Crie rapidamente instrumentos de campo inteligentes e conectados com conjuntos de soluções abrangentes

Para realizar todo o potencial da Indústria 4.0, os projetistas precisam adquirir dados de ambientes adversos e comunicar esses dados de forma confiável e segura ao sistema de controle. Embora existam os principais capacitadores tecnológicos para alcançar essa visão, no passado, os projetistas estavam sozinhos na identificação e implementação de soluções eficazes. Os projetistas precisam de soluções que simplifiquem a implementação dos instrumentos de campo inteligentes e conectados necessários para alcançar a transformação digital no setor de processos.

Este artigo descreve o uso de um conjunto abrangente de soluções da Analog Devices que oferece uma resposta eficaz à crescente demanda por instrumentos de campo inteligentes e conectados.

Instrumentos de campo dependem de quatro recursos funcionais principais

Nas implantações de automação industrial, os instrumentos de campo compreendem a coleção de dispositivos de processamento de sinais que garantem a troca confiável de dados e controle entre os sensores e atuadores finais no campo e os sistemas host usados para gerenciar esses dispositivos e seus dados. Em uma aplicação típica, esses instrumentos precisam oferecer suporte a quatro recursos funcionais principais:

• Fornecer interfaces com sensores ou atuadores conectados por meio de conversores analógico-digitais (ADCs) ou conversores digital-analógicos (DACs)
• Fornecer unidades de microcontrolador (MCUs) para condicionamento de sinal e controle do dispositivo final
• Fornecer a energia, a isolação e a supervisão necessárias para a operação e a segurança do instrumento
• Fornecer interfaces para as várias opções de conectividade necessárias para a troca confiável e segura de dados e informações de controle

Os projetistas atenderam a esses requisitos funcionais para um instrumento de campo típico encontrando os dispositivos ADCs, MCUs, de alimentação e de conectividade necessários para dar suporte a cada aplicação específica baseada em sensor ou atuador (Figura 1).

Figura 1: Ao criar instrumentos de campo, os projetistas atenderam aos requisitos básicos de aquisição de dados de sensores ou transdutores de controle usando a disponibilidade de ADCs, DACs, MCUs e dispositivos de suporte adicionais. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com os desafios mais significativos da Indústria 4.0, os projetistas de instrumentos de campo enfrentam um conjunto cada vez maior de requisitos para maior inteligência, segurança e proteção de borda, enquanto continuam a fornecer dados precisos e confiáveis.

A Indústria 4.0 leva a necessidade de recursos mais avançados

Na interface do sensor ou do atuador, uma quantidade maior e uma variedade maior de sensores de alta resolução e alta largura de banda exigem soluções eficazes de front-end analógico (AFE). As demandas de processamento desses instrumentos aumentam de acordo com isso, impulsionadas por extensas demandas de aquisição e condicionamento de sinais de sensores. Além disso, o impulso para uma maior inteligência de borda exige processadores avançados que possam executar com eficiência algoritmos de inteligência artificial (IA) na borda, aumentando a eficiência dos instrumentos de campo e aprimorando a segurança industrial. A segurança desses instrumentos continua sendo primordial em face de uma gama crescente de ameaças.

Com o aumento dos recursos, os instrumentos de campo avançados exigem maior largura de banda de dados e fornecimento de energia em comparação com os dispositivos antigos de malha de corrente de 4-20 miliamperes (mA), que normalmente oferecem fornecimento de energia aos instrumentos de 1,2 quilobits por segundo (Kbits/s) e menos de 40 miliwatts (mW). O 10BASE-T1L suporta largura de banda de dados de 10 megabits por segundo (Mbits/s) e fornecimento de energia de até 60 watts ou 500 mW na Zona 0, incentivando casos de uso intrinsecamente seguros com Ethernet-APL. Além disso, o 10BASE-T1L/Ethernet-APL oferece esse desempenho em um único cabo de par trançado, permitindo a reutilização do cabo instalado existente.

Mesmo que os sistemas industriais envolvam requisitos de comunicação mais exigentes, a necessidade de oferecer suporte a instrumentos de campo antigos e aplicações emergentes da Indústria 4.0 permanece. Como resultado, os projetistas devem responder com projetos de instrumentos de campo inteligentes para uma combinação de aplicações existentes, i.e. brownfield, e novos sistemas, ou seja, greenfield (Figura 2).

Figura 2: Ao projetar instrumentos de campo inteligentes, os projetistas enfrentam o desafio de atender aos requisitos emergentes de energia e largura de banda de dados e dar suporte às aplicações industriais existentes. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Usando um conjunto de dispositivos avançados da Analog Devices, os projetistas podem atender rapidamente aos requisitos dos instrumentos de campo inteligentes, utilizados nos sistemas de automação industrial existentes e emergentes.

Atender aos requisitos de instrumentos de campo avançados com um conjunto abrangente de dispositivos

Um instrumento de campo típico deve atender a uma série de requisitos. Um transmissor de sensor de pressão típico demonstra como os projetistas podem atender prontamente a esses requisitos em suas próprias aplicações (Figura 3).

Figura 3: O projeto de alto nível de um transmissor de sensor de pressão ilustra os requisitos básicos para os recursos funcionais de interface de sensor, processador, energia e conectividade de um instrumento de campo inteligente típico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

No projeto do transmissor de sensor de pressão retratado, a cadeia de sinal deve fornecer uma corrente de excitação ao sensor de pressão de ponte resistiva e medir a tensão diferencial gerada à medida que o sensor reage à pressão. Aqui, um único dispositivo integrado, como os AFEs AD7124 ou AD4130 da Analog Devices, simplifica a interface do sensor fornecendo corrente de excitação como parte de uma cadeia de sinal multicanal completa com uma saída digital (Figura 4).

Figura 4: O AFE AD7124 fornece a cadeia de sinal multicanal completa necessária para gerar dados digitais da maioria dos sensores ativos e passivos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para completar o subsistema do sensor, os projetistas podem usar uma MCU da família ADuCM36x da Analog Devices para gerenciar o AFE e realizar processamento, calibração e compensação de sinais adicionais. Por exemplo, os projetistas podem usar o ADC de 24 bits integrado da MCU ADuCM36x para converter as leituras de um sensor de temperatura a fim de fornecer compensação de temperatura do sensor de ponte resistiva (Figura 4).

Para um processamento mais extenso e gerenciamento geral do instrumento de campo, os projetistas podem incorporar uma MCU Arm® Cortex®-M4 de alto desempenho, como o MAX32675 ou MAX32690 da Analog Devices, enquanto os novos microcontroladores de IA, como a multipremiada família MAX78000, garantem a execução mais eficiente de redes neurais na borda. Isolada do subsistema do sensor por um isolador digital ADUM1440 da Analog Devices, a MCU de alto desempenho gerencia a operação do instrumento de campo, os periféricos adicionais e a conectividade.

Projetadas para automação industrial, essas MCUs atendem a diferentes requisitos de aplicações especializadas. Por exemplo, o MAX32675 é adequado para aplicações de malha de corrente de 4-20 mA, enquanto o MAX32690 integra um rádio avançado de Bluetooth 5.2 de baixa energia (LE) para aplicações sem fio e memória suficiente para suportar grandes pilhas de comunicação, como o Profinet. Ambos os processadores atendem às crescentes preocupações com a segurança, oferecendo um gerador integrado de números aleatórios verdadeiros, um mecanismo de padrão de criptografia avançado (AES), armazenamento seguro de chaves não voláteis e inicialização segura.

Para fornecer alimentação regulada aos dispositivos em um instrumento de campo, os projetistas normalmente incluem um regulador de baixa queda de tensão (LDO), como o ADP162 da Analog Devices, bem como um regulador chaveado CC-CC abaixador, como o ADP2360 da Analog Devices. Garantir uma tensão de alimentação correta para o subsistema do processador é essencial para projetos de instrumentos de campo inteligentes que operam em ambientes com ruídos elétricos. Usando o supervisor ADM8323 da Analog Devices, os projetistas podem garantir que a tensão de alimentação permaneça acima de um limite de tensão predefinido.

Durante os eventos de energização, desligamento e apagão, o ADM8323 emite um sinal que mantém a MCU em um estado de reinicialização. Quando a energia retorna acima do nível limite, o ADM8323 libera a reinicialização. Nesse ponto, as MCUs que suportam inicialização segura, como o MAX32675 e o MAX32690, confirmam a autenticidade do código do programa antes de prosseguir. Para confirmar que a execução do código continua normalmente, os projetistas podem usar o temporizador watchdog integrado com janela do ADM8323.

A aquisição de dados de sensores e a execução confiável de códigos são aspectos fundamentais da operação de um instrumento de campo inteligente. No nível da aplicação, a comunicação confiável é fundamental. Durante anos, os instrumentos de campo conectados de forma inteligente contaram com dispositivos de malha de corrente de 4-20 mA e troca de dados usando o protocolo de modem HART de modulação por mudança de frequência (FSK) de fase contínua. Os projetistas podem dar suporte prontamente as interfaces existentes de malha de corrente e protocolo HART usando o DAC de 4-20 mA AD5421 e os dispositivos de modem HART AD5700 da Analog Devices.

As soluções de automação industrial exigem níveis de tensão mais altos e mais largura de banda do que os métodos anteriores podem suportar, o que gera a necessidade de opções de conectividade como o padrão de camada física 10BASE-T1L. Os projetistas podem implementar rapidamente a conectividade 10BASE-T1L usando o ADIN1100 ou o ADIN1110 da Analog Devices. Enquanto o ADIN1100 oferece um transceptor de camada física (PHY) para projetos, o ADIN1110 integra um transceptor PHY e uma interface de controle de acesso à mídia (MAC), permitindo o uso com processadores de baixo consumo de energia sem um MAC integrado.

Ampliar e aprimorar os instrumentos de campo para atender a requisitos especializados

Ao adicionar ou substituir alguns componentes, os projetistas podem ampliar e aprimorar o mesmo projeto de sensor de pressão da Figura 3 para criar o instrumento de campo conectado necessário para sua aplicação específica. Por exemplo, um projeto para um transmissor de fluxo eletromagnético pode usar a mesma arquitetura geral, apenas adicionando e removendo alguns componentes conforme necessário (Figura 5).

Figura 5: Os projetistas podem responder rapidamente a novos requisitos de interface de sensor, como os do transmissor de fluxo eletromagnético mostrado aqui, enquanto reutilizam elementos de um projeto de instrumento de campo existente. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para essa aplicação, a maioria dos componentes iguais satisfazem os requisitos gerais, mas é necessária uma interface de sensor diferente. Os projetistas podem atender aos novos requisitos de interface do sensor usando um amplificador de instrumentação adequado, como o AD8422 da Analog Devices, um regulador CC-CC ADP2441 e um acionador de porta isolado ADuM4121 para fornecer a fonte de excitação de corrente constante necessária para o transdutor de fluxo.

Outros componentes básicos disponíveis atendem a requisitos especializados emergentes. Por exemplo, instrumentos de campo inteligentes e conectados podem precisar de recursos de criptografia e autenticação para proteger os dados contra divulgação e garantir a integridade das instruções de controle passadas de um host para o instrumento, atendendo aos requisitos mais recentes da IEC 62443. Nesse caso, os projetistas poderiam adicionar o coprocessador de segurança MAXQ1065 de baixíssima potência da Analog Devices para computar uma chave de sessão para uso na criptografia de mensagens AES.

Conclusão

Aplicações sofisticadas de automação industrial se baseiam nos recursos de instrumentos de campo inteligentes e podem suportar uma quantidade maior de sensores e atuadores variados. Para projetar esses instrumentos de forma eficaz, os projetistas agora podem recorrer a um conjunto abrangente de dispositivos para dar suporte a interfaces de sensores, processadores, energia e requisitos de conectividade mais exigentes.