Rychlé vybudování propojených inteligentních mobilních přístrojů pomocí komplexních sad řešení

Aby konstruktéři mohli využívat plný potenciál koncepce Industry 4.0, potřebují získávat data z náročných prostředí a spolehlivě a bezpečně je předávat do řídicího systému. Ačkoli existují nástroje klíčových technologií umožňující dosažení této vize, konstruktéři si v minulosti museli při identifikaci a implementaci efektivních řešení poradit sami. Konstruktéři potřebují řešení, která zjednoduší implementaci propojených inteligentních mobilních přístrojů potřebných k dosažení digitální transformace ve zpracovatelském průmyslu.

Tento článek popisuje využití komplexní sady řešení od společnosti Analog Devices nabízející účinnou odpověď na rostoucí poptávku po připojených inteligentních mobilních přístrojích.

Mobilní přístroje se spoléhají na čtyři klíčové funkční schopnosti

Při nasazení v průmyslové automatizaci obsahují mobilní přístroje soubor zařízení na zpracování signálů zajišťujících spolehlivou výměnu datových a řidicích signálů mezi koncovými senzory a akčními členy v provozu a hostitelskými systémy používanými ke správě těchto zařízení a jejich dat. V typické aplikaci musí tyto přístroje podporovat čtyři klíčové funkční schopnosti:

• Poskytnutí rozhraní se senzory nebo akčními členy připojenými prostřednictvím analogově-digitálních převodníků (ADC) nebo digitálně-analogových převodníků (DAC)
• Poskytnutí mikrokontrolérové jednotky (MCU) na úpravu signálu a ovládání koncového zařízení
• Zajištění napájení, izolace a dohledu potřebných k provozu a bezpečnosti přístroje
• Poskytnutí rozhraní pro různé možnosti připojení, které jsou potřebné pro spolehlivou a bezpečnou výměnu dat a řídicích informací

Konstruktéři na tyto funkčními požadavky na typický mobilní přístroj reagovali nalezením potřebných A/D převodníků, jednotek MCU, napájecích zdrojů a propojovacích zařízení pro podporu každé jednotlivé aplikace založené na senzoru nebo aktuátoru (obrázek 1).

Obrázek 1: Při vytváření mobilních přístrojů se konstruktéři zabývali základními požadavky na získávání dat ze senzorů nebo ovládání měničů pomocí dostupných jednotek ADC, DAC, MCU a dalších pomocných zařízení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vzhledem k významnějším výzvám koncepce Industry 4.0 čelí konstruktéři mobilních přístrojů stále většímu objemu požadavků na vyšší inteligenci na okraji, bezpečnost a zabezpečení při současném poskytování přesných a spolehlivých dat.

Koncepce Industry 4.0 vyvolává potřebu pokročilejších funkcí

Vyšší počet a rozmanitost senzorů s vysokým rozlišením a velkou šířkou pásma na rozhraní senzorů nebo aktuátorů vyžaduje efektivní řešení analogových rozhraní (AFE). Odpovídajícím způsobem stoupají také nároky na zpracování pomocí těchto přístrojů, což je dáno rozsáhlými požadavky na získávání a úpravu signálů ze snímačů. Kromě toho snaha o vyšší inteligenci na okraji zaručuje pokročilé procesory, které dokáží efektivně provádět algoritmy umělé inteligence (AI) na okraji, čímž zvyšují efektivitu mobilních přístrojů i průmyslovou bezpečnost. Vzhledem k rozšiřující se řadě hrozeb zůstává prvořadým úkolem zabezpečení těchto přístrojů.

V porovnání se staršími zařízeními s proudovou smyčkou 4-20 mA, které obvykle dodávají napájení přístrojům o rychlosti 1,2 kbit/s a výkonu nižším než 40 mW, vyžadují pokročilé mobilní přístroje vyšší šířku datového pásma a dodávanou energii vzhledem k jejich zvyšujícím se schopnostem. Standard 10BASE-T1L podporuje šířku datového pásma 10 Mbit/s a dodávku výkonu až 60 W nebo 500 mW v zóně 0, což podporuje jiskrově bezpečné případy použití s technologií Ethernet-APL. Standard 10BASE-T1L/Ethernet-APL navíc tento výkon dodává přes jeden kroucený párový kabel a zároveň umožňuje opětovné používání stávajícího nainstalovaného kabelu.

I když průmyslové systémy vyžadují náročnější komunikační požadavky, zůstává potřeba podporovat starší mobilní přístroje a vznikající aplikace koncepce Industry 4.0. V důsledku toho musejí konstruktéři reagovat inteligentními návrhy mobilních přístrojů umožňujících kombinaci stávajících brownfield aplikací a nových systémů na zelené louce (obrázek 2).

Obrázek 2: konstruktéři čelí při návrhu inteligentních mobilních přístrojů výzvě, jak reagovat na vznikající požadavky na výkon a šířku datového pásma při současné podpoře stávajících průmyslových aplikací. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pomocí sady pokročilých zařízení od společnosti Analog Devices mohou konstruktéři rychle řešit požadavky na inteligentní mobilní přístroje používané pro stávající a vznikající systémy průmyslové automatizace.

Splnění požadavků na pokročilé mobilní přístroje pomocí komplexní sady zařízení

Typický mobilní přístroj musí splňovat řadu požadavků. Typický převodník tlakového senzoru ukazuje, jak mohou konstruktéři tyto požadavky snadno splnit ve svých vlastních aplikacích (obrázek 3).

Obrázek 3: návrh na vysoké úrovni (HLD) převodníku tlakového senzoru znázorňuje základní požadavky na rozhraní senzoru, procesor, napájení a konektivitu typického inteligentního mobilního přístroje. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

V zobrazeném provedení převodníku tlakového senzoru musí signálový řetězec dodávat do odporového můstku tlakového senzoru budicí proud a měřit rozdílové napětí generované během reakce senzoru na tlak. V tomto případě jeden integrovaný obvod, například AFE AD7124 nebo AD4130 od společnosti Analog Devices, zjednodušuje rozhraní snímače dodávkou budicího proudu jako součást kompletního vícekanálového signálového řetězce s digitálním výstupem (obrázek 4).

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

K dokončení senzorového subsystému mohou konstruktéři využít jednotku MCU skupiny ADuCM36x od společnosti Analog Devices pro správu rozhraní AFE a další zpracování signálu, kalibraci a kompenzaci. Konstruktéři mohou například využít integrovaný 24bitový A/D převodník ADuCM36x jednotky MCU pro převod hodnot z teplotního senzoru pro zajištění teplotní kompenzace odporového můstkového senzoru (obrázek 4).

Pro rozsáhlejší zpracování a celkovou správu mobilního přístroje mohou konstruktéři začlenit vysoce výkonnou jednotku MCU Arm® Cortex®-M4, například obvod MAX32675 nebo MAX32690 od společnosti Analog Devices, zatímco nové mikrokontroléry AI, například z mnohonásobně oceněné skupiny MAX78000, zajišťují maximální efektivitu provádění neuronových sítí na okraji. Vysoce výkonná jednotka MCU, která je od subsystému senzorů oddělená pomocí digitální izolátoru ADUM1440 od společnosti Analog Devices, řídí provoz mobilních přístrojů, další periferie a konektivitu.

Tyto jednotky MCU jsou navržené pro průmyslovou automatizaci a splňují požadavky různých specializovaných aplikací. Například obvod MAX32675 se dobře hodí pro aplikace s proudovou smyčkou 4-20 mA, zatímco obvod MAX32690 integruje pokročilý radiový modul Bluetooth 5.2 low energy (LE) pro bezdrátové aplikace a dostatečně velkou paměť pro podporu velkých komunikačních zásobníků, jako je Profinet. Oba procesory řeší rostoucí bezpečnostní problémy nabídkou integrovaného generátoru skutečných náhodných čísel, modulu pokročilého šifrovacího standardu (AES), zabezpečeného, energeticky nezávislého úložiště klíčů a zabezpečeného spouštění.

Pro přívod regulovaného výkonu do součástí mobilního přístroje by konstruktéři typicky mohli využít regulátor s nízkým úbytkem napětí (LDO), například obvod ADP162 od společnosti Analog Devices, jakož i snižovací spínací DC-DC regulátor, například obvod ADP2360 od společnosti Analog Devices. Pro inteligentní návrhy mobilních přístrojů pracujících v elektricky hlučném prostředí je nezbytné zajištění správného napájecího napětí procesorového subsystému. Pomocí dohlížecího obvodu ADM8323 od společnosti Analog Devices mohou konstruktéři zajistit, aby napájecí napětí setrvalo nad přednastavenou prahovou hodnotou.

Během událostí zapínání, vypínání a poklesu napájecího napětí vydává obvod ADM8323 signál udržující jednotku MCU ve stavu resetu. Při obnovení napájecího napětí nad prahovou úroveň obvod ADM8323 uvolní reset. V tomto okamžiku jednotky MCU podporující zabezpečené spouštění, například obvody MAX32675 a MAX32690, potvrdí před pokračováním pravost programového kódu. K potvrzení, že provádění kódu pokračuje normálním způsobem, mohou konstruktéři využít integrovaný časovač sledovacích požadavků v okně obvodu ADM8323.

Získávání dat ze senzorů a spolehlivé provádění kódu jsou základními aspekty provozu inteligentního mobilní přístroje. Na aplikační úrovni je kriticky důležitá spolehlivá komunikace. Po mnoho let se připojené inteligentní mobilní přístroje spoléhaly na zařízení s proudovou smyčkou 4-20 mA a výměnu dat pomocí protokolu HART modemu s fázově kontinuálním klíčováním s frekvenčním posunem (FSK). Konstruktéři mohou snadno podporovat stávající proudovou smyčku a rozhraní protokolu HART pomocí D/A převodníku 4-20 mA AD5421 a modemových obvodů HART AD5700 od společnosti Analog Devices.

Řešení průmyslové automatizace vyžadují vyšší úrovně napětí a šířky pásma, než jaké mohou podporovat dřívější metody, což vyvolává poptávku po možnostech připojení například s použitím standardu fyzické vrstvy 10BASE-T1L. Konstruktéři mohou rychle implementovat konektivitu 10BASE-T1L pomocí obvodu ADIN1100 nebo ADIN1110 od společnosti Analog Devices. Zatímco obvod ADIN1100 nabízí transceiver fyzické vrstvy (PHY) pro návrhy, obvod ADIN1110 integruje jak PHY transceiver, tak i rozhraní pro řízení přístupu k médiím (MAC), což umožňuje použití procesorů s nízkou spotřebou energie bez integrovaného rozhraní MAC.

Rozšíření a vylepšení mobilních přístrojů pro speciální požadavky

Přidáním nebo nahrazením několika součástí mohou konstruktéři rozšířit a vylepšit konstrukci tlakového senzoru znázorněného obrázku 3 a vytvořit tak připojený mobilní přístroj potřebný pro konkrétní aplikaci. Například návrh elektromagnetického vysílače průtoku může používat stejnou celkovou architekturu vytvořenou pouhým přidáním nebo odebráním několika součástí podle potřeby (obrázek 5).

Obrázek 5: konstruktéři mohou rychle reagovat na nové potřeby rozhraní snímačů, jako jsou požadavky na elektromagnetický převodník průtoku na obrázku, a přitom znovu využívat prvky stávající konstrukce mobilního přístroje. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro tuto aplikaci splňuje celkové požadavky mnoho stejných komponent, pouze je vyžadováno jiné senzorové rozhraní. Konstruktéři mohou vyhovět novým požadavkům na senzorové rozhraní pomocí vhodného přístrojového zesilovače, například obvodu AD8422, DC-DC regulátoru ADP2441 a izolovaného hradlového budiče ADuM4121 od společnosti Analog Devices pro zajištění zdroje konstantního budicího proudu potřebného pro převodník průtoku.

Další dostupné stavební bloky jsou zaměřené na vznikající specializované požadavky. Například připojené inteligentní mobilní přístroje mohou vyžadovat šifrovací a autentizační funkce na ochranu proti úniku dat a zajištění integrity řídicích instrukcí předávaných z hostitelského zařízení do přístroje v souladu s nejnovějšími požadavky normy IEC 62443. V takovém případě mohou konstruktéři k výpočtu klíče relace pro použití při šifrování AES zpráv využít bezpečnostní koprocesor MAXQ1065 s ultranízkým výkonem od společnosti Analog Devices.

Závěr

Sofistikované aplikace průmyslové automatizace jsou založeny na funkcích inteligentních mobilních přístrojů a mohou podporovat větší počet různých senzorů a akčních členů. Pro efektivní návrh těchto přístrojů mohou nyní konstruktéři čerpat z komplexní sady zařízení na podporu náročnějších senzorových rozhraní, procesorů, napájení a požadavků na konektivitu.