Schnelles Erstellen von vernetzten intelligenten Feldinstrumenten mit umfassenden Lösungspaketen

Um das volle Potenzial von Industrie 4.0 auszuschöpfen, müssen Daten aus rauen Umgebungen erfasst und zuverlässig und sicher an das Steuerungssystem übermittelt werden. Obwohl die wichtigsten technologischen Voraussetzungen zur Verwirklichung dieser Vision vorhanden waren, war es in der Vergangenheit schwierig, effektive Lösungen zu finden und umzusetzen. Es werden Lösungen benötigt, die die Implementierung der vernetzten intelligenten Feldgeräte vereinfachen, die für die digitale Transformation in der Prozessindustrie erforderlich sind.

Dieser Artikel beschreibt den Einsatz eines umfassenden Lösungspakets von Analog Devices, das eine effektive Antwort auf die wachsende Nachfrage nach vernetzten intelligenten Feldgeräten bietet.

Feldgeräte sind auf vier wichtige Funktionen angewiesen

In der industriellen Automatisierung umfassen Feldgeräte eine Reihe von Signalverarbeitungskomponenten, die einen zuverlässigen Daten- und Steuerungsaustausch zwischen den Endsensoren und Aktoren im Feld und den Host-Systemen zur Verwaltung dieser Geräte und ihrer Daten gewährleisten. In einer typischen Anwendung müssen diese Instrumente vier wichtige Funktionen unterstützen:

• Bereitstellung von Schnittstellen zu Sensoren oder Aktoren, die über Analog/Digital-Wandler (ADC) oder Digital/Analog-Wandler (DAC) angeschlossen sind
• Bereitstellung von Mikrocontrollern (MCUs) für die Signalaufbereitung und die Steuerung der Endgeräte
• Bereitstellung der für den Betrieb und die Sicherheit der Instrumente erforderlichen Stromversorgung, Isolierung und Überwachung
• Bereitstellung von Schnittstellen zu den verschiedenen Vernetzungsoptionen, die für einen zuverlässigen und sicheren Austausch von Daten und Kontrollinformationen erforderlich sind

Diese funktionalen Anforderungen für ein typisches Feldinstrument wurden berücksichtigt, indem die erforderlichen ADCs, MCUs, Stromversorgungs- und Vernetzungskomponenten zur Unterstützung jeder spezifischen sensor- oder aktorbasierten Anwendung gefunden wurden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Bei der Entwicklung von Feldinstrumenten wurden die grundlegenden Anforderungen für die Erfassung von Sensordaten oder die Steuerung von Messwertgebern mit Hilfe von ADCs, DACs, MCUs und zusätzlichen Hilfsgeräten erfüllt. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit den größeren Herausforderungen von Industrie 4.0 sehen sich Entwicklerteams von Feldinstrumenten mit einer wachsenden Anzahl von Anforderungen an mehr Intelligenz, Sicherheit und Schutz konfrontiert, während sie weiterhin genaue und zuverlässige Daten liefern müssen.

Industrie 4.0 treibt den Bedarf an fortschrittlicheren Fähigkeiten voran

An der Sensor- oder Aktorschnittstelle erfordern eine größere Anzahl und Vielfalt von hochauflösenden Sensoren mit hoher Bandbreite effektive analoge Frontend-Lösungen (AFE). Die Anforderungen an die Verarbeitung dieser Instrumente steigen dementsprechend, angetrieben durch die umfangreichen Anforderungen an die Erfassung und Verarbeitung von Sensorsignalen. Das Streben nach mehr Intelligenz am Netzwerkrand (Edge) rechtfertigt außerdem fortschrittliche Prozessoren, die Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) effizient am Netzwerkrand ausführen können, was die Effizienz von Feldinstrumenten erhöht und die industrielle Sicherheit verbessert. Die Sicherheit dieser Instrumente bleibt angesichts einer wachsenden Zahl von Bedrohungen von größter Bedeutung.

Aufgrund der erweiterten Funktionen benötigen moderne Feldinstrumente eine höhere Datenbandbreite und eine höhere Leistung im Vergleich zu herkömmlichen 4mA- bis 20mA-Stromschleifen, die in der Regel eine Leistung von 1,2 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s) und weniger als 40 Milliwatt (mW) an die Instrumente liefern. 10BASE-T1L unterstützt eine Datenbandbreite von 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und eine Leistungsabgabe von bis zu 60 Watt oder 500 mW in Zone 0, was eigensichere Anwendungsfälle mit Ethernet-APL begünstigt. Darüber hinaus bietet 10BASE-T1L/Ethernet-APL diese Leistung über ein einzelnes Twisted-Pair-Kabel und ermöglicht die Wiederverwendung vorhandener Kabel.

Auch wenn industrielle Systeme immer anspruchsvollere Kommunikationsanforderungen mit sich bringen, bleibt die Notwendigkeit bestehen, bestehende Feldgeräte und neue Industrie4.0-Anwendungen zu unterstützen. Folglich müssen neue intelligente Feldinstrumente für eine Kombination aus bestehenden alten (Brownfield-) Anwendungen und neuen (Greenfield-) Systemen ausgelegt sein (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bei der Entwicklung intelligenter Feldgeräte stehen die Entwicklerteams vor der Herausforderung, den neuen Anforderungen an Energie und Datenbandbreite gerecht zu werden und gleichzeitig bestehende industrielle Anwendungen zu unterstützen. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit einer Reihe fortschrittlicher Bausteine von Analog Devices können die Anforderungen an intelligente Feldgeräte erfüllt werden, die für bestehende und neue industrielle Automatisierungssysteme verwendet werden.

Erfüllen der Anforderungen an moderne Feldinstrumente mit einem umfassenden Satz von Komponenten

Ein typisches Feldgerät muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Ein typischer Drucksensortransmitter zeigt, wie diese Anforderungen in eigenen Anwendungen leicht erfüllt werden können (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das High-Level-Design eines Drucksensortransmitters veranschaulicht die grundlegenden Anforderungen an die Sensorschnittstelle, den Prozessor, die Stromversorgung und die Vernetzungsfunktionen eines typischen intelligenten Feldgeräts. (Bildquelle: Analog Devices)

Beim abgebildeten Drucksensordesign muss die Signalkette einen Erregerstrom für den Widerstandsbrücken-Drucksensor bereitstellen und die Differenzspannung messen, die bei der Reaktion des Sensors auf den Druck entsteht. Hier vereinfacht ein einziger integrierter Baustein wie die AFEs AD7124 oder AD4130 von Analog Devices die Sensorschnittstelle, indem er den Erregerstrom als Teil einer vollständigen Mehrkanalsignalkette mit einem digitalen Ausgang bereitstellt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der AFE AD7124 bietet die komplette mehrkanalige Signalkette, die zur Erzeugung digitaler Daten von den meisten aktiven und passiven Sensoren erforderlich ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Um das Sensor-Subsystem zu vervollständigen, kann eine MCU aus der Familie ADuCM36x von Analog Devices verwendet werden, um das AFE zu verwalten und zusätzliche Signalverarbeitung, Kalibrierung und Kompensation durchzuführen. Beispielsweise kann der integrierte 24-Bit-ADC der MCU ADuCM36x verwendet werden, um die Messwerte eines Temperatursensors zu konvertieren und eine Temperaturkompensation des Widerstandsbrückensensors zu ermöglichen (Abbildung 4).

Für eine umfangreichere Verarbeitung und das Gesamtmanagement des Feldgeräts kann eine leistungsstarke Arm®-Cortex®-M4-MCU wie der MAX32675 oder der MAX32690 von Analog Devices eingesetzt werden, während neue KI-Mikrocontroller wie die mehrfach ausgezeichnete Familie MAX78000 die höchst effiziente Ausführung neuronaler Netze am Netzwerkrand gewährleisten. Die Hochleistungs-MCU, die durch einen digitalen Isolator ADUM1440 von Analog Devices vom Sensor-Subsystem getrennt ist, verwaltet den Betrieb des Feldgeräts, zusätzliche Peripheriegeräte und die Vernetzung.

Diese MCUs wurden für die industrielle Automatisierung entwickelt und erfüllen verschiedene spezielle Anwendungsanforderungen. Der MAX32675 eignet sich beispielsweise gut für 4mA- bis 20mA-Stromschleifen, während der MAX32690 eine fortschrittliche Funkkomponente für Bluetooth 5.2 Low Energy (LE) für drahtlose Anwendungen und ausreichend Speicher zur Unterstützung großer Kommunikationsstacks wie Profinet integriert. Beide Prozessoren tragen den wachsenden Sicherheitsbedenken Rechnung, indem sie einen integrierten echten Zufallszahlengenerator, eine AES-Engine (Advanced Encryption Standard), einen sicheren nichtflüchtigen Schlüsselspeicher und einen sicheren Bootvorgang bieten.

Um die Komponenten in einem Feldinstrument mit geregelter Spannung zu versorgen, werden in der Regel LDO-Regler (Low Dropout) wie der ADP162 von Analog Devices sowie ein DC/DC-Abwärtsschaltregler wie der ADP2360 von Analog Devices verwendet. Die Sicherstellung einer korrekten Versorgungsspannung für das Prozessor-Subsystem ist für intelligente Feldgeräte, die in elektrisch verrauschten Umgebungen betrieben werden, unerlässlich. Mit dem Supervisor ADM8323 von Analog Devices kann sichergestellt werden, dass die Versorgungsspannung oberhalb eines voreingestellten Spannungsschwellenwerts bleibt.

Während des Einschaltens, des Herunterfahrens und des Stromausfalls setzt der ADM8323 ein Signal durch, das die MCU in einem Reset-Zustand hält. Wenn die Spannung wieder über den Schwellenwert steigt, löst der ADM8323 den Reset aus. MCUs, die sicheres Booten unterstützen, wie z. B. der MAX32675 und der MAX32690, bestätigen dann die Echtheit des Programmcodes, bevor sie fortfahren. Um zu bestätigen, dass die Code-Ausführung normal weiterläuft, kann der integrierte gefensterte Watchdog-Timer des ADM8323 verwendet werden.

Die Erfassung von Sensordaten und die zuverlässige Ausführung von Codes sind grundlegende Aspekte für den Betrieb eines intelligenten Feldgeräts. Auf der Anwendungsebene ist eine zuverlässige Kommunikation entscheidend. Jahrelang haben sich intelligent vernetzte Feldgeräte auf 4mA- bis 20mA-Stromschleifen und den Datenaustausch über das phasenkontinuierliche Frequenzumtastungsprotokoll (FSK) des HART-Modems verlassen. Bestehende Stromschleifen- und HART-Protokollschnittstellen können mit dem 4mA- bis 20mA-DAC AD5421 und dem HART-Modem AD5700 von Analog Devices problemlos unterstützt werden.

Industrielle Automatisierungslösungen erfordern höhere Spannungspegel und eine größere Bandbreite, als frühere Methoden unterstützen können, was zu einem Bedarf an Verbindungsoptionen wie dem Physical-Layer-Standard 10BASE-T1L führt. Mit dem ADIN1100 oder dem ADIN1110 von Analog Devices kann eine 10BASE-T1L-Vernetzung schnell implementiert werden. Während der ADIN1100 einen Transceiver für die physikalische Schicht (PHY) für Designs bietet, integriert der ADIN1110 sowohl einen PHY-Transceiver als auch eine MAC-Schnittstelle (Media Access Control) und ermöglicht so den Einsatz mit Low-Power-Prozessoren ohne integrierten MAC.

Erweiterung und Verbesserung von Feldinstrumenten für spezielle Anforderungen

Durch Hinzufügen oder Ersetzen einiger weniger Komponenten kann das gleiche Drucksensordesign aus Abbildung 3 erweitert und verbessert werden, um das für spezifische Anwendung erforderliche angeschlossene Feldinstrument zu schaffen. Ein Entwurf für einen elektromagnetischen Durchflussmessumformer könnte beispielsweise dieselbe Gesamtarchitektur verwenden indem lediglich einige Komponenten nach Bedarf hinzugefügt oder entfernt werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Auf neue Anforderungen an Sensorschnittstellen, wie z. B. für den hier gezeigten elektromagnetischen Durchflusstransmitter, kann schnell reagiert werden, indem Elemente eines bestehenden Feldgerätedesigns wiederverwendet werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Für diese Anwendung erfüllen viele der gleichen Komponenten die allgemeinen Anforderungen, aber es wird eine andere Sensorschnittstelle benötigt. Die neuen Anforderungen an die Sensorschnittstelle können erfüllt werden, indem ein geeigneter Instrumentenverstärker wie der AD8422 von Analog Devices, ein DC/DC-Regler ADP2441 und ein isolierter Gate-Treiber ADuM4121 verwendet werden, um die für den Durchflusswandler erforderliche Konstantstromquelle bereitzustellen.

Andere verfügbare Bausteine befassen sich mit neuen speziellen Anforderungen. So benötigen vernetzte, intelligente Feldgeräte möglicherweise Verschlüsselungs- und Authentifizierungsfunktionen, um Daten vor Offenlegung zu schützen und die Integrität von Steueranweisungen zu gewährleisten, die von einem Host an das Gerät weitergegeben werden, und die den neuesten Anforderungen der Norm IEC 62443 entsprechen. In diesem Fall könnte der extrem stromsparende Sicherheits-Coprozessor MAXQ1065 von Analog Devices hinzugefügt werden, um einen Sitzungsschlüssel für die AES-Nachrichtenverschlüsselung zu berechnen.

Fazit

Anspruchsvolle industrielle Automatisierungsanwendungen bauen auf den Fähigkeiten intelligenter Feldgeräte auf und können eine größere Anzahl unterschiedlicher Sensoren und Aktoren unterstützen. Um diese Instrumente effektiv zu entwickeln, kann jetzt auf ein umfassendes Sortiment von Komponenten zurückgegriffen werden, die anspruchsvollere Anforderungen an Sensorschnittstellen, Prozessoren, Leistung und Anbindung erfüllen.