Cree rápidamente instrumentos de campo inteligentes conectados con completos conjuntos de soluciones

Para aprovechar todo el potencial de la Industria 4.0, los diseñadores deben adquirir datos de entornos adversos y comunicarlos de forma fiable y segura al sistema de control. Aunque existen los elementos tecnológicos clave para alcanzar esta visión, en el pasado los diseñadores han estado solos a la hora de identificar y aplicar soluciones eficaces. Los diseñadores necesitan soluciones que simplifiquen la implementación de los instrumentos de campo inteligentes conectados necesarios para lograr la transformación digital en la industria de procesos.

Este artículo describe el uso de un completo conjunto de soluciones de Analog Devices que ofrece una respuesta eficaz a la creciente demanda de instrumentos de campo inteligentes conectados.

Los instrumentos de campo se basan en cuatro capacidades funcionales clave

En los despliegues de automatización industrial, los instrumentos de campo comprenden el conjunto de dispositivos de procesamiento de señales que garantizan un intercambio fiable de datos y control entre los sensores y actuadores finales sobre el terreno, y los sistemas host utilizados para gestionar dichos dispositivos y sus datos. En una aplicación típica, estos instrumentos deben soportar cuatro capacidades funcionales clave:

• Proporcionar interfaces con sensores o actuadores conectados mediante convertidores de analógico a digital (ADC) o convertidores de digital a analógico (DAC).
• Proporcionar unidades de microcontroladores (MCU) para el acondicionamiento de señales y el control de dispositivos finales.
• Proporcionan la alimentación, el aislamiento y la supervisión necesarios para el funcionamiento y la seguridad de los instrumentos.
• Proporcionar interfaces para las distintas opciones de conectividad necesarias para un intercambio fiable y seguro de datos e información de control.

Los diseñadores han abordado estos requisitos funcionales para un instrumento de campo típico encontrando los ADC, MCU, alimentación y dispositivos de conectividad necesarios para dar soporte a cada sensor específico o aplicación basada en actuador (Figura 1).

Figura 1: Al crear instrumentos de campo, los diseñadores han abordado los requisitos básicos para adquirir datos de sensores o controlar transductores utilizando los ADC, DAC, MCU y dispositivos de apoyo adicionales disponibles. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Con los retos más significativos de la Industria 4.0, los diseñadores de instrumentos de campo se enfrentan a un conjunto cada vez mayor de requisitos para una mayor inteligencia de borde, seguridad y protección sin dejar de proporcionar datos precisos y fiables.

La Industria 4.0 impulsa la necesidad de capacidades más avanzadas

En la interfaz del sensor o actuador, un mayor número y variedad de sensores de alta resolución y gran ancho de banda requieren soluciones front-end analógicas (AFE) eficaces. Las exigencias de procesamiento de estos instrumentos aumentan en consecuencia, impulsadas por las amplias demandas de adquisición y acondicionamiento de señales de los sensores. Además, la búsqueda de una mayor inteligencia en los bordes exige procesadores avanzados capaces de ejecutar algoritmos de inteligencia artificial (IA) de forma eficiente en los bordes, lo que aumenta la eficiencia de los instrumentos de campo y mejora la seguridad industrial. La seguridad de estos instrumentos sigue siendo primordial ante la creciente matriz de amenazas.

Con mayores capacidades, los instrumentos de campo avanzados requieren un mayor ancho de banda de datos y suministro de potencia en comparación con los dispositivos de bucle de corriente de 4-20 miliamperios (mA) heredados, que suelen ofrecer un suministro de potencia a los instrumentos de 1.2 kilobits por segundo (Kbits/s) y menos de 40 milivatios (mW). 10BASE-T1L admite un ancho de banda de datos de 10 megabits por segundo (Mbits/s) y una entrega de potencia de hasta 60 Vatios o 500 mW en Zona 0, lo que favorece los casos de uso intrínsecamente seguros con Ethernet-APL. Además, 10BASE-T1L/Ethernet-APL proporciona este rendimiento a través de un único cable de par trenzado, al tiempo que permite reutilizar el cable ya instalado.

Incluso cuando los sistemas industriales implican requisitos de comunicaciones más exigentes, persiste la necesidad de dar soporte a los instrumentos de campo heredados y a las aplicaciones emergentes de la Industria 4.0. En consecuencia, los diseñadores deben responder con diseños inteligentes de instrumentos de campo para una combinación de aplicaciones existentes en zonas industriales abandonadas y nuevos sistemas en zonas verdes (Figura 2).

Figura 2: Al diseñar instrumentos de campo inteligentes, los diseñadores se enfrentan al reto de responder a los nuevos requisitos de potencia y ancho de banda de datos y dar soporte a las aplicaciones industriales existentes. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Utilizando un juego de dispositivos avanzados de Analog Devices, los diseñadores pueden abordar rápidamente los requisitos de los instrumentos de campo inteligentes utilizados para los sistemas de automatización industrial existentes y emergentes.

Cumpla los requisitos de los instrumentos de campo avanzados con un completo juego de dispositivos

Un instrumento de campo típico debe satisfacer una serie de requisitos. Un transmisor de sensor de presión típico demuestra cómo los diseñadores pueden cumplir fácilmente estos requisitos en sus propias aplicaciones (Figura 3).

Figura 3: El diseño de alto nivel de un transmisor de sensor de presión ilustra los requisitos básicos de la interfaz de sensor, el procesador, la alimentación y las capacidades funcionales de conectividad de un instrumento de campo inteligente típico. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En el diseño de transmisor de sensor de presión ilustrado, la cadena de señales debe proporcionar una corriente de excitación al sensor de presión de puente resistivo y medir el voltaje diferencial generado a medida que el sensor reacciona a la presión. En este caso, un único dispositivo integrado, como los AFE AD7124 o AD4130 de Analog Devices, simplifica la interfaz del sensor al proporcionar corriente de excitación como parte de una cadena de señales multicanal completa con una salida digital (Figura 4).

Figura 4: El AD7124 AFE proporciona la cadena de señal multicanal completa necesaria para generar datos digitales a partir de la mayoría de sensores activos y pasivos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para completar el subsistema de sensores, los diseñadores pueden utilizar una MCU de la familia ADuCM36x de Analog Devices para gestionar el AFE y realizar tareas adicionales de procesamiento, calibración y compensación de señales. Por ejemplo, los diseñadores pueden utilizar el ADC de 24 bits integrado en la MCU ADuCM36x para convertir las lecturas de un sensor de temperatura y compensar así la temperatura del sensor de puente resistivo (Figura 4).

Para un procesamiento más exhaustivo y una gestión global del instrumento de campo, los diseñadores pueden incorporar una MCU Arm® Cortex®-M4 de alto rendimiento, como MAX32675 o MAX32690 de Analog Devices, mientras que los nuevos microcontroladores de IA, como la familia MAX78000, ganadora de múltiples premios, garantizan la ejecución más eficaz de redes neuronales en el borde. Aislada del subsistema de sensores por un aislador digital ADUM1440 de Analog Devices, la MCU de alto rendimiento gestiona el funcionamiento del instrumento de campo, los periféricos adicionales y la conectividad.

Diseñadas para la automatización industrial, estas MCU cumplen diferentes requisitos de aplicaciones especializadas. Por ejemplo, el MAX32675 es idóneo para aplicaciones de bucle de corriente de 4-20 mA, mientras que el MAX32690 integra una radio avanzada Bluetooth 5.2 de baja energía (LE) para aplicaciones inalámbricas y memoria suficiente para soportar grandes pilas de comunicaciones como Profinet. Ambos procesadores abordan los crecientes problemas de seguridad ofreciendo un generador de números aleatorios real integrado, un motor de Estándar de encriptación avanzada (AES), almacenamiento no volátil seguro de claves e inicio seguro.

Para suministrar alimentación regulada a los dispositivos de un instrumento de campo, los diseñadores suelen incluir un regulador de caída baja (LDO) como el ADP162 de Analog Devices, así como un regulador de conmutación reductora CC-CC como el ADP2360 de Analog Devices. Garantizar una tensión de alimentación correcta al subsistema procesador es esencial para los diseños de instrumentos de campo inteligentes que funcionan en entornos eléctricamente ruidosos. Utilizando el supervisor ADM8323 de Analog Devices, los diseñadores pueden garantizar que la tensión de alimentación se mantiene por encima de un umbral de tensión preestablecido.

Durante eventos de encendido, apagado y caída de tensión, el ADM8323 afirma una señal que mantiene la MCU en un estado de reinicio. Cuando la alimentación vuelve por encima del nivel de umbral, el ADM8323 libera el reinicio. En ese momento, los MCU que admiten el inicio seguro, como el MAX32675 y el MAX32690, confirman la autenticidad del código de programación antes de continuar. Para confirmar que la ejecución del código continúa normalmente, los diseñadores pueden utilizar el temporizador de vigilancia integrado en ventana del ADM8323.

La adquisición de datos de los sensores y la ejecución fiable del código son aspectos fundamentales del funcionamiento de un instrumento de campo inteligente. A nivel de aplicación, la fiabilidad de la comunicación es fundamental. Durante años, los instrumentos de campo conectados de forma inteligente se han basado en dispositivos de bucle de corriente de 4-20 mA y en el intercambio de datos mediante el protocolo de módem HART de manipulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) de fase continua. Los diseñadores pueden admitir fácilmente las interfaces existentes de bucle de corriente y protocolo HART utilizando los dispositivos DAC AD5421 4-20 mA y módem AD5700 HART de Analog Devices.

Las soluciones de automatización industrial requieren niveles de voltaje más altos y más ancho de banda del que pueden soportar los métodos anteriores, lo que impulsa la necesidad de opciones de conectividad como el estándar de capa física 10BASE-T1L. Los diseñadores pueden implementar rápidamente la conectividad 10BASE-T1L utilizando ADIN1100 o ADIN1110 de Analog Devices. Mientras que el ADIN1100 ofrece un transceptor de capa física (PHY) para los diseños, el ADIN1110 integra tanto un transceptor PHY como una interfaz de control de acceso a medios (MAC), lo que permite su uso con procesadores de bajo consumo sin MAC integrado.

Ampliación y mejora de los instrumentos de campo para necesidades especializadas

Añadiendo o sustituyendo unos pocos componentes, los diseñadores pueden ampliar y mejorar el mismo diseño de sensor de presión de la figura 3 para crear el instrumento de campo conectado necesario para su aplicación específica. Por ejemplo, el diseño de un transmisor de caudal electromagnético podría utilizar la misma arquitectura general, limitándose a añadir y quitar algunos componentes según sea necesario (Figura 5).

Figura 5: Los diseñadores pueden responder rápidamente a los nuevos requisitos de la interfaz de sensores, como los del transmisor de caudal electromagnético que se muestra aquí, reutilizando al mismo tiempo elementos de un diseño de instrumento de campo ya existente. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para esta aplicación, muchos de los mismos componentes satisfacen los requisitos generales, pero se requiere una interfaz de sensor diferente. Los diseñadores pueden cumplir los nuevos requisitos de la interfaz de sensores utilizando un amplificador de instrumentación adecuado, como el AD8422 de Analog Devices, un regulador CC-CC ADP2441 y un controlador de compuerta aislado ADuM4121 para proporcionar la fuente de excitación de corriente constante necesaria para el transductor de caudal.

Otros módulos disponibles responden a nuevas necesidades especializadas. Por ejemplo, los instrumentos de campo inteligentes conectados pueden necesitar funciones de encriptación y autenticación para proteger los datos contra la divulgación y garantizar la integridad de las instrucciones de control transmitidas desde un host al instrumento, cumpliendo los requisitos más recientes de la norma IEC 62443. En este caso, los diseñadores podrían añadir el coprocesador de seguridad MAXQ1065 de consumo ultrabajo de Analog Devices para calcular una clave de sesión y utilizarla en el cifrado de mensajes AES.

Conclusión:

Las sofisticadas aplicaciones de automatización industrial se basan en las capacidades de los instrumentos de campo inteligentes y pueden admitir un mayor número de sensores y actuadores variados. Para diseñar esos instrumentos con eficacia, los diseñadores pueden recurrir ahora a un amplio conjunto de dispositivos que admiten interfaces de sensores, procesadores, potencia y requisitos de conectividad más exigentes.