Créer rapidement des instruments de terrain intelligents et connectés grâce à des ensembles de solutions complets

Pour exploiter tout le potentiel de l'Industrie 4.0, les concepteurs doivent acquérir des données provenant d'environnements difficiles et communiquer ces données de manière fiable et sécurisée au système de contrôle. Même si les outils technologiques clés existent pour concrétiser cette vision, les concepteurs devaient jusqu'à présent s'atteler seuls à l'identification et à l'implémentation de solutions efficaces. Les concepteurs ont besoin de solutions qui simplifient la mise en œuvre d'instruments de terrain intelligents et connectés, nécessaires pour réaliser la transformation numérique dans l'industrie de processus.

Cet article décrit l'utilisation d'un ensemble complet de solutions d'Analog Devices offrant une réponse efficace à la demande croissante d'instruments de terrain intelligents et connectés.

Les instruments de terrain s'appuient sur quatre capacités fonctionnelles clés

Dans les déploiements d'automatisation industrielle, les instruments de terrain comprennent l'ensemble des dispositifs de traitement des signaux garantissant un échange fiable de données et de contrôle entre les capteurs et actionneurs sur le terrain, et les systèmes hôtes utilisés pour gérer ces dispositifs et leurs données. Dans une application typique, ces instruments doivent prendre en charge quatre capacités fonctionnelles clés :

• Fournir des interfaces avec des capteurs ou des actionneurs connectés via des convertisseurs analogique-numérique (CAN) ou des convertisseurs numérique-analogique (CNA)
• Fournir des microcontrôleurs (MCU) pour la mise en forme des signaux et le contrôle du dispositif final
• Fournir l'alimentation, l'isolement et la supervision nécessaires au fonctionnement et à la sécurité des instruments
• Fournir des interfaces vers les différentes options de connectivité requises pour un échange fiable et sécurisé de données et d'informations de contrôle

Les concepteurs ont répondu à ces exigences fonctionnelles pour un instrument de terrain typique en trouvant les CAN, les microcontrôleurs et les dispositifs d'alimentation et de connectivité nécessaires pour prendre en charge chaque application spécifique basée sur un capteur ou un actionneur (Figure 1).

Figure 1 : Lors de la création d'instruments de terrain, les concepteurs ont répondu aux exigences de base en matière d'acquisition de données de capteur ou de contrôle de transducteurs en utilisant les CAN, les CNA, les microcontrôleurs et les dispositifs de support supplémentaires disponibles. (Source de l'image : Analog Devices)

Face aux défis plus importants de l'Industrie 4.0, les concepteurs d'instruments de terrain sont confrontés à un ensemble croissant d'exigences en matière d'intelligence, de sûreté et de sécurité accrues en périphérie tout en devant continuer à fournir des données précises et fiables.

L'Industrie 4.0 exige des capacités plus avancées

Au niveau de l'interface de capteur ou d'actionneur, un plus grand nombre et une plus grande variété de capteurs haute résolution à large bande passante nécessitent des solutions de circuit d'entrée analogique (AFE) efficaces. Les exigences de traitement de ces instruments augmentent en conséquence, en raison des demandes étendues d'acquisition et de mise en forme des signaux de capteurs. En outre, la recherche d'une plus grande intelligence en périphérie requiert des processeurs avancés capables d'exécuter efficacement des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) en périphérie, augmentant ainsi l'efficacité des instruments de terrain et améliorant la sécurité industrielle. La sécurité de ces instruments reste primordiale face à un éventail croissant de menaces.

Avec des capacités accrues, les instruments de terrain avancés nécessitent une bande passante de données et une distribution de puissance plus élevées que les anciens dispositifs à boucle de courant de 4 milliampères (mA) à 20 mA, qui offrent typiquement une distribution de puissance aux instruments de 1,2 kilobit par seconde (Kb/s) et de moins de 40 milliwatts (mW). 10BASE-T1L prend en charge une bande passante de données de 10 mégabits par seconde (Mb/s) et une distribution de puissance jusqu'à 60 watts (W) ou 500 mW dans la zone 0, encourageant les cas d'utilisation à sécurité intrinsèque avec Ethernet-APL. De plus, 10BASE-T1L/Ethernet-APL offre ces performances sur un câble à paire torsadée unique tout en permettant la réutilisation du câble installé existant.

Même si les systèmes industriels impliquent des exigences de communications accrues, la nécessité de prendre en charge les instruments de terrain existants et les applications Industrie 4.0 émergentes demeure. Par conséquent, les concepteurs doivent répondre avec des instruments de terrain intelligents pour une combinaison d'applications existantes et de systèmes émergents (Figure 2).

Figure 2 : Lors de la conception d'instruments de terrain intelligents, les concepteurs sont confrontés au défi de répondre aux nouvelles exigences en matière de puissance et de bande passante de données et de prendre en charge les applications industrielles existantes. (Source de l'image : Analog Devices)

Grâce à un ensemble de dispositifs avancés d'Analog Devices, les concepteurs peuvent rapidement répondre aux exigences relatives aux instruments de terrain intelligents utilisés pour les systèmes d'automatisation industrielle existants et émergents.

Répondre aux exigences des instruments de terrain avancés avec un ensemble complet de dispositifs

Un instrument de terrain typique doit satisfaire à une série d'exigences. Un émetteur de capteur de pression typique démontre comment les concepteurs peuvent facilement répondre à ces exigences dans leurs propres applications (Figure 3).

Figure 3 : La conception de haut niveau d'un émetteur de capteur de pression illustre les exigences de base pour les capacités fonctionnelles d'interface de capteur, de processeur, de puissance et de connectivité d'un instrument de terrain intelligent typique. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la conception d'émetteur de capteur de pression illustrée, la chaîne de signaux doit fournir un courant d'excitation au capteur de pression à pont résistif et mesurer la tension différentielle générée lorsque le capteur réagit à la pression. Ici, un seul dispositif intégré tel que l'AFE AD7124 ou AD4130 d'Analog Devices simplifie l'interface du capteur en fournissant un courant d'excitation dans le cadre d'une chaîne de signaux multicanaux complète avec une sortie numérique (Figure 4).

Figure 4 : L'AFE AD7124 fournit la chaîne de signaux multicanaux complète requise pour générer des données numériques à partir de la plupart des capteurs actifs et passifs. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour compléter le sous-système de capteurs, les concepteurs peuvent utiliser un microcontrôleur de la gamme ADuCM36x d'Analog Devices pour gérer l'AFE et effectuer d'autres tâches de traitement des signaux, d'étalonnage et de compensation. Par exemple, les concepteurs peuvent utiliser le CAN 24 bits intégré du microcontrôleur ADuCM36x pour convertir les lectures d'un capteur de température afin de fournir la compensation de température du capteur à pont résistif (Figure 4).

Pour un traitement plus étendu et une gestion globale de l'instrument de terrain, les concepteurs peuvent intégrer un microcontrôleur Arm® Cortex®-M4 hautes performances tel que le MAX32675 ou le MAX32690 d'Analog Devices, tandis que les nouveaux microcontrôleurs IA, tels que ceux de la famille MAX78000 plusieurs fois primée, garantissent une efficacité maximale dans l'exécution des réseaux neuronaux en périphérie. Isolé du sous-système de capteur par un isolateur numérique ADUM1440 d'Analog Devices, le microcontrôleur hautes performances gère le fonctionnement des instruments de terrain, les périphériques supplémentaires et la connectivité.

Conçus pour l'automatisation industrielle, ces microcontrôleurs répondent à différentes exigences d'applications spécialisées. Par exemple, le MAX32675 est bien adapté aux applications à boucle de courant 4-20 mA, tandis que le MAX32690 intègre une radio Bluetooth 5.2 Low Energy (LE) avancée pour les applications sans fil et une mémoire suffisante pour prendre en charge de grandes piles de communication telles que Profinet. Les deux processeurs répondent aux problèmes de sécurité croissants en offrant un générateur de nombres véritablement aléatoires intégré, un moteur de chiffrement avancé AES (Advanced Encryption Standard), un stockage de clés sécurisé non volatil et un démarrage sécurisé.

Pour fournir une alimentation régulée aux dispositifs d'un instrument de terrain, les concepteurs incluent généralement un régulateur à faible chute de tension (LDO) tel que l'ADP162 d'Analog Devices, ainsi qu'un régulateur à découpage abaisseur CC/CC comme l'ADP2360 d'Analog Devices. Garantir une tension d'alimentation correcte au sous-système de processeur est essentiel pour les conceptions d'instruments de terrain intelligents fonctionnant dans des environnements électriquement bruyants. En utilisant le superviseur ADM8323 d'Analog Devices, les concepteurs peuvent garantir que la tension d'alimentation reste supérieure à un seuil de tension prédéfini.

Lors des événements de mise sous tension, de mise hors tension et de baisse de tension, l'ADM8323 émet un signal qui maintient le microcontrôleur dans un état de réinitialisation. Lorsque la tension d'alimentation repasse au-dessus du niveau de seuil, l'ADM8323 débloque la réinitialisation. À ce stade, les microcontrôleurs prenant en charge le démarrage sécurisé, tels que les dispositifs MAX32675 et MAX32690, confirment l'authenticité du code de programme avant de continuer. Pour confirmer que l'exécution du code se poursuit normalement, les concepteurs peuvent utiliser l'horloge de surveillance à fenêtres de l'ADM8323.

L'acquisition des données de capteurs et l'exécution fiable du code sont des aspects fondamentaux du fonctionnement d'un instrument de terrain intelligent. Au niveau de l'application, une communication fiable est essentielle. Depuis des années, les instruments de terrain connectés intelligents s'appuient sur des dispositifs à boucle de courant 4-20 mA et sur l'échange de données à l'aide du protocole de modem HART à modulation par déplacement de fréquence (FSK) à phase continue. Les concepteurs peuvent facilement prendre en charge les interfaces de boucle de courant et de protocole HART existantes à l'aide du CNA 4-20 mA AD5421 et des dispositifs de modem HART AD5700 d'Analog Devices.

Les solutions d'automatisation industrielle requièrent des niveaux de tension plus élevés et une bande passante supérieure par rapport à ce que les méthodes précédentes peuvent prendre en charge, d'où le besoin d'options de connectivité telles que la norme de couche physique 10BASE-T1L. Les concepteurs peuvent rapidement implémenter la connectivité 10BASE-T1L à l'aide des dispositifs ADIN1100 ou ADIN1110 d'Analog Devices. Alors que l'ADIN1100 offre un émetteur-récepteur de couche physique (PHY) pour les conceptions, l'ADIN1110 intègre à la fois un émetteur-récepteur PHY et une interface de contrôle d'accès au support (MAC), permettant l'utilisation avec des processeurs basse consommation sans MAC intégré.

Extension et amélioration des instruments de terrain pour des exigences spécifiques

En ajoutant ou en remplaçant quelques composants, les concepteurs peuvent étendre et améliorer la même conception de capteur de pression de la Figure 3 pour créer l'instrument de terrain connecté requis pour leur application spécifique. Par exemple, la conception pour un transmetteur de débit électromagnétique peut utiliser la même architecture globale, en ajoutant et en supprimant simplement quelques composants selon les besoins (Figure 5).

Figure 5 : Les concepteurs peuvent répondre rapidement à de nouvelles exigences d'interface de capteur, telles que celles du transmetteur de débit électromagnétique illustré ici, tout en réutilisant les éléments d'une conception d'instrument de terrain existante. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour cette application, bon nombre des mêmes composants satisfont aux exigences globales, mais une interface de capteur différente est requise. Les concepteurs peuvent répondre aux nouvelles exigences d'interface de capteur en utilisant un amplificateur de mesure approprié tel que l'AD8422 d'Analog Devices, un régulateur CC/CC ADP2441 et un circuit d'attaque de grille isolé ADuM4121 pour fournir la source d'excitation à courant constant nécessaire au transducteur de débit.

D'autres éléments fonctionnels disponibles répondent à des exigences spécifiques émergentes. Par exemple, les instruments de terrain connectés intelligents peuvent nécessiter des capacités de chiffrement et d'authentification pour protéger les données contre la divulgation et garantir l'intégrité des instructions de contrôle transmises d'un hôte à l'instrument, conformément aux dernières exigences de la norme CEI 62443. Dans ce cas, les concepteurs peuvent ajouter le coprocesseur de sécurité ultrabasse consommation MAXQ1065 d'Analog Devices pour calculer une clé de session à utiliser dans le chiffrement des messages AES.

Conclusion

Les applications d'automatisation industrielle sophistiquées s'appuient sur les capacités des instruments de terrain intelligents et peuvent prendre en charge un plus grand nombre de capteurs et d'actionneurs diversifiés. Pour concevoir ces instruments efficacement, les concepteurs peuvent désormais faire appel à un ensemble complet de dispositifs pour prendre en charge des exigences plus strictes en matière d'interfaces de capteurs, de processeurs, d'alimentation et de connectivité.