Человечество постоянно развивается и достигает новых высот благодаря развитию технологий и промышленности. Эти события отмечены большими скачками или этапами в технологической истории, известной как промышленные революции. Теперь мы подошли к новому этапу: промышленность 4.0.
Первая, вторая и третья промышленные революции ознаменовались использованием энергии пара и воды для производства, массового производства с использованием электричества и компьютеризации, соответственно. В четвертой революции акцент сместился на цифровую автоматизацию заводов. Цифровая автоматизация используется во всех сферах деятельности компании для повышения эффективности за счет автоматического управления. С этим типом управления возможно профилактическое обслуживание, а также можно нарастить объемы производства и доступность товаров большему количеству потребителей. Посредством полностью сетевых операций маршруты поставок могут быть лучше спланированы, устранены затраты на хранение и гарантировано улучшено использование.
Во времена постоянно растущего спроса простои машин обходятся очень дорого. Объединенный в одну общую сеть завод (или несколько заводов) облегчает планирование и, следовательно, помогает предотвратить перебои в производстве.
Индустрия 4.0 ориентирована не только на новые разработки. Продолжающееся использование и расширение существующей инфраструктуры для достижения быстрой амортизации цифровых фабрик является еще одним элементом, который учитывает фактор стоимости. Для операторов умных заводов затраты на приобретение (которые должны быть низкими) и необходимость значительных структурных изменений (которых не должно быть) являются важными критериями, которые должны оцениваться в анализе доход/расход.
Умные передатчики
Ключевым аспектом реализации умной фабрики является использование полевых инструментов, обладающих «интеллектом», — так называемые умные передатчики. Они поддерживают заводской мониторинг и диагностику, а также поддерживают связь с новыми приборами. Эти трансмиттеры могут быть распределены по всей установке, могут быть подключены к различным датчикам и ранее не контролируемые части производства могут контролироваться. Полевые инструменты составляют универсальную, интеллектуальную базовую единицу Индустрии 4.0. Эти блоки будут рассмотрены более подробно на примере прибора, который можно использовать с различными датчиками, такими как термометры сопротивления, термопары и датчики давления.
Разработанные на основе полевых приборов, обычно используемых сегодня, интеллектуальные передатчики являются интеллектуальными полевыми приборами, которые питаются либо от токовой петли, либо от отдельно подводимого внешнего источника питания. Интеллектуальный трансмиттер, помимо других компонентов, использует микропроцессор, содержащий программное обеспечение, необходимое для создания интеллектуального передатчика. Однако интеллект полевого инструмента не должен храниться исключительно в программном обеспечении микроконтроллера. Диагностика и другие функции безопасности также могут быть интегрированы в другие полупроводниковые модули (например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП)), так что микроконтроллер может содержать дополнительное программное обеспечение для обработки.
Умные 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 низший предел тока 3,2 мА, этот предел составляет 3,2 мА. Тенденции в интеллектуальных передатчиках включают низкое энергопотребление, высокое требования к пространству, большую функциональность, лучшую производительность, соображения безопасности и минимальное профилактическое обслуживание.
Стандартная цепочка сигналов умного трансмиттера показана на рисунке ниже. Прибор содержит датчик и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который часто состоит из аналогового внешнего интерфейса и аналогового блока предварительной обработки. С АЦП цифровой сигнал подается через гальваническую развязку в микропроцессор, а затем в интерфейс. Двухпроводное решение через интерфейс от 4 — 20 мА обычно используется в настоящее время в автоматизированной установке, для которой требуется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Протокол магистрального адресуемого удаленного преобразователя (HART) позволяет использовать интерфейс в двух направлениях. Если управляющая система также совместима с HART, более сложные процессы могут передаваться по протоколу HART, и, в свою очередь, полевые приборы получают больше преимуществ.
Пример эталонной схемы
Далее более подробно описана роль каждого компонента, а также схема, разработанная для обеспечения особой эффективности и экономии места. Схема была построена на модулях Analog Devices, которые помогают удовлетворить требования промышленности 4.0 и демонстрируют высокую точность и низкое энергопотребление. На рисунке ниже показана электрическая принципиальная схема (вверху) и печатная плата с компонентами (внизу).
Датчик подключен к аналого-цифровому преобразователю. В этом случае AD7124 24-разрядный Σ-Δ АЦП. Этот АЦП объединяет компактный аналоговый интерфейс, который не требует ни внешнего инструментального усилителя, ни операционного усилителя. AD7124 может иметь гибкую конструкцию с четырьмя или восемью дифференциальными входами для использования с различными датчиками. Кроме того, АЦП имеет программируемый источник питания, который необходим, например, для пассивных датчиков температуры, а также три различных режима питания для большей гибкости.
Точность и скорость передачи выходных данных определяются путем выбора режима мощности. В результате также можно использовать полевой прибор с пределом ниже 3,2 мА, чтобы обеспечить возможность подключения более мощных микропроцессоров или дополнительных датчиков для параллельных измерений.
Измерительные возможности AD7124 включают в себя:
- Чтение / запись без исключений в допустимых регистрах;
- Только валидные данные читаются в регистр;
- Проверка правильности обвязки регулятора напряжения (LDO);
- Проверка работоспособности модуляторов АЦП и фильтра по спецификациям;
- Проверка перенапряжения или пониженного напряжения;
Эти меры предосторожности не только облегчают соблюдение стандартов безопасности, но и позволяют передавать информацию по протоколу HART, чтобы заблаговременно планировать работы по техническому обслуживанию полевых приборов. В связи с более высокой доступностью и вытекающими из этого требованиями к техническому обслуживанию, индустрия 4.0 предлагает огромный прирост эффективности.
Изоляция полевого прибора является еще одним важным аспектом. Неадекватная изоляция может привести к утечкам на землю и перенапряжениям, которые могут повредить не только прибор, но и подключенный программируемый логический контроллер (ПЛК) при передаче через двухпроводное соединение. Хорошая изоляция часто выходит за пределы ограничения тока для полевых приборов с питанием от контура. Однако в этом примере используется цифровой изолятор ADuM1441. Для низких скоростей передачи данных потребовалось гораздо меньше энергии, чем в предыдущих решениях, что позволило обеспечить адекватную изоляцию в рамках заданных пределов потребления.
Другим элементом полевого прибора, кроме AD7124 и блока ADuM1441, является микроконтроллер (MCU). Как правило, используются микроконтроллеры на основе Arm, такие как ADuCM3027 / ADuCM3029. Их активное потребление составляет менее 38 мкА / МГц, что делает их идеальными для интеллектуальных передатчиков. Микроконтроллеры Arm широко распространены в промышленности и, следовательно, также подходят для приложений, связанных с безопасностью. ADuCM3027 / ADuCM3029 также включают шифрование AES-128 / AES-256 для обеспечения дополнительных функций безопасности. Интеллектуальное программное обеспечение может быть запрограммировано на этих микроконтроллерах, что позволяет выполнять диагностику — например, калибровка AD7124 гарантирует, что полевой прибор обеспечивает точные измерения.
Добавьте это в 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 требуется ведомое устройство HART и ведущее устройство HART (slave/master). HART позволяет пользователю установить цифровое соединение между полевым прибором и ПЛК. Это создает интеллектуальную связь между системой управления и полевым прибором.
Для реализации интерфейса HART требуется модем HART с подключением к HART-совместимому ЦАП. Устройства должны быть высокоинтегрированы и иметь низкое энергопотребление. Эти два фактора — максимальные требования к габаритам (должны быть минимальны) и низкое энергопотребление — являются основными предпосылками для промышленности 4.0.
HART обеспечивает цифровую связь по существующей токовой петле, но для модуляции этого сигнала в чистый текущий сигнал требуется модем HART. С этой целью был разработан HART-модем со сверхнизким энергопотреблением AD5700.
Последним столпом современного полевого прибора является цифро-аналоговый преобразователь. Здесь также, в соответствии с индустрией 4.0, необходимо учитывать низкое энергопотребление и высокую степень интеграции. ЦАП является ключевым компонентом всей схемы — вместо того, чтобы просто занимать место на печатной плате, в ЦАП интегрируется как можно больше функций. Примером является линейный регулятор, который также поставляет весь полевой инструмент. Кроме того, он обеспечивает связь с ПЛК и, таким образом, предполагает управление и мониторинг устройства. Одним из ЦАП, который хорошо «уживается» с модемом HART, является AD5421.
Описанная здесь сигнальная цепочка иллюстрирует возможную конструкцию для промышленного 4.0-совместимого полевого прибора с питанием от токовой петли для измерения давления или температуры. Этот интеллектуальный передатчик можно использовать для интеллектуального мониторинга, управления и обратной связи, и он был разработан специально для небольших помещений и низкого энергопотребления.
