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Intelligente Feldinstrumente – der smarte Weg zu Industrie 4.0

| Autor / Redakteur: Christoph Kämmerer * / Michael Eckstein

Intelligente Feldinstrumente, so genannte Smart Transmitter, bilden die universale, intelligente Grundeinheit der Industrie 4.0. Wir beschreiben Aufbau und Funktionsweise der Geräte.

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Kompakt und flexibel: Die beschriebene Referenzschaltung enthält alle für den Aufbau eines Smart Transmitters erforderlichen Komponenten.
Kompakt und flexibel: Die beschriebene Referenzschaltung enthält alle für den Aufbau eines Smart Transmitters erforderlichen Komponenten.
(Bild: Analog Devices)

Digitale Automation umfasst alle Bereiche eines Unternehmens und steigert die Effizienz durch automatische Kontrolle. Diese Art von Kontrolle ermöglicht vorausschauende Wartung, bessere Verfügbarkeit und damit eine leistungsfähigere Produktion. Durch das Vernetzen vieler oder gar aller Bereiche eines Betriebs, seiner Zulieferer und Abnehmer lassen sich Lieferwege besser planen, Lagerkosten reduzieren und insgesamt die Auslastung optimieren. Das ist wichtig, denn jede still stehende Maschine verursacht enorme Kosten.

Eine Vernetzung der Fabrik hilft bei der Planung und damit, Aussetzer in der Fertigung zu verhindern. Für das Industrie-4.0-Konzept lassen sich bestehende Infrastrukturen weiter nutzen und ausbauen. Das hilft, die digitale Fabrik schnell zu realisieren und zu amortisieren. Wichtig für den Betreiber einer intelligenten Fabrik sind niedrige Anschaffungskosten. Nach Möglichkeit versucht er, strukturelle Veränderungen auf ein Minimum zu beschränken.

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Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Ausstattung von Feldinstrumenten mit funktionaler Intelligenz. Dadurch entstehen sogenannte Smart Transmitter. Diese lassen sich mit anderen Feldinstrumenten vernetzten und bilden so die Grundlage für eine intelligente Produktionssteuerung. Die Smart Transmitter, an die sich unterschiedliche Sensoren anschließen lassen, können über die gesamte Fabrik verteilt werden. Dadurch lassen sich auch bislang nicht vernetzte Bereiche überwachen.

Schleifengespeist oder mit zusätzlicher Energiequelle

Diese Feldinstrumente bilden die universale, intelligente Grundeinheit der Industrie 4.0. Am Beispiel eines Instruments, das mit verschiedenen Sensoren wie Widerstandsthermometer, Thermoelementen und Drucksensoren zusammenarbeitet, beleuchten wir im Folgenden die Funktionsweise.

Smart Transmitter basieren in der Regel auf Mikrocontrollern, deren Software die Transmitter „smart“ werden lässt. Die Intelligenz eines Feldinstrumentes muss jedoch nicht ausschließlich in der Software des Mikrocontrollers implementiert sein. Diagnostik und weitere Sicherheitsfeatures können auch auf anderen Halbleiterbausteinen, etwa Analog-Digital-Wandlern (Analog digital Converter, ADC), integriert werden. Das befreit Ressourcen des Mikrocontrollers, der nun mit zusätzlicher Verarbeitungs-Software ausgestattet werden kann.

Für die Energieversorgung kommt häufig eine 4…20-mA-Stromschleife zum Einsatz. Im Fall eines so genannten 3,2-mA-Low-Alarm-Current liegt der maximal erlaubte Stromverbrauch bei lediglich 3,2 mA. Entwickler stehen dann vor der Aufgabe, nur Bauteile mit hoher Energieeffizienz verwenden zu können. Neben einem niedrigen Stromverbrauch zählen geringer Platzbedarf, größere Funktionalität, bessere Performance, Funktionale und informationstechnische Sicherheit und vorausschauende Wartung zu den heutigen Herausforderungen beim Design von Smart Transmittern.

Typische Signalkette: Sensor und Analog-Digital-Wandler

Die typische Signalkette eines Smart Transmitters setzt sich aus Sensor und ADC zusammen, der oft mit analogem Frontend und analoger Vorverarbeitung aufgebaut ist. Vom ADC läuft das digitale Signal über eine Isolationsbarriere zu einem Mikroprozessor und einer Schnittstelle. In der Fabrikautomation wird heutzutage meist eine Zweidrahtlösung über die 4…20-mA-Schnittstelle benutzt. Dazu wird ein Digital Analog Wandler (DAC) benötigt. Bei Verwendung eines Highway Addressable Remote Transducer (HART) lässt sich die Schnittstelle in beide Richtungen benutzen. Ist auch das Kontrollzentrum HART-fähig, ist es möglich auch komplexere Prozesse über das HART-Protokoll zu senden und somit noch mehr Nutzen aus den Feldinstrumenten zu ziehen.

Das exemplarische Schaltbild zeigt, wie sich ein Layout möglichst effektiv und platzsparend planen lässt. Zum Einsatz kommen Komponenten von Analog Devices, die jeweils aufgrund ihrer Präzision und ihres geringen Stromverbrauchs ausgewählt wurden und die hohen Anforderungen von Industrie-4.0-Anwendungen erfüllen. Ihre Funktion wird im Folgenden näher erläutert.

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