Владимир Рентюк
Интеллектуальные измерительные приборы: «умный» путь в «Индустрию 4.0»
Статья опубликована в журнале "Компоненты и Технологии" № 11 2019 г.
Для «умного» мониторинга, управления и обратной связи в быстрорастущем индустриальном «Интернете вещей» целесообразно использовать универсальные специально разработанные интеллектуальные передатчики — они отличаются низкой стоимостью, малой потребляемой мощностью и компактностью. Статья написана на основе авторского перевода [1] и содержит ряд дополнений.
Введение
Благодаря развитию технологий и промышленности человечество все время продвигается к новым высотам. Эти события отмечены большими скачками, или вехами в технологической истории, известной как промышленные революции. Теперь мы подошли к новому этапу развития — четвертой промышленной революции, получившей название «Индустрия 4.0» (The Fourth Industrial Revolution, Industry 4.0) — это прогнозируемое событие, предусматривающее массовое внедрение киберфизических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей, включая быт, труд и досуг. Первая промышленная революция ознаменовалась использованием
для нужд производства энергии пара и воды, вторая — массовым распространением конвейерного производства с применением электричества, третья — внедрением компьютеров и автоматизации, и именно это открыло нам путь в «Индустрию 4.0». В четвертой промышленной
революции акцент сместился на цифровую автоматизацию заводов с упором на массовое внедрение в сферу производства интеллектуальных автономных киберфизических систем, которые станут активно использовать огромные массивы данных (так называемые большие
данные) и алгоритмы машинного обучения для повышения эффективности производства. Именно это и требуется, чтобы сделать производство более гибкими, приспособленным к сегодняшним реалиям и конкурентоспособным в зарождающемся «цифровом мире».
И это не отдаленная перспектива: уже сейчас для повышения эффективности во всех сферах деятельности используется автоматизации управления, широкая аналитика на основе больших и исторических данных. Таким образом, возможно не только эффективное управление текущими технологическими и производственными процессами, но и переход от планового к профилактическому (так называемому прогнозному) техническому обслуживанию. В наше время
быстрого реагирования на требования рынков и высокой динамики спроса простои машин обходятся дорого.
Кроме того, полностью связанные в единую сеть операции гарантированно улучшают переработку сырья и полуфабрикатов, помогают предотвратить перебои в производстве. При этом могут быть
лучше спланированы маршруты и цепочки поставок, устранено накапливание излишних складских запасов материалов и комплектующих и, соответственно, минимизированы затраты на хранение.
Все это, вместе взятое, позволяет увеличить объемы производства и повысить эффективность труда, а значит, и прибыль предприятия.
«Индустрия 4.0» ориентирована не только на новые разработки. Еще одним элементом, который учитывает фактор стоимости, является использование и расширение возможностей уже существующих инфраструктур, что важно для достижения быстрой амортизации, то есть перенесения по частям стоимости основных средств и нематериальных активов по мере их физического или морального износа на стоимость производимой продукции, цифровой фабрики.
С другой стороны, для собственников «умных» заводов важными критериями, которые должны учитываться при анализе затрат и выгод перехода на следующую ступень «Индустрии 4.0» (то, что сейчас называют цифровизацией1), являются затраты на приобретение и отсутствие значительных структурных изменений, поэтому они будут искать именно такие решения.
Интеллектуальные передатчики как основа перехода к «Индустрии 4.0»
Ключевым аспектом реализации «умной» фабрики и ее цифровизации является использование полевых измерительных приборов, обладающих интеллектом, а их основу и составляют так называемые интеллектуальные передатчики. Именно они поддерживают заводской мониторинг и диагностику оборудования, связь с новыми полевыми (то есть не централизованного, а рассредоточенного по предприятию оборудования) измерительными приборами. Эти передатчики могут быть распределены по всей технологической установке или производственной линии. Здесь могут быть подключены различные датчики: измерители тех или иных физических характеристик процесса (температура, давление, расход и т. п.) и поведения оборудования (нагрев, вибрация, энергопотребление и т. п.), при этом в новых условиях могут контролироваться и отдельные части оборудования, ранее не подключенные к системе контроля и сбора данных.
Полевые измерительные приборы составляют универсальную интеллектуальную базовую единицу индустриального «Интернета вещей» и основу «Индустрии 4.0», позволяющую накапливать большие данные и создавать историческую базу хода процесса и поведения оборудования. На основании этих данных система управления «умного» предприятия станет вырабатывать аналитику, а на ее основе будут приниматься те или иные соответствующие текущей ситуации решения, включая предупредительные, опережающие действия по недопущению брака и простоев.
В статье мы рассмотрим такую базовую единицу на примере практической реализации универсального измерительного прибора, который можно использовать с различными датчиками, в том числе термометры на основе сопротивления, термопары и датчики давления.
Такой прибор может быть введен без больших затрат в уже имеющуюся инфраструктуру предприятия. Но для начала определим, как мы должны решать данную проблему, чтобы сделать это эффективно и с технической, и с экономической точки зрения.
Общие вопросы проектирования интеллектуальных полевых измерителей
Разработанные как замена для полевых измерительных приборов, обычно используемых в настоящее время, интеллектуальные передатчики являются интеллектуальными полевыми измерительными приборами, которые питаются либо от токовой петли, либо от вспомогательного источника энергии. Кроме того, интеллектуальный передатчик, помимо других компонентов, использует микропроцессор, содержащий программное обеспечение, необходимое для создания интеллектуального передатчика. Однако ПО микроконтроллера не должно использоваться исключительно и только для хранения интеллекта полевого измерителя. В нем могут быть интегрированы иные функции, такие как диагностика и функции безопасности, обработка данных от других модулей, например от аналого-цифровых преобразователей (АЦП), так что микроконтроллер может содержать дополнительное программное обеспечение для их обработки.
Интеллектуальные передатчики обычно используют стандартную токовую петлю 4–20 мА, которая ограничивает максимальное потребление энергии передатчиком. Поэтому потребление соответствующих компонентов должно быть строго ограничено. Если используется так называемый низкий аварийный ток 3,2 мА, то возможный предел потребления ограничивается этими 3,2 мА. Тенденции в интеллектуальных передатчиках включают низкое энергопотребление,
жесткие требования к занимаемому пространству, большую функциональность, лучшую производительность, высокую безопасность и профилактическое (прогнозное, а не по факту уже состоявшегося отказа) техническое обслуживание (рис. 1).
Введение
Благодаря развитию технологий и промышленности человечество все время продвигается к новым высотам. Эти события отмечены большими скачками, или вехами в технологической истории, известной как промышленные революции. Теперь мы подошли к новому этапу развития — четвертой промышленной революции, получившей название «Индустрия 4.0» (The Fourth Industrial Revolution, Industry 4.0) — это прогнозируемое событие, предусматривающее массовое внедрение киберфизических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей, включая быт, труд и досуг. Первая промышленная революция ознаменовалась использованием
для нужд производства энергии пара и воды, вторая — массовым распространением конвейерного производства с применением электричества, третья — внедрением компьютеров и автоматизации, и именно это открыло нам путь в «Индустрию 4.0». В четвертой промышленной
революции акцент сместился на цифровую автоматизацию заводов с упором на массовое внедрение в сферу производства интеллектуальных автономных киберфизических систем, которые станут активно использовать огромные массивы данных (так называемые большие
данные) и алгоритмы машинного обучения для повышения эффективности производства. Именно это и требуется, чтобы сделать производство более гибкими, приспособленным к сегодняшним реалиям и конкурентоспособным в зарождающемся «цифровом мире».
И это не отдаленная перспектива: уже сейчас для повышения эффективности во всех сферах деятельности используется автоматизации управления, широкая аналитика на основе больших и исторических данных. Таким образом, возможно не только эффективное управление текущими технологическими и производственными процессами, но и переход от планового к профилактическому (так называемому прогнозному) техническому обслуживанию. В наше время
быстрого реагирования на требования рынков и высокой динамики спроса простои машин обходятся дорого.
Кроме того, полностью связанные в единую сеть операции гарантированно улучшают переработку сырья и полуфабрикатов, помогают предотвратить перебои в производстве. При этом могут быть
лучше спланированы маршруты и цепочки поставок, устранено накапливание излишних складских запасов материалов и комплектующих и, соответственно, минимизированы затраты на хранение.
Все это, вместе взятое, позволяет увеличить объемы производства и повысить эффективность труда, а значит, и прибыль предприятия.
«Индустрия 4.0» ориентирована не только на новые разработки. Еще одним элементом, который учитывает фактор стоимости, является использование и расширение возможностей уже существующих инфраструктур, что важно для достижения быстрой амортизации, то есть перенесения по частям стоимости основных средств и нематериальных активов по мере их физического или морального износа на стоимость производимой продукции, цифровой фабрики.
С другой стороны, для собственников «умных» заводов важными критериями, которые должны учитываться при анализе затрат и выгод перехода на следующую ступень «Индустрии 4.0» (то, что сейчас называют цифровизацией1), являются затраты на приобретение и отсутствие значительных структурных изменений, поэтому они будут искать именно такие решения.
Интеллектуальные передатчики как основа перехода к «Индустрии 4.0»
Ключевым аспектом реализации «умной» фабрики и ее цифровизации является использование полевых измерительных приборов, обладающих интеллектом, а их основу и составляют так называемые интеллектуальные передатчики. Именно они поддерживают заводской мониторинг и диагностику оборудования, связь с новыми полевыми (то есть не централизованного, а рассредоточенного по предприятию оборудования) измерительными приборами. Эти передатчики могут быть распределены по всей технологической установке или производственной линии. Здесь могут быть подключены различные датчики: измерители тех или иных физических характеристик процесса (температура, давление, расход и т. п.) и поведения оборудования (нагрев, вибрация, энергопотребление и т. п.), при этом в новых условиях могут контролироваться и отдельные части оборудования, ранее не подключенные к системе контроля и сбора данных.
Полевые измерительные приборы составляют универсальную интеллектуальную базовую единицу индустриального «Интернета вещей» и основу «Индустрии 4.0», позволяющую накапливать большие данные и создавать историческую базу хода процесса и поведения оборудования. На основании этих данных система управления «умного» предприятия станет вырабатывать аналитику, а на ее основе будут приниматься те или иные соответствующие текущей ситуации решения, включая предупредительные, опережающие действия по недопущению брака и простоев.
В статье мы рассмотрим такую базовую единицу на примере практической реализации универсального измерительного прибора, который можно использовать с различными датчиками, в том числе термометры на основе сопротивления, термопары и датчики давления.
Такой прибор может быть введен без больших затрат в уже имеющуюся инфраструктуру предприятия. Но для начала определим, как мы должны решать данную проблему, чтобы сделать это эффективно и с технической, и с экономической точки зрения.
Общие вопросы проектирования интеллектуальных полевых измерителей
Разработанные как замена для полевых измерительных приборов, обычно используемых в настоящее время, интеллектуальные передатчики являются интеллектуальными полевыми измерительными приборами, которые питаются либо от токовой петли, либо от вспомогательного источника энергии. Кроме того, интеллектуальный передатчик, помимо других компонентов, использует микропроцессор, содержащий программное обеспечение, необходимое для создания интеллектуального передатчика. Однако ПО микроконтроллера не должно использоваться исключительно и только для хранения интеллекта полевого измерителя. В нем могут быть интегрированы иные функции, такие как диагностика и функции безопасности, обработка данных от других модулей, например от аналого-цифровых преобразователей (АЦП), так что микроконтроллер может содержать дополнительное программное обеспечение для их обработки.
Интеллектуальные передатчики обычно используют стандартную токовую петлю 4–20 мА, которая ограничивает максимальное потребление энергии передатчиком. Поэтому потребление соответствующих компонентов должно быть строго ограничено. Если используется так называемый низкий аварийный ток 3,2 мА, то возможный предел потребления ограничивается этими 3,2 мА. Тенденции в интеллектуальных передатчиках включают низкое энергопотребление,
жесткие требования к занимаемому пространству, большую функциональность, лучшую производительность, высокую безопасность и профилактическое (прогнозное, а не по факту уже состоявшегося отказа) техническое обслуживание (рис. 1).
Рис. 1. Ключевыми тенденциями для интеллектуальных передатчиков в рамках «Индустрии 4.0» являются низкое собственное энергопотребление, малое занимаемое пространство и прогнозное техническое обслуживание
Типичная цепочка сигналов интеллектуального передатчика пока зана на рис. 2. Такой измерительный прибор содержит датчик и АЦП, который часто состоит из аналогового внешнего интерфейса и аналогового блока предварительной обработки. С АЦП цифровой сигнал
подается через изолирующий барьер в микропроцессор, а затем в интерфейс. В настоящее время в системах автоматизации предприятия в качестве интерфейса, как правило, используется двухпроводное решение в виде токовой петли 4–20 мА, при этом для передачи цифрового сигнала здесь требуется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
подается через изолирующий барьер в микропроцессор, а затем в интерфейс. В настоящее время в системах автоматизации предприятия в качестве интерфейса, как правило, используется двухпроводное решение в виде токовой петли 4–20 мА, при этом для передачи цифрового сигнала здесь требуется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Рис. 2. Типичная блок-схема цепочки передачи сигналов интеллектуального передатчика
Для обмена информацией предусмотрена технология HART (Highway Addressable Remote Transducer — магистральный адресуемый дистанционный преобразователь). В общем понимании это набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей, предназначенный для подключения промышленных датчиков, он позволяет передавать цифровые данные и питание по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта, токовая петля 4–20 мА позволяет использовать интерфейс в двух направлениях. Если диспетчерская также совместима с HART, то по интерфейсу могут передаваться более сложные данные, чем это
доступно при аналоговом варианте токовой петли, а полевые измерительные приборы, в свою очередь, получают больше преимуществ.
Пример реализации интеллектуального передатчика на основе микросхем компании Analog Devices
На рис. 3 показана принципиальная схема, а на рис. 4 — внешняя оценочная плата интеллектуального передатчика CN0382 [2], разработанная для иллюстрации возможности обеспечения особо высокой эффективности в условиях минимального энергопотребления и экономии занимаемого пространства. Схема измерителя и передатчика выполнена на основе микросхем компании Analog Devices (у ряда поставщиков оценочная плата доступна под номером DEMO-AD7124‑DZ).
доступно при аналоговом варианте токовой петли, а полевые измерительные приборы, в свою очередь, получают больше преимуществ.
Пример реализации интеллектуального передатчика на основе микросхем компании Analog Devices
На рис. 3 показана принципиальная схема, а на рис. 4 — внешняя оценочная плата интеллектуального передатчика CN0382 [2], разработанная для иллюстрации возможности обеспечения особо высокой эффективности в условиях минимального энергопотребления и экономии занимаемого пространства. Схема измерителя и передатчика выполнена на основе микросхем компании Analog Devices (у ряда поставщиков оценочная плата доступна под номером DEMO-AD7124‑DZ).
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема оценочной платы интеллектуального передатчика CN0382, выполненного на микросхемах компании Analog Devices
Рис. 4. Оценочная плата интеллектуального передатчика CN0382, выполненного на микросхемах компании Analog Devices
На основе платы CN0382 в предлагаемой статье показана реализация базовой схемы интеллектуального передатчика для измерения давления (рис. 5), который помогает удовлетворить изложенным ранее требованиям к системам «Индустрии 4.0» и демонстрирует вы-
сокую точность измерения при низком энергопотреблении. Такжеболее подробно описана роль основных компонентов.
Схема, показанная на рис. 3, представляет собой изолированный интеллектуальный индустриальный полевой измерительный прибор, который может использоваться с разными типами аналоговых датчиков, таких как датчики температуры (Pt100, Pt1000 и термопара)
или мостовой датчик давления, как в примере на рис. 5.
сокую точность измерения при низком энергопотреблении. Такжеболее подробно описана роль основных компонентов.
Схема, показанная на рис. 3, представляет собой изолированный интеллектуальный индустриальный полевой измерительный прибор, который может использоваться с разными типами аналоговых датчиков, таких как датчики температуры (Pt100, Pt1000 и термопара)
или мостовой датчик давления, как в примере на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема базового варианта интеллектуального передатчика для измерения давления,
выполненного на основе платы интеллектуального передатчика CN0382 компании Analog Devices
выполненного на основе платы интеллектуального передатчика CN0382 компании Analog Devices
Измерять нужно точно, а потреблять мало
Основа измерительной схемы использует отличающийся сверхнизким собственным энергопотреблением аналого-цифровой преобразователь (АЦП) компании Analog Devices AD7124-4 [3], включающий все функции, необходимые для систем измерения температуры
и давления.
АЦП AD7124-4 представляет собой полностью интегрированный аналоговый входной интерфейс для прецизионного измерения с малым энергопотреблением. Он содержит 24‑разрядный Σ-Δ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с низким шумом и может быть сконфигурирован для работы с четырьмя дифференциальными или семью несимметричными/ псевдодифференциальными входными сигналами. Интегрированный усилительный каскад с малым коэффициентом усиления позволяет подавать слабые сигналы непосредственно на АЦП и не требует ни внешнего инструментального, ни операционного усилителя.
Одно из основных преимуществ AD7124-4 заключается в том, что он предоставляет пользователю возможность выбрать один из трех интегрированных режимов энергопотребления. Выбранный режим определяет потребляемый ток, диапазон скоростей обновления выходных данных и среднеквадратическое значение шума. Компонент также имеет несколько вариантов фильтрации, что позволяет пользователю получить максимальную степень свободы проектирования.
Кроме того, АЦП AD7124-4 поддерживает независимое конфигурирование каждого отдельного канала и помогает реализовать до восьми конфигурационных настроек. Каждая конфигурация имеет опции коэффициента усиления, типа фильтра, частоты обновления выходных данных, буферизации и источника опорного напряжения. Пользователь может назначать любую из этих конфигураций любому из каналов в произвольном порядке.
Еще одна характерная особенность микросхемы AD7124-4 — встроенные широкие возможности ее функциональной диагностики, позволяющие повысить устойчивость решения. Они предусматривают проверку данных с использованием контрольной суммы (Checksum Recovery
Correction, CRC), а также проверку стабилизатора напряжения (LDO), работоспособности модуляторов АЦП и фильтра, работоспособность последовательного интерфейса (SPI), проверку питания на перенапряжение или недопустимо пониженное напряжение. То есть предполагается проверка всей сигнальной цепочки и работоспособности последовательного интерфейса. Эти диагностические функции уменьшают число внешних компонентов, необходимых для ее реализации, сокращая требуемое для АЦП пространство на печатной плате, время проектирова-
ния и стоимость конечного решения. Не менее важным здесь является широкий температурный диапазон AD7124-4 –40…+125 °C и высокая стойкость к электростатическому разряду (4 кВ), что гарантирует микросхеме надежную работу даже в крайне жесткой индустриальной среде.
Кроме того, АЦП AD7124-4 имеет программируемый источник питания, который необходим, например, для пассивных датчиков температуры, а для большей гибкости также предусмотрено три различных режима питания.
Точность и скорость передачи выходных данных определяется выбором соответствующего режима мощности. В результате также можно использовать полевой измерительный прибор с пределом мощности ниже 3,2 мА, что предоставляет возможность подключения более мощных микропроцессоров или дополнительных датчиков для параллельных измерений.
Разделяй — не ошибешься
Должная изоляция (гальваническая развязка) является важным требованием для полевого измерительного прибора. Неадекватная изоляция может привести к контурам заземления и перенапряжениям, которые при передаче через двухпроводное соединение могут повредить не только сам прибор, но и подключенный к нему программируемый логический контроллер (ПЛК) [5]. Однако хорошая система гальванической изоляция часто бывает энергозатратной, и ее потребление мощности выходит за пределы ограничения тока для полевых измерительных приборов с питанием непосредственно от токовой петли.
Тем не менее есть и подходящие решения — так, в примере для данной статьи (рис. 3, 5) используется современный эффективный цифровой изолятор ADuM1441 [4] компании Analog Devices со сверхнизким собственным энергопотреблением, который обеспечивает изоляцию последовательного периферийного интерфейса (SPI).
Особенностью цифрового изолятора ADuM1441, поддерживающего высокие характеристики в сочетании с экономичностью решения, является то, что он производится компанией Analog Devices по уже давно и хорошо зарекомендовавшим себя запатентованным технологиям iCoupler и isoPower. В основе технологии iCoupler лежит магнитная связь, по сути своей это трансформаторы. Пояснение работы цифрового изолятора приведено на рис. 6 (подробно в [6]).
Основа измерительной схемы использует отличающийся сверхнизким собственным энергопотреблением аналого-цифровой преобразователь (АЦП) компании Analog Devices AD7124-4 [3], включающий все функции, необходимые для систем измерения температуры
и давления.
АЦП AD7124-4 представляет собой полностью интегрированный аналоговый входной интерфейс для прецизионного измерения с малым энергопотреблением. Он содержит 24‑разрядный Σ-Δ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с низким шумом и может быть сконфигурирован для работы с четырьмя дифференциальными или семью несимметричными/ псевдодифференциальными входными сигналами. Интегрированный усилительный каскад с малым коэффициентом усиления позволяет подавать слабые сигналы непосредственно на АЦП и не требует ни внешнего инструментального, ни операционного усилителя.
Одно из основных преимуществ AD7124-4 заключается в том, что он предоставляет пользователю возможность выбрать один из трех интегрированных режимов энергопотребления. Выбранный режим определяет потребляемый ток, диапазон скоростей обновления выходных данных и среднеквадратическое значение шума. Компонент также имеет несколько вариантов фильтрации, что позволяет пользователю получить максимальную степень свободы проектирования.
Кроме того, АЦП AD7124-4 поддерживает независимое конфигурирование каждого отдельного канала и помогает реализовать до восьми конфигурационных настроек. Каждая конфигурация имеет опции коэффициента усиления, типа фильтра, частоты обновления выходных данных, буферизации и источника опорного напряжения. Пользователь может назначать любую из этих конфигураций любому из каналов в произвольном порядке.
Еще одна характерная особенность микросхемы AD7124-4 — встроенные широкие возможности ее функциональной диагностики, позволяющие повысить устойчивость решения. Они предусматривают проверку данных с использованием контрольной суммы (Checksum Recovery
Correction, CRC), а также проверку стабилизатора напряжения (LDO), работоспособности модуляторов АЦП и фильтра, работоспособность последовательного интерфейса (SPI), проверку питания на перенапряжение или недопустимо пониженное напряжение. То есть предполагается проверка всей сигнальной цепочки и работоспособности последовательного интерфейса. Эти диагностические функции уменьшают число внешних компонентов, необходимых для ее реализации, сокращая требуемое для АЦП пространство на печатной плате, время проектирова-
ния и стоимость конечного решения. Не менее важным здесь является широкий температурный диапазон AD7124-4 –40…+125 °C и высокая стойкость к электростатическому разряду (4 кВ), что гарантирует микросхеме надежную работу даже в крайне жесткой индустриальной среде.
Кроме того, АЦП AD7124-4 имеет программируемый источник питания, который необходим, например, для пассивных датчиков температуры, а для большей гибкости также предусмотрено три различных режима питания.
Точность и скорость передачи выходных данных определяется выбором соответствующего режима мощности. В результате также можно использовать полевой измерительный прибор с пределом мощности ниже 3,2 мА, что предоставляет возможность подключения более мощных микропроцессоров или дополнительных датчиков для параллельных измерений.
Разделяй — не ошибешься
Должная изоляция (гальваническая развязка) является важным требованием для полевого измерительного прибора. Неадекватная изоляция может привести к контурам заземления и перенапряжениям, которые при передаче через двухпроводное соединение могут повредить не только сам прибор, но и подключенный к нему программируемый логический контроллер (ПЛК) [5]. Однако хорошая система гальванической изоляция часто бывает энергозатратной, и ее потребление мощности выходит за пределы ограничения тока для полевых измерительных приборов с питанием непосредственно от токовой петли.
Тем не менее есть и подходящие решения — так, в примере для данной статьи (рис. 3, 5) используется современный эффективный цифровой изолятор ADuM1441 [4] компании Analog Devices со сверхнизким собственным энергопотреблением, который обеспечивает изоляцию последовательного периферийного интерфейса (SPI).
Особенностью цифрового изолятора ADuM1441, поддерживающего высокие характеристики в сочетании с экономичностью решения, является то, что он производится компанией Analog Devices по уже давно и хорошо зарекомендовавшим себя запатентованным технологиям iCoupler и isoPower. В основе технологии iCoupler лежит магнитная связь, по сути своей это трансформаторы. Пояснение работы цифрового изолятора приведено на рис. 6 (подробно в [6]).
Рис. 6. Пояснение работы цифрового изолятора ADuM1441 компании Analog Devices, выполненного по технологии: а) iCoupler; б) isoPower
Благодаря сочетанию монолитных трансформаторов iCoupler и быстродействующих КМОП-схем ADuM1441 обеспечивает показатели, превосходящие характеристики альтернативных устройств,
например оптопар, потребляя при этом наименьшую среди любых доступных компонентов гальванической развязки мощность. Для низких скоростей передачи данных ему требуется гораздо меньше энергии, чем в предыдущих решениях, что позволило обеспечить адекватную изоляцию в рамках заданных пределов энергопотребления. При рабочем напряжение 3,3 В (тип.) потребляемый при активной регенерации цифровым изолятором ADuM1441 ток составляет
всего 5,6 мкА на канал.
Кроме того, как уже было сказано, в микросхеме ADuM1441 используется технология isoPower, которая обеспечивает питание собственных каскадов на изолированной стороне и питание АЦП AD7124-4. Наличие уже интегрированного изолированного DC/DC-преобразователя в едином корпусе с изолированными каналами интерфейса позволило реализовывать гальваническую развязку без дополнительного изолированного источника питания и, соответственно, дало выигрыш по стоимости, размеру, производительности и надежности.
По сравнению с большинством четырехканальных изоляторов, которые выпускаются в широком корпусе SOIC, ADuM1441 изготавливается в корпусах QSOP и SSOP и занимают почти на 70%
меньше площади на печатной плате, сохраняя при этом устойчивость к воздействию высоких напряжений и удовлетворяя требованиям регламентирующих стандартов, включая стандарты UL и CSA. Компоненты семейства четырехканальных цифровых изоляторов в корпусах QSOP выдерживают напряжение 2500 В (с. к.з. в течение 1 мин) и 3750 В (с. к.з. в течение 1 мин) в исполнении SSOP. Как и у AD7124-4, диапазон рабочих температур ADuM1441 составляет
–40…+125 °C при допустимой температуре корпуса +189,8 °C (в корпусах QSOP) и +218 °C (в корпусах SSOP), что отвечает требованиям большинства индустриальных приложений.
Где скрывается интеллект?
Еще один важный компонент полевого измерительного прибора, кроме АЦП AD7124 и изолятора ADuM1441, — микроконтроллер. Именно он является сосредоточением интеллекта рассматриваемых измерителей.
Как правило, здесь используются микроконтроллеры на базе архитектуры ARM, такие как ADuCM3027 [7] или ADuCM3029 [8]. Их потребление в активном режиме не превышает 38 мкА/МГц, что делает эти устройства идеальными для интеллектуальных передатчиков.
ARM-микроконтроллеры широко распространены в промышленности и, следовательно, подходят для приложений, связанных с безопасностью. Для обеспечения дополнительных функций безопасности микроконтроллеры ADuCM3027/ADuCM3029 включают шифрование AES‑128/AES‑256 (AES, Advanced Encryption Standard, также известный под своим оригинальным названием Rijndael (Рэндал), — это симметричный алгоритм блочного шифрования, размер блока
128 бит, ключ 128/192/256 бит) [9]. Так что на них может быть запрограммировано интеллектуальное ПО, которое, как уже говорилось ранее, позволяет выполнять диагностику, например калибровку AD7124, и гарантирует, что полевой прибор обеспечивает заданную
точность измерения.
Сделаем это с HART!
Другой не менее важный компонент, обеспечивающий двухстороннюю цифровую связь интеллектуального измерителя с внешним миром, — модем HART.
Протокол HART позволяет разумно проектировать полевые приборы без особых требований к инфраструктуре. Его можно использовать в токовой петле 4–20 мА, хотя для этого понадобится ведомое и ведущее устройство HART. HART позволяет установить соединение между полевым прибором и ПЛК, чем создает интеллектуальную связь между диспетчерской и удаленным измерителем.
В HART применяется модуляция FSK (frequency shift keying, кодирование с изменением частот при передаче). Ток уровнем 1 мА модулируется поверх стандартного аналогового сигнала токовой петли. Интерфейс HART позволяет использовать такие функции, как дистанционная калибровка и опрос об ошибках, передача переменных контролируемого процесса, необходимых в разных приложениях, в том числе при управлении температурой и давлением.
Для реализации интеллектуального передатчика требуется модем HART с подключением к HART-совместимому ЦАП. Устройства должны быть высокоинтегрированы и иметь низкое энергопотре-
бление. Эти два фактора — жесткие ограничения к занимаемому пространству и низкое энергопотребление являются одними из основных предпосылок для «Индустрии 4.0» (пример практической реализации современной системы на основе HART в [10]).
С этой целью специалистами компании Analog Devices был разработан HART-модем со сверхнизким энергопотреблением AD5700 [11]. Именно этот модем, который ко всему прочему является самым дешевым, отвечающим требованиям HART в отрасли, был выбран для изолированной схемы интеллектуального измерителя (рис. 3, 5). В AD570 передача данных синусоидальными сигналами осуществляется с частотой 1200 и 2200 Гц, он выполнен в корпусе LFCSP размером 4*4 мм и имеет диапазон рабочих температур –40…+125 °C.
Превращаем аналог в цифру
Последним основным блоком современного полевого измерительного прибора является цифро-аналоговый преобразователь. Здесь также в соответствии с требованиями «Индустрии 4.0» необходимо учитывать низкое энергопотребление и высокую степень интеграции. ЦАП является ключевым компонентом всей схемы, замыкающей ее интеллектуальное решение, поэтому для того, чтобы сэкономить место на печатной плате, в него интегрируется как можно больше, по максимуму. Примером служат встроенные в него два линейных стабилизатора. От одного питается весь полевой измеритель на неизолированной стороне, а второй нужен для передачи питания через изолятор ADuM1441 непосредственно на схему измерения. Кроме того, он обеспечивает связь с ПЛК и, таким образом, предполагает управление и мониторинг устройства. Одним из ЦАП, который хорошо сочетается с модемом HART, является AD5421 [12], также выпускаемый компа-
нией Analog Devices. AD5421 выполнен в компактном корпусе TSSOP и имеет диапазон рабочих температур –40…+105 °C.
В качестве вспомогательных элементов в схеме интеллектуального измерителя используется КМОП-переключатель ADG5433 [13] с цифровым управлением, задача которого генерировать импульсное напряжение для передачи через изолятор питания на измерительную часть, и выполненный по технологии КМОП линейный стабилизатор напряжения ADP162 [14] с сверхмалым собственным потреблением, обеспечивающий питание напряжением 3,3 В для интеллектуальной
и передающей части.
Заключение
Описанная здесь сигнальная цепочка иллюстрирует возможное практическое решение промышленного полевого прибора для измерения давления или температуры с питанием от токовой петли, который отвечает требованиям «Индустрии 4.0». Этот интеллектуальный передатчик можно использовать для интеллектуального мониторинга в режиме реального времени, управления и обратной связи. Он был специально разработан для компактного размещения при низком собственном энергопотреблении и может легко вписаться в уже имеющуюся инфраструктуру предприятия.
Как можно видеть из данной статьи, в связи с высокой доступностью современной элементной базы, такой, какую предлагает компания Analog Devices, можно создавать интеллектуальные из-
мерительные приборы, которые благодаря более простому решению легко помогают вписаться новым и уже действующим предприятиям в концепцию «Индустрии 4.0». Они открывают путь к прогнозному техническому обслуживанию с меньшими затратами и дают потенциально высокий прирост эффективности. Кроме того, высокие технические характеристики описанных продуктов компании Analog Device не только обеспечивают соблюдение требований стандартов электрической безопасности, но и гарантируют безопасность передачи данных и открывают пути получения дополнительной информации, которая может передаваться по протоколу HART по стандартной токовой петле 4–20 мА.
Не нужно думать, будто все, что касается «Индустрии 4.0», — это прекрасно только для новых или крупных предприятий, а для простого производителя остается фантастикой и несбыточными мечтами. Эта технология поможет даже небольшим компаниям успешно конкурировать с крупными фирмами, особенно в отношении повышения эффективности управления предприятием, контроля оборудования и уровня гибкости при выпуске продукции, который ожидают от них клиенты [15]. Главное, помнить: кто промедлил — тот опоздал.
Литература
1. Käemmerer Chr. Intelligent Field Instruments: The Smart Way to Industry 4.0.
www.analog.com/media/en/technical-documentation/te...
Intelligent-Field-Instruments-The-Smart-Way-to-Industry‑4-0.pdf
2. CN0382. Isolated 4 mA to 20 mA/HART Temperature and Pressure Industrial
Transmitter Using a Low Power, Precision, 24‑Bit, Sigma-Delta ADC.
www.analog.com/ru/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0382.html
3. AD7124-4. Четырехканальный 24‑разрядный сигма-дельта АЦП с низким
шумом, малым энергопотреблением, интегрированными усилителем и ис-
точником опорного напряжения.
www.analog.com/ru/products/ad7124-4.html#product-o...
4. ADUM1441. Микропотребляющий четырехканальный цифровой изолятор,
высокий логический уровень по умолчанию (конфигурация каналов 3/1).
www.analog.com/ru/products/adum1441.html#product-o...
5. Янг В., Му С., Хартманн Д. Новый подход к организации изоляции в модуле
аналогового ввода ПЛК // Компоненты и технологии. 2017. № 9.
6. Иоффе Д., Романов О. Изолирующие микросхемы на основе техноло-
гии iCoupler фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. 2006. № 7.
7. ADuCM3027. Ultra Low Power ARM Cortex-M3 MCU with Integrated Power
Management and 128 KB of Embedded Flash Memory.
www.analog.com/ru/products/aducm3027.html#product-...
8. ADuCM3029. Ultra Low Power ARM Cortex-M3 MCU with Integrated Power
Management and 256 KB of Embedded Flash Memory.
www.analog.com/ru/products/aducm3029.html
9. Моц М. Кибербезопасность на уровне микроконтроллеров //
IIoT. 2019. Июнь. www.controlengrussia.com/programmnye-sredstva/
bezopasnost-programmnye-sredstva/kiberbezopasnost-mk/
10. Оберле К. Увеличение объема информации о процессе с помощью
многопараметрических преобразователей // IIoT. 2019. Июнь.
www.controlengrussia.com/internet-veshhej/wireless...
11. AD5700. Малопотребляющий HART модем.
www.analog.com/ru/products/ad5700.html
12. AD5421. 16‑разрядный ЦАП с выходом тока 4–20 мА, последовательным
входом и питанием от токовой петли.
www.analog.com/ru/products/ad5421.html
13. ADG5433. High Voltage Latch-up Proof Triple SPDT Switches.
www.analog.com/ru/products/adg5433.html#product-ov...
14. ADP162. Линейный КМОП стабилизатор с крайне низким потребляемым
током, выходной ток 150 мА.
www.analog.com/ru/products/adp162.html
15. Дэниэлс М., Денис Г. Большой доход для маленькой фабрики: реализа-
ция Единого Предприятия на производстве печенья // Control Engineering
Россия. 2017. № 4
например оптопар, потребляя при этом наименьшую среди любых доступных компонентов гальванической развязки мощность. Для низких скоростей передачи данных ему требуется гораздо меньше энергии, чем в предыдущих решениях, что позволило обеспечить адекватную изоляцию в рамках заданных пределов энергопотребления. При рабочем напряжение 3,3 В (тип.) потребляемый при активной регенерации цифровым изолятором ADuM1441 ток составляет
всего 5,6 мкА на канал.
Кроме того, как уже было сказано, в микросхеме ADuM1441 используется технология isoPower, которая обеспечивает питание собственных каскадов на изолированной стороне и питание АЦП AD7124-4. Наличие уже интегрированного изолированного DC/DC-преобразователя в едином корпусе с изолированными каналами интерфейса позволило реализовывать гальваническую развязку без дополнительного изолированного источника питания и, соответственно, дало выигрыш по стоимости, размеру, производительности и надежности.
По сравнению с большинством четырехканальных изоляторов, которые выпускаются в широком корпусе SOIC, ADuM1441 изготавливается в корпусах QSOP и SSOP и занимают почти на 70%
меньше площади на печатной плате, сохраняя при этом устойчивость к воздействию высоких напряжений и удовлетворяя требованиям регламентирующих стандартов, включая стандарты UL и CSA. Компоненты семейства четырехканальных цифровых изоляторов в корпусах QSOP выдерживают напряжение 2500 В (с. к.з. в течение 1 мин) и 3750 В (с. к.з. в течение 1 мин) в исполнении SSOP. Как и у AD7124-4, диапазон рабочих температур ADuM1441 составляет
–40…+125 °C при допустимой температуре корпуса +189,8 °C (в корпусах QSOP) и +218 °C (в корпусах SSOP), что отвечает требованиям большинства индустриальных приложений.
Где скрывается интеллект?
Еще один важный компонент полевого измерительного прибора, кроме АЦП AD7124 и изолятора ADuM1441, — микроконтроллер. Именно он является сосредоточением интеллекта рассматриваемых измерителей.
Как правило, здесь используются микроконтроллеры на базе архитектуры ARM, такие как ADuCM3027 [7] или ADuCM3029 [8]. Их потребление в активном режиме не превышает 38 мкА/МГц, что делает эти устройства идеальными для интеллектуальных передатчиков.
ARM-микроконтроллеры широко распространены в промышленности и, следовательно, подходят для приложений, связанных с безопасностью. Для обеспечения дополнительных функций безопасности микроконтроллеры ADuCM3027/ADuCM3029 включают шифрование AES‑128/AES‑256 (AES, Advanced Encryption Standard, также известный под своим оригинальным названием Rijndael (Рэндал), — это симметричный алгоритм блочного шифрования, размер блока
128 бит, ключ 128/192/256 бит) [9]. Так что на них может быть запрограммировано интеллектуальное ПО, которое, как уже говорилось ранее, позволяет выполнять диагностику, например калибровку AD7124, и гарантирует, что полевой прибор обеспечивает заданную
точность измерения.
Сделаем это с HART!
Другой не менее важный компонент, обеспечивающий двухстороннюю цифровую связь интеллектуального измерителя с внешним миром, — модем HART.
Протокол HART позволяет разумно проектировать полевые приборы без особых требований к инфраструктуре. Его можно использовать в токовой петле 4–20 мА, хотя для этого понадобится ведомое и ведущее устройство HART. HART позволяет установить соединение между полевым прибором и ПЛК, чем создает интеллектуальную связь между диспетчерской и удаленным измерителем.
В HART применяется модуляция FSK (frequency shift keying, кодирование с изменением частот при передаче). Ток уровнем 1 мА модулируется поверх стандартного аналогового сигнала токовой петли. Интерфейс HART позволяет использовать такие функции, как дистанционная калибровка и опрос об ошибках, передача переменных контролируемого процесса, необходимых в разных приложениях, в том числе при управлении температурой и давлением.
Для реализации интеллектуального передатчика требуется модем HART с подключением к HART-совместимому ЦАП. Устройства должны быть высокоинтегрированы и иметь низкое энергопотре-
бление. Эти два фактора — жесткие ограничения к занимаемому пространству и низкое энергопотребление являются одними из основных предпосылок для «Индустрии 4.0» (пример практической реализации современной системы на основе HART в [10]).
С этой целью специалистами компании Analog Devices был разработан HART-модем со сверхнизким энергопотреблением AD5700 [11]. Именно этот модем, который ко всему прочему является самым дешевым, отвечающим требованиям HART в отрасли, был выбран для изолированной схемы интеллектуального измерителя (рис. 3, 5). В AD570 передача данных синусоидальными сигналами осуществляется с частотой 1200 и 2200 Гц, он выполнен в корпусе LFCSP размером 4*4 мм и имеет диапазон рабочих температур –40…+125 °C.
Превращаем аналог в цифру
Последним основным блоком современного полевого измерительного прибора является цифро-аналоговый преобразователь. Здесь также в соответствии с требованиями «Индустрии 4.0» необходимо учитывать низкое энергопотребление и высокую степень интеграции. ЦАП является ключевым компонентом всей схемы, замыкающей ее интеллектуальное решение, поэтому для того, чтобы сэкономить место на печатной плате, в него интегрируется как можно больше, по максимуму. Примером служат встроенные в него два линейных стабилизатора. От одного питается весь полевой измеритель на неизолированной стороне, а второй нужен для передачи питания через изолятор ADuM1441 непосредственно на схему измерения. Кроме того, он обеспечивает связь с ПЛК и, таким образом, предполагает управление и мониторинг устройства. Одним из ЦАП, который хорошо сочетается с модемом HART, является AD5421 [12], также выпускаемый компа-
нией Analog Devices. AD5421 выполнен в компактном корпусе TSSOP и имеет диапазон рабочих температур –40…+105 °C.
В качестве вспомогательных элементов в схеме интеллектуального измерителя используется КМОП-переключатель ADG5433 [13] с цифровым управлением, задача которого генерировать импульсное напряжение для передачи через изолятор питания на измерительную часть, и выполненный по технологии КМОП линейный стабилизатор напряжения ADP162 [14] с сверхмалым собственным потреблением, обеспечивающий питание напряжением 3,3 В для интеллектуальной
и передающей части.
Заключение
Описанная здесь сигнальная цепочка иллюстрирует возможное практическое решение промышленного полевого прибора для измерения давления или температуры с питанием от токовой петли, который отвечает требованиям «Индустрии 4.0». Этот интеллектуальный передатчик можно использовать для интеллектуального мониторинга в режиме реального времени, управления и обратной связи. Он был специально разработан для компактного размещения при низком собственном энергопотреблении и может легко вписаться в уже имеющуюся инфраструктуру предприятия.
Как можно видеть из данной статьи, в связи с высокой доступностью современной элементной базы, такой, какую предлагает компания Analog Devices, можно создавать интеллектуальные из-
мерительные приборы, которые благодаря более простому решению легко помогают вписаться новым и уже действующим предприятиям в концепцию «Индустрии 4.0». Они открывают путь к прогнозному техническому обслуживанию с меньшими затратами и дают потенциально высокий прирост эффективности. Кроме того, высокие технические характеристики описанных продуктов компании Analog Device не только обеспечивают соблюдение требований стандартов электрической безопасности, но и гарантируют безопасность передачи данных и открывают пути получения дополнительной информации, которая может передаваться по протоколу HART по стандартной токовой петле 4–20 мА.
Не нужно думать, будто все, что касается «Индустрии 4.0», — это прекрасно только для новых или крупных предприятий, а для простого производителя остается фантастикой и несбыточными мечтами. Эта технология поможет даже небольшим компаниям успешно конкурировать с крупными фирмами, особенно в отношении повышения эффективности управления предприятием, контроля оборудования и уровня гибкости при выпуске продукции, который ожидают от них клиенты [15]. Главное, помнить: кто промедлил — тот опоздал.
Литература
1. Käemmerer Chr. Intelligent Field Instruments: The Smart Way to Industry 4.0.
www.analog.com/media/en/technical-documentation/te...
Intelligent-Field-Instruments-The-Smart-Way-to-Industry‑4-0.pdf
2. CN0382. Isolated 4 mA to 20 mA/HART Temperature and Pressure Industrial
Transmitter Using a Low Power, Precision, 24‑Bit, Sigma-Delta ADC.
www.analog.com/ru/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0382.html
3. AD7124-4. Четырехканальный 24‑разрядный сигма-дельта АЦП с низким
шумом, малым энергопотреблением, интегрированными усилителем и ис-
точником опорного напряжения.
www.analog.com/ru/products/ad7124-4.html#product-o...
4. ADUM1441. Микропотребляющий четырехканальный цифровой изолятор,
высокий логический уровень по умолчанию (конфигурация каналов 3/1).
www.analog.com/ru/products/adum1441.html#product-o...
5. Янг В., Му С., Хартманн Д. Новый подход к организации изоляции в модуле
аналогового ввода ПЛК // Компоненты и технологии. 2017. № 9.
6. Иоффе Д., Романов О. Изолирующие микросхемы на основе техноло-
гии iCoupler фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. 2006. № 7.
7. ADuCM3027. Ultra Low Power ARM Cortex-M3 MCU with Integrated Power
Management and 128 KB of Embedded Flash Memory.
www.analog.com/ru/products/aducm3027.html#product-...
8. ADuCM3029. Ultra Low Power ARM Cortex-M3 MCU with Integrated Power
Management and 256 KB of Embedded Flash Memory.
www.analog.com/ru/products/aducm3029.html
9. Моц М. Кибербезопасность на уровне микроконтроллеров //
IIoT. 2019. Июнь. www.controlengrussia.com/programmnye-sredstva/
bezopasnost-programmnye-sredstva/kiberbezopasnost-mk/
10. Оберле К. Увеличение объема информации о процессе с помощью
многопараметрических преобразователей // IIoT. 2019. Июнь.
www.controlengrussia.com/internet-veshhej/wireless...
11. AD5700. Малопотребляющий HART модем.
www.analog.com/ru/products/ad5700.html
12. AD5421. 16‑разрядный ЦАП с выходом тока 4–20 мА, последовательным
входом и питанием от токовой петли.
www.analog.com/ru/products/ad5421.html
13. ADG5433. High Voltage Latch-up Proof Triple SPDT Switches.
www.analog.com/ru/products/adg5433.html#product-ov...
14. ADP162. Линейный КМОП стабилизатор с крайне низким потребляемым
током, выходной ток 150 мА.
www.analog.com/ru/products/adp162.html
15. Дэниэлс М., Денис Г. Большой доход для маленькой фабрики: реализа-
ция Единого Предприятия на производстве печенья // Control Engineering
Россия. 2017. № 4
1 Цифровизация — это средство получения желаемого исхода, а именно гибкого производства, приносящего клиентам отличный результат, а владельцам — более высокую прибыль. Цифровая трансформация — это процесс перевода предприятия в «гибкое» состояние из текущего.