สร้างเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะที่เชื่อมต่ออย่างรวดเร็วด้วยชุดโซลูชันที่ครอบคลุม

เพื่อให้ตระหนักถึงศักยภาพสูงสุดของอุตสาหกรรม 4.0 นักออกแบบจำเป็นต้องรับข้อมูลจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสื่อสารข้อมูลนั้นอย่างเชื่อถือได้และปลอดภัยไปยังระบบควบคุม แม้ว่าปัจจัยสำคัญด้านเทคโนโลยีมีอยู่เพื่อให้บรรลุวิสัยทัศน์นี้ แต่นักออกแบบในอดีตก็สามารถระบุและปรับใช้โซลูชันที่มีประสิทธิภาพได้ด้วยตัวเอง นักออกแบบต้องการโซลูชันที่ช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งานเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะที่เชื่อมต่อซึ่งจำเป็นเพื่อให้บรรลุการเปลี่ยนแปลงทางดิจิตอลในอุตสาหกรรมกระบวนการ

บทความนี้จะอธิบายการใช้ชุดโซลูชันที่ครอบคลุมจาก Analog Devices ที่ให้คำตอบที่มีประสิทธิภาพต่อความต้องการเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะที่เชื่อมต่อกันมากขึ้น

เครื่องมือภาคสนามอาศัยความสามารถหลักสี่ประการ

ในการปรับใช้ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เครื่องมือภาคสนามประกอบด้วยชุดอุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณที่ทำให้มั่นใจในข้อมูลที่เชื่อถือได้และการแลกเปลี่ยนการควบคุมระหว่างเซ็นเซอร์ปลายและตัวกระตุ้นในภาคสนาม และระบบโฮสต์ที่ใช้เพื่อจัดการอุปกรณ์เหล่านั้นและข้อมูลของอุปกรณ์ ในการใช้งานทั่วไป เครื่องมือเหล่านี้จำเป็นต้องรองรับความสามารถการทำงานหลักสี่ประการ:

• จัดเตรียมอินเตอร์เฟสพร้อมเซ็นเซอร์หรือแอคชูเอเตอร์ที่เชื่อมต่อผ่านตัวแปลงอะนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) หรือตัวแปลงดิจิตอลเป็นอะนาล็อก (DAC)
• จัดเตรียมหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) สำหรับการปรับสภาพสัญญาณและการควบคุมอุปกรณ์ปลายทาง
• ให้พลังงาน การแยกส่วน และการควบคุมดูแลที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเครื่องมือและความปลอดภัย
• จัดเตรียมอินเตอร์เฟสสำหรับตัวเลือกการเชื่อมต่อต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลและข้อมูลการควบคุมที่เชื่อถือได้และปลอดภัย

นักออกแบบได้กล่าวถึงข้อกำหนดด้านการทำงานเหล่านี้สำหรับเครื่องมือภาคสนามทั่วไปโดยการค้นหา ADC, MCU, กำลังไฟ และอุปกรณ์เชื่อมต่อที่จำเป็นเพื่อรองรับเซ็นเซอร์หรือการใช้งานที่ใช้ตัวกระตุ้นเฉพาะแต่ละตัว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: เมื่อสร้างเครื่องมือภาคสนาม นักออกแบบได้ระบุข้อกำหนดพื้นฐานในการรับข้อมูลเซ็นเซอร์หรือควบคุมทรานสดิวเซอร์โดยใช้ ADC, DAC, MCU และอุปกรณ์สนับสนุนเพิ่มเติมที่มีอยู่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วยความท้าทายที่สำคัญมากขึ้นของอุตสาหกรรม 4.0 นักออกแบบเครื่องมือภาคสนามต้องเผชิญกับข้อกำหนดที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับความชาญฉลาดที่ล้ำหน้า ความปลอดภัย และการรักษาความปลอดภัยที่มากขึ้น ขณะเดียวกันก็ให้ข้อมูลที่แม่นยำและเชื่อถือได้ต่อไป

อุตสาหกรรม 4.0 ขับเคลื่อนความต้องการความสามารถขั้นสูงเพิ่มเติม

ที่อินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์หรือแอคชูเอเตอร์ เซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดสูงและแบนด์วิธสูงจำนวนมากและหลากหลายจำเป็นต้องใช้โซลูชันส่วนหน้าแบบอะนาล็อก (AFE) ที่มีประสิทธิภาพ ความต้องการในการประมวลผลของเครื่องมือเหล่านี้เพิ่มขึ้นตามไปด้วย โดยได้แรงหนุนจากความต้องการในการรับสัญญาณเซ็นเซอร์และการปรับสภาพอย่างกว้างขวาง นอกจากนี้ การขับเคลื่อนเพื่อความอัจฉริยะที่ล้ำหน้ายิ่งขึ้นรับประกันโปรเซสเซอร์ขั้นสูงที่สามารถใช้อัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่เอดจ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ภาคสนาม และเพิ่มความปลอดภัยในอุตสาหกรรม ความปลอดภัยของเครื่องมือเหล่านี้ยังคงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งเมื่อเผชิญกับภัยคุกคามที่เพิ่มมากขึ้น

ด้วยความสามารถที่เพิ่มขึ้น อุปกรณ์ภาคสนามขั้นสูงต้องการแบนด์วิธข้อมูลและการจ่ายพลังงานที่สูงกว่า เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ลูปปัจจุบัน 4-20 มิลลิแอมป์ (mA) แบบเดิม ซึ่งโดยทั่วไปจะให้การส่งพลังงานไปยังเครื่องมือที่ 1.2 กิโลบิตต่อวินาที (Kbits/s) และน้อยกว่า 40 มิลลิวัตต์ (mW) 10BASE-T1L รองรับแบนด์วิดท์ข้อมูล 10 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) และการส่งพลังงานสูงถึง 60 วัตต์หรือ 500 mW ในโซน 0 สนับสนุนกรณีการใช้งานที่ปลอดภัยภายในด้วย Ethernet-APL นอกจากนี้ 10BASE-T1L/Ethernet-APL ยังให้ประสิทธิภาพนี้ผ่านสายเคเบิลคู่บิดเกลียวเดี่ยว ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้นำสายเคเบิลที่ติดตั้งไว้กลับมาใช้ซ้ำได้

แม้ว่าระบบอุตสาหกรรมจะเกี่ยวข้องกับข้อกำหนดด้านการสื่อสารที่มีความต้องการมากขึ้น ความต้องการในการสนับสนุนเครื่องมือภาคสนามแบบเดิมและการใช้งานอุตสาหกรรม 4.0 ที่เกิดขึ้นใหม่ยังคงอยู่ เป็นผลให้นักออกแบบต้องตอบสนองด้วยการออกแบบเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะสำหรับการผสมผสานระหว่างการใช้งานระบบบราวน์ฟิลด์ที่มีอยู่และระบบกรีนฟิลด์ใหม่ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เมื่อออกแบบเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะ นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายในการตอบสนองต่อความต้องการแบนด์วิธข้อมูลและพลังงานที่เกิดขึ้นใหม่ และการสนับสนุนการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่มีอยู่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การใช้ชุดอุปกรณ์ขั้นสูงจาก Analog Devices ช่วยให้นักออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะที่ใช้กับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่มีอยู่และที่กำลังเกิดใหม่ได้อย่างรวดเร็ว

ตรงตามข้อกำหนดสำหรับเครื่องมือภาคสนามขั้นสูงด้วยชุดอุปกรณ์ที่ครอบคลุม

เครื่องมือภาคสนามทั่วไปจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดหลายประการ เครื่องส่งสัญญาณเซ็นเซอร์ความดันทั่วไปแสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ในการใช้งานของตนเองได้อย่างไร (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การออกแบบระดับสูงของเครื่องส่งสัญญาณเซ็นเซอร์ความดันแสดงให้เห็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ โปรเซสเซอร์ กำลังไฟ และความสามารถในการเชื่อมต่อของอินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ของเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ในการออกแบบเครื่องส่งสัญญาณเซ็นเซอร์ความดันตามภาพ ห่วงโซ่สัญญาณจะต้องให้กระแสกระตุ้นไปยังเซ็นเซอร์ความดันสะพานต้านทาน และวัดแรงดันไฟฟ้าส่วนต่างที่สร้างขึ้นเมื่อเซ็นเซอร์ตอบสนองต่อความดัน ในที่นี้อุปกรณ์บูรณาการเพียงตัวเดียว เช่น AFE AD7124 หรือ AD4130 ของ Analog Devices ทำให้อินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ง่ายขึ้นโดยการจ่ายกระแสกระตุ้นเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่สัญญาณหลายช่องสัญญาณที่สมบูรณ์พร้อมเอาต์พุตดิจิตอล (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: AD7124 AFE มีสายสัญญาณหลายช่องสัญญาณที่สมบูรณ์ซึ่งจำเป็นต่อการสร้างข้อมูลดิจิตอลจากเซ็นเซอร์แบบแอคทีฟและพาสซีฟส่วนใหญ่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เพื่อให้ระบบย่อยของเซ็นเซอร์สมบูรณ์ ผู้ออกแบบสามารถใช้ MCU จากผลิตภัณฑ์ในตระกูล ADuCM36x ของ Analog Devices เพื่อจัดการ AFE และดำเนินการประมวลผลสัญญาณ การสอบเทียบ และการชดเชยเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น นักออกแบบสามารถใช้ ADC 24 บิตแบบรวมของ ADuCM36x MCU เพื่อแปลงการอ่านจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิเพื่อให้การชดเชยอุณหภูมิของเซ็นเซอร์ตัวต้านทานสะพาน (รูปที่ 4)

สำหรับการประมวลผลที่ครอบคลุมมากขึ้นและการจัดการโดยรวมของเครื่องมือภาคสนาม นักออกแบบสามารถรวม Arm® Cortex®-M4 MCU ประสิทธิภาพสูงเข้าด้วยกันได้ เช่น MAX32675 หรือ MAX32690 ของ Analog Devices ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ AI ใหม่ เช่น ตระกูล MAX78000 ที่ได้รับรางวัลมากมาย ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประมวลผลโครงข่ายประสาทเทียมอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด แยกออกจากระบบย่อยของเซ็นเซอร์โดยตัวแยกสัญญาณดิจิตอล ADUM1440 ของ Analog Devices MCU ประสิทธิภาพสูงจัดการการทำงานของอุปกรณ์ภาคสนาม อุปกรณ์ต่อพ่วงเพิ่มเติม และการเชื่อมต่อ

ออกแบบมาสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม MCU เหล่านี้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะทางที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น MAX32675 เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานลูปกระแส 4-20 mA ในขณะที่ MAX32690 ผสานรวมวิทยุ Bluetooth 5.2 พลังงานต่ำ (LE) ขั้นสูงสำหรับการใช้งานไร้สายและหน่วยความจำเพียงพอเพื่อรองรับสแต็กการสื่อสารขนาดใหญ่ เช่น Profinet โปรเซสเซอร์ทั้งสองจัดการกับข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นโดยนำเสนอตัวสร้างตัวเลขสุ่มที่แท้จริงในตัว กลไกมาตรฐานการเข้ารหัสขั้นสูง (AES) พื้นที่จัดเก็บคีย์แบบไม่ลบเลือนที่ปลอดภัย และการบูตที่ปลอดภัย

ในการจ่ายพลังงานที่ได้รับการควบคุมให้กับอุปกรณ์ในเครื่องมือภาคสนาม โดยทั่วไปนักออกแบบจะรวมตัวควบคุมการตกคร่อมต่ำ (LDO) เช่น ADP162 จาก Analog Devices รวมถึงตัวควบคุมการสลับสเต็ปดาวน์ DC-DC เช่น ADP2360 จาก Analog Devices การตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าจ่ายที่ถูกต้องไปยังระบบย่อยของโปรเซสเซอร์ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ภาคสนามอัจฉริยะที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า การใช้ ADM8323 จาก Analog Devices ผู้ดูแล ผู้ออกแบบ สามารถมั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายยังคงสูงกว่าเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ในระหว่างเหตุการณ์การเปิดเครื่อง ปิดเครื่อง และไฟดับ ADM8323 จะยืนยันสัญญาณที่เก็บ MCU ไว้ในสถานะรีเซ็ต เมื่อพลังงานกลับมาสูงกว่าระดับเกณฑ์ ADM8323 จะปล่อยการรีเซ็ต ณ จุดนั้น MCU ที่รองรับการบูตอย่างปลอดภัย เช่น MAX32675 และ MAX32690 จะยืนยันความถูกต้องของโค้ดโปรแกรมก่อนดำเนินการต่อ เพื่อยืนยันว่าการเรียกใช้โค้ดดำเนินต่อไปตามปกติ นักออกแบบสามารถใช้ตัวจับเวลา Watchdog ในตัวแบบหน้าต่างของ ADM8323 ได้

การได้มาซึ่งข้อมูลเซ็นเซอร์และการรันโค้ดที่เชื่อถือได้ถือเป็นลักษณะพื้นฐานของการทำงานของเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะ ในระดับการใช้งาน การสื่อสารที่เชื่อถือได้ถือเป็นสิ่งสำคัญ เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่เครื่องมือภาคสนามที่เชื่อมต่ออย่างชาญฉลาดอาศัยอุปกรณ์ลูปกระแส 4-20 mA และการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยใช้โปรโตคอลโมเด็ม HART ของ Phase Continuous Frequency Shift Keying (FSK) นักออกแบบสามารถรองรับลูปกระแสและอินเตอร์เฟสโปรโตคอล HART ที่มีอยู่โดยใช้อุปกรณ์ AD5421 4-20 mA DAC ของ Analog Devices และโมเด็ม HART AD5700

โซลูชันระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและแบนด์วิธที่มากกว่าวิธีการก่อนหน้านี้สามารถรองรับได้ ทำให้เกิดความต้องการตัวเลือกการเชื่อมต่อ เช่น มาตรฐานฟิสิคัลเลเยอร์ 10BASE-T1L นักออกแบบสามารถใช้การเชื่อมต่อ 10BASE-T1L ได้อย่างรวดเร็วโดยใช้ ADIN1100 หรือ ADIN1110 ของ Analog Devices แม้ว่า ADIN1100 จะมีตัวรับส่งสัญญาณแบบฟิสิคัล (PHY) สำหรับการออกแบบ แต่ ADIN1110 จะรวมทั้งตัวรับส่งสัญญาณ PHY และอินเตอร์เฟสการควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานได้กับโปรเซสเซอร์ที่ใช้พลังงานต่ำโดยไม่ต้องมี MAC ในตัว

ขยายและปรับปรุงเครื่องมือภาคสนามสำหรับความต้องการเฉพาะด้าน

ด้วยการเพิ่มหรือทดแทนส่วนประกอบบางส่วน ผู้ออกแบบสามารถขยายและปรับปรุงการออกแบบเซ็นเซอร์ความดันแบบเดียวกันจากรูปที่ 3 เพื่อสร้างเครื่องมือภาคสนามที่เชื่อมต่อซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานเฉพาะของพวกเขา ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องส่งสัญญาณการไหลแบบแม่เหล็กไฟฟ้าอาจใช้สถาปัตยกรรมโดยรวมที่เหมือนกัน เพียงเพิ่มและถอดส่วนประกอบบางส่วนออกตามความจำเป็น (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: นักออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการอินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ใหม่ได้อย่างรวดเร็ว เช่น ข้อกำหนดสำหรับเครื่องส่งสัญญาณการไหลแบบแม่เหล็กไฟฟ้าที่แสดงไว้ที่นี่ ในขณะที่นำองค์ประกอบของการออกแบบเครื่องมือภาคสนามที่มีอยู่กลับมาใช้ใหม่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สำหรับการใช้งานนี้ ส่วนประกอบเดียวกันหลายชิ้นเป็นไปตามข้อกำหนดโดยรวม แต่จำเป็นต้องมีอินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกัน นักออกแบบสามารถตอบสนองข้อกำหนดอินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ใหม่ได้โดยใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือที่เหมาะสม เช่น ตัวควบคุม DC-DC AD8422, ADP2441 และ ADuMA4121 ตัวขับเกตแบบแยก ของ Analog Devices เพื่อให้แหล่งกระตุ้นกระแสคงที่ที่จำเป็นสำหรับทรานสดิวเซอร์การไหล

Building Block อื่นๆ ที่มีอยู่จะตอบสนองความต้องการเฉพาะทางที่เกิดขึ้นใหม่ ตัวอย่างเช่น เครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะที่เชื่อมต่ออยู่อาจจำเป็นต้องมีความสามารถในการเข้ารหัสและการตรวจสอบสิทธิ์เพื่อปกป้องข้อมูลจากการเปิดเผย และรับประกันความสมบูรณ์ของคำสั่งควบคุมที่ส่งจากโฮสต์ไปยังเครื่องมือ โดยเป็นไปตามข้อกำหนด IEC 62443 ล่าสุด ในกรณีนี้ ผู้ออกแบบสามารถเพิ่มพลังงานที่ต่ำเป็นพิเศษของ MAXQ1065 โปรเซสเซอร์ร่วมด้านความปลอดภัย จาก Analog Devices เพื่อคำนวณคีย์เซสชันเพื่อใช้ในการเข้ารหัสข้อความ AES

สรุป

การใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนสร้างขึ้นจากความสามารถของเครื่องมือภาคสนามอัจฉริยะ และสามารถรองรับเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ที่หลากหลายได้มากขึ้น ในการออกแบบเครื่องมือเหล่านั้นอย่างมีประสิทธิภาพ นักออกแบบสามารถใช้ชุดอุปกรณ์ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับความต้องการอินเตอร์เฟสเซ็นเซอร์ โปรเซสเซอร์ พลังงาน และการเชื่อมต่อที่มีความต้องการมากขึ้น