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.

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:

  • 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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