智能現(xiàn)場(chǎng)儀表—邁向工業(yè)4.0的智能方式

人類(lèi)正通過(guò)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展不斷被推向更高的高度。這些發(fā)展的特點(diǎn)是技術(shù)史上被稱(chēng)為工業(yè)革命的巨大飛躍或里程碑?，F(xiàn)在我們進(jìn)入了一個(gè)新的階段：工業(yè)4.0。

第一次、第二次和第三次工業(yè)革命分別預(yù)示著蒸汽和水力發(fā)電、電力大規(guī)模生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)化，但在第四次革命中，重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向工廠的數(shù)字自動(dòng)化。數(shù)字自動(dòng)化用于公司的所有領(lǐng)域，通過(guò)自動(dòng)控制提高效率。通過(guò)這種類(lèi)型的控制，可以進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，并且可以提高產(chǎn)量和可用性。通過(guò)完全聯(lián)網(wǎng)的操作，可以更好地規(guī)劃供應(yīng)路線，消除存儲(chǔ)成本，并保證提高利用率。在需求不斷增長(zhǎng)的時(shí)代，機(jī)器停機(jī)代價(jià)高昂。聯(lián)網(wǎng)工廠有助于規(guī)劃，因此有助于防止生產(chǎn)中斷。

在工業(yè)4.0中，重點(diǎn)不僅僅是新的發(fā)展。繼續(xù)使用和擴(kuò)展現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施以實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠的快速攤銷(xiāo)是考慮成本因素的另一個(gè)因素。對(duì)于智能工廠的運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，購(gòu)置成本（應(yīng)該很低）和對(duì)重大結(jié)構(gòu)改造的需求（應(yīng)該不存在）是必須在成本效益分析中評(píng)估的重要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)智能工廠的一個(gè)關(guān)鍵方面是使用具有智能的現(xiàn)場(chǎng)儀表（所謂的智能變送器）來(lái)支持工廠監(jiān)控和診斷，以及與其他新現(xiàn)場(chǎng)儀表聯(lián)網(wǎng)。這些智能變送器可以分布在整個(gè)工廠，可以連接不同的傳感器，并且可以監(jiān)控以前未連接的部件?，F(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成了工業(yè)4.0的通用智能基礎(chǔ)單元。這些單元將以可與各種傳感器（如電阻溫度計(jì)、熱電偶和壓力傳感器）一起使用的儀器為例進(jìn)行更詳細(xì)的研究。

智能變送器由當(dāng)今常用的現(xiàn)場(chǎng)儀表開(kāi)發(fā)而成，是純回路饋電或額外提供輔助能量的智能現(xiàn)場(chǎng)儀表。智能變送器除了包含其他組件外，還利用一個(gè)微處理器，其中包含使變送器智能化所需的軟件。然而，現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能不必只存儲(chǔ)在微控制器軟件中。診斷和其他安全功能也可以集成到其他半導(dǎo)體模塊（例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））中，以便微控制器可以包含額外的處理軟件。智能變送器通常使用標(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA電流環(huán)路，這限制了變送器的最大功耗。因此，必須嚴(yán)格限制各個(gè)組件的消耗。如果使用所謂的3.2 mA低報(bào)警電流，則此限制為3.2 mA。智能變送器的趨勢(shì)包括低功耗、低空間要求、更強(qiáng)大的功能、更好的性能、安全考慮和預(yù)防性維護(hù)（圖 1）。

圖1.工業(yè)4.0智能變送器的趨勢(shì)。

典型的智能發(fā)射器信號(hào)鏈如圖2所示。該 儀器 包含 一個(gè) 傳感器 和 一個(gè) ADC， ADC 通常 由 模擬 前端 和 模擬 預(yù) 處理 單元 組成。數(shù)字信號(hào)從ADC通過(guò)絕緣柵饋入微處理器，然后饋入接口。如今，工廠自動(dòng)化中通常使用通過(guò)4 mA至20 mA接口的2線解決方案。為此需要一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）協(xié)議支持雙向使用接口。如果控制室也兼容HART，則可以通過(guò)HART協(xié)議傳輸更復(fù)雜的過(guò)程，從而從現(xiàn)場(chǎng)儀表中獲得更多收益。

圖2.智能變送器的框圖。

下面將更詳細(xì)地描述每個(gè)組件的作用，并展示了一個(gè)設(shè)計(jì)得特別有效且節(jié)省空間的示例電路。該電路采用ADI公司的模塊構(gòu)建，滿(mǎn)足工業(yè)4.0的所有要求，并具有高精度和低功耗的特點(diǎn)。圖3顯示了原理電路圖（頂部）和圖形電路圖（底部）。

圖3.參考電路以原理圖（頂部）和圖形方式（底部）顯示。

傳感器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器;在本例中，使用24位Σ-Δ型ADC7124。該ADC是一個(gè)高度集成的模塊。它集成了一個(gè)節(jié)省空間的模擬前端，既不需要外部儀表放大器，也不需要運(yùn)算放大器。AD7124可靈活設(shè)計(jì)為4路或8路差分輸入，可與各種傳感器配合使用。此外，ADC還具有可編程電源，這對(duì)于無(wú)源溫度傳感器以及三種不同的電源模式至關(guān)重要。這些允許功耗的非?？勺兊脑O(shè)計(jì)。

精度和輸出數(shù)據(jù)速率通過(guò)選擇功率模式來(lái)確定。因此，現(xiàn)場(chǎng)儀器也可以在低于 3.2 mA 的功率限制下運(yùn)行，以便連接更強(qiáng)大的微處理器或用于并行測(cè)量的附加傳感器。AD7124還具有多種診斷功能，包括：

讀/寫(xiě)，在有效寄存器中無(wú)異常

僅將有效數(shù)據(jù)讀取到寄存器

穩(wěn)壓器 （LDO） 清潔去耦驗(yàn)證

根據(jù)規(guī)格驗(yàn)證ADC調(diào)制器和濾波器的性能

過(guò)壓或欠壓驗(yàn)證

這些預(yù)防措施不僅使遵守安全標(biāo)準(zhǔn)變得更加容易，而且信息也可以通過(guò)HART協(xié)議傳遞，以便提前規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)儀器的維護(hù)工作。由于更高的可用性和更低的維護(hù)要求，工業(yè)4.0轉(zhuǎn)化為巨大的效率提升。

現(xiàn)場(chǎng)儀表的絕緣是另一個(gè)關(guān)鍵方面。絕緣不足會(huì)導(dǎo)致接地回路和過(guò)電壓，當(dāng)通過(guò) 2 線連接傳輸時(shí)，這不僅會(huì)損壞儀器，還會(huì)損壞連接的可編程邏輯控制器 （PLC）。而良好的絕緣性通常與環(huán)饋現(xiàn)場(chǎng)儀表的電流限制相抵觸;本例使用數(shù)字絕緣體ADuM1441。對(duì)于低數(shù)據(jù)速率，所需的功率比以前的解決方案少得多，因此可以在給定的消耗限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的絕緣。

除了AD7124和ADuM1441單元之外，現(xiàn)場(chǎng)儀表的另一個(gè)元件是微控制器。通常使用基于ARM的微控制器，例如ADuCM3027/ADuCM3029。其有效功耗低于 38 μA/MHz，非常適合智能發(fā)射器。ARM微控制器在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，因此也適用于安全相關(guān)應(yīng)用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密功能，可實(shí)現(xiàn)額外的安全功能。在這些微控制器上，可以對(duì)智能軟件進(jìn)行編程，以便執(zhí)行診斷，例如，AD7124的校準(zhǔn)可確?，F(xiàn)場(chǎng)儀表提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。?

HART協(xié)議允許現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能設(shè)計(jì)，而無(wú)需主要的基礎(chǔ)設(shè)施要求。它可以在4 mA至20 mA電流環(huán)路上使用，但這需要一個(gè)HART從站和一個(gè)HART主機(jī)。HART使用戶(hù)能夠在現(xiàn)場(chǎng)儀表和PLC之間建立數(shù)字連接。這在控制室和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間建立了智能連接。對(duì)于HART實(shí)現(xiàn)，需要一個(gè)連接到HART兼容DAC的HART調(diào)制解調(diào)器。這些器件必須高度集成且功耗低。這兩個(gè)因素——低空間要求和低功耗——是工業(yè)4.0的基本先決條件。

HART在現(xiàn)有電流環(huán)路上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，但需要HART調(diào)制解調(diào)器將此信號(hào)調(diào)制為干凈的電流信號(hào)。AD5700超低功耗HART調(diào)制解調(diào)器就是為此而開(kāi)發(fā)的。

現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)儀表的最后一個(gè)支柱是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在工業(yè)4.0場(chǎng)景中，也必須牢記低功耗和高集成度。DAC是整個(gè)電路的關(guān)鍵元件，而不是占用PCB上的空間，盡可能多地集成到DAC中。例如，線性穩(wěn)壓器也為整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表供電。它還支持與PLC的通信，從而承擔(dān)設(shè)備的控制和監(jiān)控。與HART調(diào)制解調(diào)器協(xié)調(diào)良好的DAC是AD5421。

此處描述的信號(hào)鏈顯示了用于壓力或溫度測(cè)量的工業(yè)4.0兼容環(huán)路饋電現(xiàn)場(chǎng)儀表的可能設(shè)計(jì)。該智能變送器可用于智能監(jiān)控、控制和反饋，專(zhuān)為低空間要求和低功耗而設(shè)計(jì)。ADI公司所選模塊能夠應(yīng)對(duì)當(dāng)今和未來(lái)的新挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷