科技和工業的發展不斷將人類進步推向新的高度。技術發展歷史上的巨大飛躍(或里程碑)稱之為工業革命。現在,我們已經邁入一個新階段:工業4.0。

第一次、第二次和第三次工業革命分別帶來蒸汽動力和水力生產、大規模電氣化生產,以及電腦技術,第四次革命的重點則轉向了數位自動化工廠。企業全面廣泛運用數位自動化技術,以透過自動控制提高效率,其不僅可實現預測性維護,還可以提高產量和供貨效率。透過完全連網的操作,可以更好地規劃供應路線,降低倉儲成本,確保提高利用率。在需求不斷上升的時代,機器停機的代價非常高昂。連網控制工廠有利於規劃,從而有助於預防生產中斷。

工業4.0時代的重點不僅僅是發展新設施,如何繼續充分利用和擴充現有基礎設施,以實現數位工廠的快速攤銷,是從成本角度考慮的另一個重要因素。對於智慧工廠的營運業者來說,收購成本(越低越好)和是否需要重大結構性變更(最好是不需要)是在成本效益分析中必須評估的重要標準。實現智慧工廠的一個關鍵方面,是採用擁有智慧處理能力的現場儀器(即所謂的智慧發送器)以支援工廠監測和診斷,以及與其他新增現場儀器連網。這些智慧發送器可以分佈在整個工廠中,不同的感測器可以互連,並且可以對先前沒有連網的零件進行監控。現場儀器是實現工業4.0的通用基本智慧單元。這些單元需進行更周詳的考慮,以儀器為例,它可以與各種感測器(如電阻溫度計、熱電偶和壓力感測器)配合使用。

智慧發送器是由當今常用的現場儀器發展而來的智慧現場儀器,它完全由迴路供電,或者由輔助電源補充供電。智慧發送器除了所含的其他元件之外,主要利用微處理器,包含使發送器智慧化的軟體。然而,現場儀器的智慧功能並非只能儲存在微控制器的軟體中。診斷和其他安全功能也可以整合到其他半導體模組(例如,類比數位轉換器ADC)中,如此,微控制器就可以包含更多處理軟體。智慧發送器通常使用標準的4mA~20mA的電流迴路,這限制了發送器的最大功耗。因此,各個元件的功耗必須受到嚴格的限制。如果使用低至3.2mA的警報電流,此限值為3.2mA。對智慧發送器的發展趨勢包括低功耗、小尺寸空間、更多功能、更好的性能、安全考慮和預測性維護(圖 1)。

20190430TA71P1 圖1 因應工業4.0的智慧發送器的發展趨勢。

典型的智慧發送器訊號鏈如圖2所示。這個儀器包含一個感測器和一個ADC,通常由類比前端和類比預處理單元組成。數位訊號從ADC經過隔離閘送入微處理器,然後進入介面。在目前的工廠自動化中,通常採用一個4mA~20mA介面的2線解決方案。這需要一個數位類比轉化器(DAC)。可定址遠端感測器高速通道(HART)協定允許雙向使用該介面。如果控制室也相容HART,則可以透過HART協定傳輸更複雜的流程,從而透過現場儀器可實現更多應用。

20190430TA71P2 圖2 智慧發送器框架圖。

以下詳細介紹了每個元件的作用,並展示了一個特別高效並可節省空間的範例電路。該電路採用ADI公司的模組構建,不僅可滿足工業4.0的所有要求,並且擁有高精度、低功耗的特點。圖3顯示的是電路框圖原理圖(上)和實物圖片電路圖(下)。

20190430TA71P3 圖3 參考電路的原理圖(上)和實物圖片示意圖(下)。

感測器連接至類比數位轉換器;本例中為AD7124 24 位元 Σ-Δ ADC。該ADC是一個高度整合的模組。它整合了節省空間的類比前端,無需外部儀錶放大器和運算放大器。AD7124可靈活設計為具有4個或8個差分輸入,而能與各種感測器搭配使用。此外,該款ADC具有可編程電源,這一點非常重要,例如,被動溫度感測器需要三種不同的電源模式。這使得功耗設計非常靈活多變。

輸出資料的精度和速率取決於電源模式的選擇。因此,現場儀器也有可能在3.2mA的功率限制以下工作,與功能更強大的微處理器、或其他感測器連接以實現並行測量。AD7124還具有各種診斷功能,包括:

˙將所有資料讀取/寫入有效暫存器;

˙僅將有效資料讀入暫存器;

˙驗證電壓調節器(LDO)徹底去耦;

˙驗證ADC調變器和濾波器性能是否符合規格;

˙驗證是否過壓或欠壓。

這些防範措施不僅有助於輕鬆達到安全設計標準,而且還可以透過HART協定傳送資訊,提前規劃現場儀器的維護工作。由於提高了可用性和降低了維護要求,工業4.0意味著效率的大幅提高。

現場儀器的絕緣是另一個關鍵因素。絕緣不充分會產生接地迴路和過壓,這不僅會損壞儀表,而且在透過2線連接傳輸時,還會損壞連接的可編程邏輯控制器(PLC)。而良好的絕緣通常能夠抗衡迴路供電型現場儀器的電流限值;本例中使用的是ADuM1441數位隔離器。當低資料速率時,該元件所需功率比以前的解決方案要小很多,因此在給定的功耗限值內可以提供充分的絕緣。

除了AD7124和ADuM1441單元之外,另一個現場儀器元件是微控制器。通常使用基於Arm的微控制器,如ADuCM3027/ADuCM3029。它們的主動功耗小於38µA/MHz,是智慧發送器的理想之選。Arm微控制器廣泛應用於工業領域,同時也非常適合安全相關的應用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密技術,可以啟用額外的安全功能。這些微處理器還整合成了智慧軟體,可透過編程執行診斷,例如對AD7124進行校準,以確保現場儀器提供精準的測量。

HART協定允許對現場儀器進行智慧設計,而無需太多基礎設施要求。它可用於4mA和20mA電流迴路,當然這需要一個HART主裝置和一個HART從屬裝置。使用者利用HART可以在現場儀器和PLC之間建立數位連接,這將在控制室和現場儀器之間創建一個智慧連接。為了實施HART,需要有一個HART數據機連接至相容HART的DAC。這些元件必須高度整合,並且功耗極低。而這兩個因素——小尺寸和低功耗則是實現工業4.0的前提條件。

HAR可以在現有的電流迴路上實現數位通訊,但需要HART數據機將訊號調變為乾淨的電流訊號。AD5700超低功耗HART數據機專門針對此用途而開發。

現代現場儀器的最後一個主要元件,則是DAC。在工業4.0的場景中,這個元件也必須具有低功耗和高整合度。DAC是整個電路的關鍵組成部分,要儘量將周邊元件整合到DAC中,而不是佔用更多PCB空間。為整個現場儀器供電的線性調節器就是一個例子,它還可以與PLC通訊,進而執行儀表的控制和監控,AD5421便是一款可與HART數據機良好配合操作的DAC。

本文所描述的訊號鏈是相容工業4.0迴路供電型現場儀器的一種可能設計,其可用來進行壓力或溫度測量。該智慧發送器可用於智慧監測、控制和回饋,特別適合於滿足小尺寸空間和低功耗要求。而ADI的精選模組,適足以滿足目前和未來的新挑戰。