Creare rapidamente strumenti di campo intelligenti e connessi con i set di soluzioni complete

Per realizzare il pieno potenziale dell'Impresa 4.0, i progettisti devono acquisire i dati da ambienti difficili e comunicarli in modo affidabile e sicuro al sistema di controllo. Sebbene esistano già gli strumenti tecnologici per realizzare questa visione, in passato i progettisti dovevano affrontare da soli l'identificazione e l'implementazione di soluzioni efficaci. I progettisti hanno bisogno di soluzioni che semplifichino l'implementazione di strumenti da campo intelligenti e connessi, necessari per realizzare la trasformazione digitale nel settore della lavorazione industriale.

Questo articolo descrive l'uso di un set di soluzioni completo di Analog Devices che offre una risposta efficace alla crescente domanda di strumenti da campo intelligenti e connessi.

Gli strumenti da campo si basano su quattro funzionalità chiave

Nelle installazioni di automazione industriale, gli strumenti da campo comprendono una serie di dispositivi di elaborazione del segnale che garantiscono uno scambio affidabile di dati e controlli tra i sensori e gli attuatori sul campo e i sistemi host utilizzati per gestire tali dispositivi e i loro dati. In una tipica applicazione, questi strumenti devono supportare quattro funzionalità chiave:

• Fornire interfacce con sensori o attuatori collegati tramite convertitori analogico/digitale (ADC) o convertitori digitale/analogico (DAC).
• Fornire unità microcontroller (MCU) per il condizionamento del segnale e il controllo del dispositivo finale.
• Fornire l'alimentazione, l'isolamento e la supervisione necessari per il funzionamento e la sicurezza degli strumenti.
• Fornire interfacce per le varie opzioni di connettività necessarie per uno scambio affidabile e sicuro di dati e informazioni di controllo.

I progettisti hanno affrontato questi requisiti funzionali per un tipico strumento da campo trovando gli ADC, gli MCU, l'alimentazione e i dispositivi di connettività necessari per supportare ogni specifica applicazione basata su sensori o attuatori (Figura 1).

Figura 1: Nella creazione di strumenti da campo, i progettisti hanno affrontato i requisiti di base per l'acquisizione dei dati dei sensori o il controllo dei trasduttori utilizzando gli ADC, i DAC, gli MCU e i dispositivi di supporto aggiuntivi disponibili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Con le sfide più significative dell'Impresa 4.0, i progettisti di strumenti da campo si trovano di fronte a una serie crescente di requisiti per una maggiore edge intelligence, sicurezza e protezione, continuando a fornire dati accurati e affidabili.

L'Impresa 4.0 spinge la necessità di capacità più avanzate

All'interfaccia del sensore o dell'attuatore, un maggior numero e varietà di sensori ad alta risoluzione e larghezza di banda richiedono soluzioni analogiche front-end (AFE) efficaci. I requisiti di elaborazione di questi strumenti aumentano di conseguenza, a causa delle esigenze di acquisizione e condizionamento del segnale del sensore. Inoltre, la spinta verso una maggiore edge intelligence richiede processori avanzati in grado di eseguire in modo efficiente gli algoritmi di intelligenza artificiale (IA) sull'edge, aumentando l'efficienza degli strumenti sul campo e migliorando la sicurezza industriale. La sicurezza di questi strumenti rimane fondamentale a fronte di una serie sempre crescente di minacce.

Con l'aumento delle capacità, gli strumenti da campo avanzati richiedono una larghezza di banda di dati e un'erogazione di potenza maggiori rispetto ai dispositivi ad anello di corrente 4-20 mA tradizionali, che in genere offrono un'erogazione di potenza agli strumenti di 1,2 kbps e meno di 40 mW. 10BASE-T1L supporta una larghezza di banda di 10 Mbps e un'erogazione di potenza fino a 60 W o 500 mW in zona 0, favorendo i casi di utilizzo a sicurezza intrinseca con Ethernet-APL. Inoltre, 10BASE-T1L/Ethernet-APL offre queste prestazioni su un singolo cavo a doppino intrecciato, consentendo il riutilizzo del cavo già installato.

Anche se i sistemi industriali hanno requisiti di comunicazione più esigenti, rimane la necessità di supportare gli strumenti da campo tradizionali e le applicazioni emergenti dell'Impresa 4.0. Di conseguenza, i progettisti devono rispondere con progetti di strumenti da campo intelligenti per una combinazione di applicazioni esistenti e sistemi emergenti (Figura 2).

Figura 2: Quando si progettano strumenti da campo intelligenti, i progettisti devono affrontare la sfida di rispondere ai requisiti emergenti di potenza e larghezza di banda per i dati e di supportare le applicazioni industriali esistenti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Utilizzando una serie di dispositivi avanzati di Analog Devices, i progettisti possono soddisfare rapidamente i requisiti per gli strumenti da campo intelligenti utilizzati per i sistemi di automazione industriale esistenti ed emergenti.

Soddisfare i requisiti degli strumenti da campo avanzati con una serie completa di dispositivi

Un tipico strumento da campo deve soddisfare una serie di requisiti. Un tipico trasmettitore per sensore di pressione dimostra come i progettisti possano soddisfare facilmente questi requisiti nelle loro applicazioni (Figura 3).

Figura 3: Il progetto ad alto livello di un trasmettitore per sensore di pressione illustra i requisiti di base per l'interfaccia del sensore, il processore, l'alimentazione e le funzionalità di connettività di un tipico strumento intelligente da campo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nel progetto del trasmettitore per sensore di pressione illustrato, la catena di segnali deve fornire una corrente di eccitazione al sensore di pressione a ponte resistivo e misurare la tensione differenziale generata quando il sensore reagisce alla pressione. In questo caso, un singolo dispositivo integrato come gli AFE AD7124 o AD4130 di Analog Devices semplifica l'interfaccia del sensore fornendo la corrente di eccitazione come parte di una catena di segnali multicanale completa con un'uscita digitale (Figura 4).

Figura 4: L'AFE AD7124 fornisce la catena di segnali multicanale completa necessaria per generare i dati digitali dalla maggior parte dei sensori attivi e passivi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per completare il sottosistema di sensori, i progettisti possono utilizzare un MCU della famiglia ADuCM36x di Analog Devices per gestire l'AFE ed eseguire altre operazioni di elaborazione del segnale, calibrazione e compensazione. Ad esempio, i progettisti possono utilizzare l'ADC a 24 bit integrato nell'MCU ADuCM36x per convertire le letture di un sensore di temperatura e fornire la compensazione della temperatura del sensore a ponte resistivo (Figura 4).

Per l'elaborazione più estesa e la gestione complessiva dello strumento da campo, i progettisti possono incorporare un MCU ARM® Cortex®-M4 ad alte prestazioni, come MAX32675 o MAX32690 di Analog Devices, mentre i nuovi microcontroller IA, come la pluripremiata famiglia MAX78000, assicurano la massima efficienza nell'esecuzione delle reti neurali sull'edge. Isolato dal sottosistema del sensore mediante un isolatore digitale ADUM1440 di Analog Devices, l'MCU ad alte prestazioni gestisce il funzionamento dello strumento da campo, le periferiche aggiuntive e la connettività.

Progettati per l'automazione industriale, questi MCU soddisfano diversi requisiti applicativi specializzati. Ad esempio, MAX32675 è adatto alle applicazioni con circuito di corrente di 4-20 mA, mentre MAX32690 integra una radio avanzata Bluetooth 5.2 Low Energy (LE) per applicazioni wireless e una memoria sufficiente per supportare stack di comunicazione di grandi dimensioni come Profinet. Entrambi i processori rispondono alle crescenti esigenze di sicurezza grazie a un generatore di numeri casuali integrato, a un motore di crittografia avanzata (AES), alla memorizzazione sicura di chiavi non volatili e all'avvio sicuro.

Per fornire un'alimentazione regolata ai dispositivi di uno strumento da campo, i progettisti includono in genere un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO), come ADP162 di Analog Devices, e un regolatore a commutazione step-down c.c./c.c., come ADP2360 di Analog Devices. Garantire una corretta tensione di alimentazione al sottosistema del processore è essenziale per gli strumenti da campo intelligenti che operano in ambienti elettricamente rumorosi. Utilizzando il supervisore ADM8323 di Analog Devices, i progettisti possono garantire che la tensione di alimentazione rimanga al di sopra di una soglia di tensione predefinita.

Durante l'accensione, lo spegnimento e gli eventi di interruzione temporanea dell'energia elettrica, ADM8323 asserisce un segnale che mantiene l'MCU in uno stato di reset. Quando l'alimentazione torna al di sopra del livello di soglia, ADM8323 rilascia il reset. A questo punto, gli MCU che supportano l'avvio sicuro, come MAX32675 e MAX32690, confermano l'autenticità del codice del programma prima di procedere. Per verificare che l'esecuzione del codice continui normalmente, i progettisti possono utilizzare il timer watchdog integrato con finestra dell'MCU ADM8323.

L'acquisizione dei dati del sensore e l'esecuzione affidabile del codice sono aspetti fondamentali del funzionamento di uno strumento da campo intelligente. A livello di applicazione, è fondamentale che la comunicazione sia affidabile. Per anni, gli strumenti di campo collegati in modo intelligente si sono affidati a dispositivi a circuito di corrente di 4-20 mA e allo scambio di dati tramite il protocollo modem HART a modulazione digitale di frequenza (FSK) in fase continua. I progettisti possono supportare facilmente le interfacce esistenti del circuito di corrente e del protocollo HART utilizzando i dispositivi DAC 4-20 mA AD5421 e modem HART AD5700 di Analog Devices.

Le soluzioni di automazione industriale richiedono livelli di tensione più elevati e una larghezza di banda maggiore rispetto a quella supportata dai metodi precedenti, determinando la necessità di opzioni di connettività come lo standard di strato fisico 10BASE-T1L. I progettisti possono implementare rapidamente la connettività 10BASE-T1L utilizzando i dispositivi ADIN1100 o ADIN1110 di Analog Devices. Mentre ADIN1100 è un transceiver di strato fisico (PHY) per i progetti, ADIN1110 integra sia un transceiver PHY sia un'interfaccia MAC (Media Access Control) per l'utilizzo con processori a basso consumo senza MAC integrato.

Ampliare e migliorare gli strumenti di campo per requisiti specifici

Con l'aggiunta o la sostituzione di alcuni componenti, i progettisti possono ampliare e migliorare lo stesso progetto del sensore di pressione della Figura 3 per creare lo strumento da campo collegato necessario per un'applicazione specifica. Ad esempio, il progetto di un trasmettitore di flusso elettromagnetico potrebbe utilizzare la stessa architettura generale, aggiungendo e rimuovendo solo alcuni componenti secondo necessità (Figura 5).

Figura 5: I progettisti possono rispondere rapidamente ai nuovi requisiti di interfaccia dei sensori, come quelli del trasmettitore di flusso elettromagnetico qui illustrato, riutilizzando gli elementi di un progetto di strumento da campo esistente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per questa applicazione, molti degli stessi componenti soddisfano i requisiti generali, ma è necessaria un'interfaccia sensore diversa. I progettisti possono soddisfare i requisiti della nuova interfaccia sensore utilizzando un amplificatore strumentale adatto, come AD8422 di Analog Devices, un regolatore c.c./c.c. ADP2441 e un gate driver isolato ADuM4121 per fornire la sorgente di eccitazione a corrente costante necessaria per il trasduttore di flusso.

Altri componenti costitutivi disponibili rispondono a requisiti speciali emergenti. Ad esempio, gli strumenti da campo connessi e intelligenti potrebbero necessitare di funzionalità di crittografia e autenticazione per proteggere i dati dalla divulgazione e garantire l'integrità delle istruzioni di controllo trasmesse da un host allo strumento, soddisfacendo i più recenti requisiti IEC 62443. In questo caso, i progettisti potrebbero aggiungere il co-processore di sicurezza a bassissimo consumo MAXQ1065 di Analog Devices per calcolare una chiave di sessione da utilizzare nella crittografia dei messaggi AES.

Conclusione

Le applicazioni di automazione industriale più sofisticate si basano sulle capacità degli strumenti intelligenti da campo e possono supportare un numero maggiore di sensori e attuatori. Per progettare efficacemente questi strumenti, i progettisti possono ora attingere a una serie completa di dispositivi per supportare le interfacce dei sensori, i processori, la potenza e i requisiti di connettività più esigenti.