Intelligente Feldinstrumente – der smarte Weg zu Industrie 4.0

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Flexibles Design für den Anschluss mehrerer Sensoren

Im Beispiel ist der Sensor an einen 24-Bit-Sigma-Delta-Wandler angeschlossen, den AD7124. Dieser Baustein verfügt über ein integriertes analoges Frontend. Externer Instrumentations- und Operationsverstärker können entfallen, das spart Platz. Verwendet man den AD7124 mit 4 oder 8 differentiellen Eingängen, eignet sich dieses flexible Design für den Anschluss mehrerer Sensoren. Außerdem verfügt der ADC über drei verschiedene Power-Modi und eine programmierbare Stromquelle, die zum Beispiel für passive Temperatursensoren essentiell ist.

Der Power-Modus bestimmt Präzision, Stromverbrauch und Datenraten (Output Data Rates). So kann man das Feldinstrument gezielt unter einer Grenze von 3,2 mA betreiben. Das ermöglicht den Anschluss leistungsstärkerer Mikroprozessoren oder weiterer Sensoren für parallele Messungen. Darüber hinaus ist der AD7124 mit einer Diagnostik ausgestattet, die unter anderem folgende Funktionen hat:

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  • Lesen und Schreiben ausnahmslos in validen Registern.
  • Schreiben valider Daten auf das Register.
  • Validieren, ob die Spannungsregler (LDO) sauber entkoppelt wurden.
  • Validieren, ob sich ADC-Modulator und -Filter spezifikationsgerecht arbeiten.
  • Validieren, ob eine Über- oder Unterspannung anliegt.

Diese Vorkehrungen erleichtern das Einhalten von Sicherheitsstandards. Außerdem können die Informationen auch über HART gesendet werden, was das Planen von Wartungen an den Feldinstrumenten mit längerer Vorlaufzeit erleichtert. Das hat Vorteile: Während der Aufwand für Wartungsarbeiten sinkt, steigt gleichzeitig die Verfügbarkeit. So kann die Industrie 4.0 zu einer enormen Effizienzsteigerung beitragen.

Isolation der Komponenten ist extrem wichtig

Ein weiterer Aspekt betrifft die Isolation des Feldinstruments. Unzulängliche Isolation kann zu Erdschleifen und Überspannungen führen. Diese können das Instrument und, weitergeleitet über die Zweidrahtanbindung, auch eine angeschlossene Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) beschädigen. Unser Beispiel nutzt einen digitalen Isolator ADUM1441. Dieser verbraucht bei niedrigen Datenraten im Vergleich zu bisherigen Lösungen deutlich weniger Strom und ermöglicht so ausreichende Isolation innerhalb der gegebenen Verbrauchslimits.

Als Mikrocontroller kommen bei Feldinstrumenten häufig Bausteine zum Einsatz, die auf ARM3-Prozessen basierend, etwa der ADuCM3027/3029. Dieser verbraucht im Betrieb typisch unter 38 µA pro MHz. ARM3-Mikrocontroller sind auch für sicherheitsrelevante Anwendungen geeignet. Der ADuCM3027/3029 besitzt ein dediziertes AES-128/256-Modul zur Datenverschlüsselung. Softwaregesteuert kann der Baustein zudem Diagnosen durchführen und beispielsweise den AD7124 kalibrieren – und so die Voraussetzung dafür schaffen, dass das Feldinstrument genaue Messungen liefert.

HART-Protokoll: Digitale Kommunikation per Stromschleife

Ein Weg, Feldinstrumente mit möglichst geringem infrastrukturellen Aufwand mit funktionaler Intelligenz auszustatten, führt über das HART-Protokoll. HART kann eine digitale Verbindung zwischen Feldinstrument, SPS und Kontrollraum herstellen – beispielsweise über eine 4…20-mA-Stromschleife, sofern ein HART-Slave und ein HART-Master vorhanden sind. So lässt sich

Voraussetzung für den Einsatz der Technologie ist ein HART-Modem mit Verbindung zu einem HART-fähigen DAC. Diese Geräte müssen hochintegriert sein und dürfen nur wenig Strom verbrauchen. Beide Faktoren sind Grundvoraussetzungen von Industrie 4.0. Damit HART eine digitale Kommunikation auf der bereits vorhandenen Stromschleife aufbauen kann, benötigt es spezielles Modem, das Daten sauber auf das Stromsignal aufmoduliert – zum Beispiel das UItra-Low-Power-HART-Modem AD5700.

Letztes Standbein ist der Digital-Analog-Wandler (Digital Analog Converter, DAC). Auch hier ist bei einem Industrie-4.0-Szenario auf einen niedrigen Stromverbrauch und hohe Integration zu achten. Der DAC ist eine Schlüsselkomponente, der hilft, durch Hochintegration von Komponenten Platz auf der Leiterplatte einzusparen. So kann er beispielsweise einen Linearregler enthalten, der das gesamte Feldinstrument mitversorgt. Darüber hinaus dient er zur Kommunikation mit der speicherprogrammierbaren Steuerung und übernimmt somit die Kontrolle und Überwachung der Einheit. Ein solcher, gut mit dem HART-Modem harmonierender Baustein ist der AD5421.

Platzsparendes Design und geringer Stromverbrauch

Die hier beschriebene Signalkette zeigt eine mögliche Zusammensetzung eines Industrie-4.0-fähigen schleifengespeisten Feldinstruments zur Druck- oder Temperaturmessung. Dieser Smart Transmitter erlaubt intelligente Überwachung, Kontrolle und Rückmeldung und wurde mit Augenmerk auf platzsparendes Design und geringen Stromverbrauch hin konstruiert.

* Christoph Kämmerer ist Application Engineer bei Analog Devices

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