinstrumenttien suunnittelijoiden pitää täyttää alati laajenevia vaatimuksia koskien esimerkiksi reunalaitteiden laskentatehoa, turvallisuutta ja tietoturvaa. Tietojen tarkkuutta ja luotettavuutta koskevat vaatimukset eivät kuitenkaan ole heikentyneet.

Teollisuus 4.0 vaatii entistä kehittyneempiä ominaisuuksia

Koska antureita tarvitaan entistä enemmän ja niiden resoluutio ja kaistanleveys kasvavat, antureiden ja toimilaitteiden väliset rajapinnat vaativat tehokkaat analogiset esiasteet (Analog Front-End, AFE). Korkeiden signaalintallennus- ja -parannusvaatimusten myötä myös instrumenttien tietojenkäsittelyvaatimukset kasvavat. Lisäksi pyrkimys kasvattaa reunalaitteiden laskentatehoa vaatii edistyneitä prosessoreita, joilla voidaan suorittaa tehokkaasti tekoälyalgoritmeja kenttäinstrumenttien tehokkuuden ja teollisen turvallisuuden parantamiseksi. Näiden instrumenttien tietoturva on huipputärkeää jatkuvasti lisääntyvien uhkien vuoksi.

Ominaisuuksien kehittymisen myötä edistyneet kenttäinstrumentit vaativat enemmän kaistanleveyttä ja tehoa kuin vanhat 4–20 milliampeerin virtasilmukkalaitteet, jotka tyypillisesti tarjoavat instrumenteille kaistanleveyttä vain 1,2 kilobittiä sekunnissa (kbit/s) ja tehoa alle 40 milliwattia (mW). 10BASE-T1L tukee 10 megabitin kaistanleveyttä sekunnissa (Mbits/s) sekä 60 W:n tehoa tai 500 mW tehoa ATEX-vyöhykkeellä 0, mikä kannustaa kehittämään luonnostaan vaarattomia käyttötapauksia Ethernet-APL-standardin avulla. Lisäksi 10BASE-T1L/Ethernet-APL mahdollistaa tämän suorituskyvyn yhdellä parikaapelilla. Tämä mahdollistaa olemassa olevan asennetun kaapelin uudelleenkäytön.

Vaikka teollisuusjärjestelmillä on entistä suurempia tiedonsiirtovaatimuksia, vanhoja kenttäinstrumentteja ja tulevia Teollisuus 4.0 ‑sovelluksia pitää pystyä tukemaan. Näin ollen suunnittelijoiden on laadittava ratkaisuja, joilla voidaan tukea sekä olemassa olevia sovelluksia että tulevia järjestelmiä (kuva 2).

Kuva 2: Yksi älykkäiden kenttäinstrumenttien suunnitteluhaasteista on pystyä tukemaan sekä tulevia teho- ja kaistanleveysvaatimuksia että olemassa olevia teollisuussovelluksia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Suunnittelijat voivat vastata nopeasti olemassa olevien ja kehittyvien teollisten automaatiojärjestelmien älykkäiden kenttäinstrumenttien vaatimuksiin Analog Devices -yrityksen edistyneillä laitteilla.

Edistyneiden kenttäinstrumenttien vaatimusten täyttäminen kattavalla laitevalikoimalla

Tyypillisen kenttäinstrumentin tulee täyttää lukuisia vaatimuksia. Tässä esitetään tyypillisen paineanturin lähettimen avulla, kuinka suunnittelijat voivat täyttää näitä vaatimuksia omissa sovelluksissaan (kuva 3).

Kuva 3: Paineanturin lähettimen korkean tason rakenteesta voidaan nähdä tyypillisen älykkään kenttäinstrumentin anturirajapinnan, prosessorin sekä teho- ja yhteystoimintojen perusvaatimukset. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvan paineanturiratkaisussa signaaliketjun täytyy tarjota mittausvirta vastussiltaa käyttävälle paineanturille ja mitata syntyvä jännite-ero, kun anturi reagoi paineeseen. Tällöin voidaan käyttää yksittäistä integroitua laitetta, kuten Analog Devices -yrityksen analoginen esiaste AD7124 tai AD4130, mikä yksinkertaistaa anturin rajapintaa tarjoamalla mittausvirran osana kokonaista monikanavaista signaaliketjua digitaalisella lähdöllä (kuva 4).

Kuva 4: AD7124-AFE tarjoaa kokonaisen monikanavaisen signaaliketjun, joka tarvitaan digitaalisten tietojen luomiseksi useimmista aktiivisista ja passiivisista antureista saaduista signaaleista. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kokonaista anturialijärjestelmää varten suunnittelijat voivat käyttää Analog Devices -yrityksen ADuCM36x-tuoteperheen mikrokontrolleria analogisen esiasteen hallintaan sekä signaalinkäsittelyn, kalibroinnin ja kompensoinnin suorittamiseen. Suunnittelijat voivat esimerkiksi käyttää ADuCM36x-mikrokontrollerin integroitua 24 bitin AD-muunninta vastussiltaa käyttävän lämpötila-anturin lukemien muuntamista ja kompensointia varten (kuva 4).

Haluttaessa monipuolisempaa prosessointia ja kenttäinstrumentin hallintaa voidaan käyttää korkeatehoisia Arm® Cortex®-M4 -mikrokontrollereita, kuten Analog Devices MAX32675 tai MAX32690. Uusilla AI-mikrokontrollereilla, kuten useita palkintoja voittaneella MAX78000-tuoteperheellä, voidaan varmistaa neuraaliverkkojen mahdollisimman tehokas suorittaminen reunasovelluksissa. Anturialijärjestelmästä Analog Devices ADUM1440 -digitaalierottimella eristetty korkeatehoinen mikrokontrolleri ohjaa kenttäinstrumentin toimintaa, muita oheislaitteita sekä verkkoyhteyksiä.

Nämä teollisuusautomaatioon suunnitellut mikrokontrollerit täyttävät lukuisia erityissovellusvaatimuksia. Esimerkiksi MAX32675 sopii hyvin 4–20 mA:n virtasilmukkasovelluksiin, kun taas MAX32690 tukee langatonta tiedonsiirtoa integroidulla edistyneellä Bluetooth 5.2 Low Energy (LE) ‑radiolla ja riittävällä muistilla muun muassa Profinetin kaltaisia kookkaita protokollapinoja varten. Kumpikin prosessori vastaa alati kasvaviin tietoturvahaasteisiin tarjoamalla integroidun aidon satunnaislukugeneraattorin, Advanced Encryption Standard (AES) ‑tuen, suojatun haihtumattoman avainten tallennuksen sekä suojatun käynnistyksen.

Jotta kenttäinstrumentin laitteille voidaan tarjota reguloitua tehoa, suunnittelijat yleensä lisäävät ratkaisuun LDO (Low DropOut) -jännitteensäätimen, kuten Analog Devices ADP162, sekä jännitteenalennusta varten DC-DC-hakkurisäätimen, kuten Analog Devices ADP2360. Kun älykästä kenttäinstrumentaatiota käytetään ympäristössä, jossa on paljon sähköisiä häiriöitä, on tärkeää varmistaa, että prosessorialijärjestelmä saa oikean syöttöjännitteen. Analog Devices ADM8323 -valvontalaitteella voidaan varmistaa, että syöttöjännite pysyy jatkuvasti ennalta asetetun jänniterajan yläpuolella.

Käynnistyksen, sammutuksen ja sähkökatkojen yhteydessä ADM8323 lähettää signaalin, joka pitää mikrokontrollerin reset-tilassa. Kun virta palautuu raja-arvon ylitse, ADM8323 vapauttaa reset-signaalin. Tällöin suojattua käynnistystä tukeva MCU, kuten MAX32675 tai MAX32690, vahvistaa ohjelmakoodin aitouden ennen toiminnan jatkamista. Ajastinikkunaa käyttävällä integroidulla ADM8323-vahtiajastimella voidaan varmistaa koodin normaalin suorituksen jatkuvuus.

Anturin tietojen vastaanotto ja koodin luotettava suorittaminen ovat älykkään kenttäinstrumentin perustoimintoja. Luotettava tiedonsiirto on kriittinen tekijä sovellustasolla. Älykkäät verkkoon kytketyt kenttäinstrumentit ovat vuosien ajan luottaneet 4–20 mA:n virtasilmukkalaitteisiin ja tiedonvaihtoon FSK HART ‑modeemiprotokollalla. Suunnittelijat voivat tukea olemassa olevia virtasilmukka- ja HART-protokollia Analog Devices -yrityksen 4–20 mA:n AD5421-DA-muuntimilla ja AD5700-HART-modeemeilla.

Teolliset automaatioratkaisut vaativat korkeampaa jännitettä ja suurempaa kaistanleveyttä kuin mitä aiemmat menetelmät mahdollistavat, minkä vuoksi tarve kasvaa sellaisille vaihtoehdoille kuten fyysisen kerroksen 10BASE-T1L-standardi. Suunnittelijat voivat nopeasti toteuttaa 10BASE-T1L-verkkoyhteydet käyttäen Analog Devices ADIN1100- tai ADIN1110-piiriä. ADIN1100 tarjoaa vain fyysisen kerroksen (PHY), kun taas ADIN1110 sisältää PHY-lähetin-vastaanottimen ja Media Access Control (MAC) ‑rajapinnan. Tämä mahdollistaa sellaisten vähävirtaisten prosessorien käytön, joissa ei ole MAC-rajapintaa.

Kenttäinstrumenttien laajentaminen ja tehostaminen erityisvaatimuksia varten

Lisäämällä tai vaihtamalla muutaman osan suunnittelijat voivat laajentaa ja tehostaa kuvan 3 paineanturiratkaisua yhdistetyn kenttäinstrumentin luomiseksi halutun sovelluksen tarpeiden mukaisesti. Esimerkiksi sähkömagneettinen virtausanturi saattaa käyttää enimmäkseen samaa arkkitehtuuria lisäämällä ja poistamalla muutaman osan tarpeen mukaan (kuva 5).

Kuva 5: Suunnittelijat voivat vastata nopeasti uusiin anturirajapintaa koskeviin vaatimuksiin, esimerkkinä tässä esitetty sähkömagneettinen virtausanturi, hyödyntämällä olemassa olevia ratkaisuelementtejä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Monet jo käytetyistä osista täyttävät tämän sovelluksen vaatimukset, mutta anturirajapinta täytyy vaihtaa. Suunnittelijat voivat täyttää uuden anturirajapinnan vaatimukset sopivalla instrumentaatiovahvistimella, kuten Analog Devices AD8422, DC-DC-regulaattorilla ADP2441 ja erotetulla hilaohjaimella ADuM4121, joka tarjoaa virtausanturin vaatiman tasaisen mittausvirran.

Muilla osilla voidaan ratkaista tulevaisuuden erityisvaatimuksia. Esimerkiksi verkkoon kytketty älykäs kenttäinstrumentti saattaa tarvita salaus- ja todennusmenetelmiä tietojen lukemisen estämiseksi sekä isäntälaitteesta instrumenttiin lähetettyjen ohjaussignaalien eheyden varmistamiseksi IEC 62443 ‑vaatimusten mukaisesti. Tässä tapauksessa ratkaisuun voidaan lisätä erittäin vähävirtainen Analog Devices MAXQ1065 -tietoturva-rinnakkaisprosessori istuntoavaimen luomiseksi viestien AES-salausta varten.

Yhteenveto

Älykkäiden kenttäinstrumenttien ominaisuuksiin perustuvat sofistikoituneet teolliset automaatiosovellukset voivat tukea suurta määrää erilaisia antureita ja toimilaitteita. Instrumenttien tehokkaassa suunnittelussa voidaan hyödyntää kattavaa laitevalikoimaa haastavien anturirajapinta-, prosessori-, teho- ja verkkoyhteysvaatimusten täyttämiseksi.