智能現場儀表—邁向工業4.0的智能方式

人類正通過技術和工業的發展不斷被推向更高的高度。這些發展的特點是技術史上被稱為工業革命的巨大飛躍或里程碑?，F在我們進入了一個新的階段：工業4.0。

第一次、第二次和第三次工業革命分別預示著蒸汽和水力發電、電力大規模生產和計算機化，但在第四次革命中，重點已轉向工廠的數字自動化。數字自動化用于公司的所有領域，通過自動控制提高效率。通過這種類型的控制，可以進行預防性維護，并且可以提高產量和可用性。通過完全聯網的操作，可以更好地規劃供應路線，消除存儲成本，并保證提高利用率。在需求不斷增長的時代，機器停機代價高昂。聯網工廠有助于規劃，因此有助于防止生產中斷。

在工業4.0中，重點不僅僅是新的發展。繼續使用和擴展現有基礎設施以實現數字工廠的快速攤銷是考慮成本因素的另一個因素。對于智能工廠的運營商來說，購置成本（應該很低）和對重大結構改造的需求（應該不存在）是必須在成本效益分析中評估的重要標準。實現智能工廠的一個關鍵方面是使用具有智能的現場儀表（所謂的智能變送器）來支持工廠監控和診斷，以及與其他新現場儀表聯網。這些智能變送器可以分布在整個工廠，可以連接不同的傳感器，并且可以監控以前未連接的部件?，F場儀表構成了工業4.0的通用智能基礎單元。這些單元將以可與各種傳感器（如電阻溫度計、熱電偶和壓力傳感器）一起使用的儀器為例進行更詳細的研究。

智能變送器由當今常用的現場儀表開發而成，是純回路饋電或額外提供輔助能量的智能現場儀表。智能變送器除了包含其他組件外，還利用一個微處理器，其中包含使變送器智能化所需的軟件。然而，現場儀表的智能不必只存儲在微控制器軟件中。診斷和其他安全功能也可以集成到其他半導體模塊（例如，模數轉換器（ADC））中，以便微控制器可以包含額外的處理軟件。智能變送器通常使用標準的4 mA至20 mA電流環路，這限制了變送器的最大功耗。因此，必須嚴格限制各個組件的消耗。如果使用所謂的3.2 mA低報警電流，則此限制為3.2 mA。智能變送器的趨勢包括低功耗、低空間要求、更強大的功能、更好的性能、安全考慮和預防性維護（圖 1）。

圖1.工業4.0智能變送器的趨勢。

典型的智能發射器信號鏈如圖2所示。該 儀器 包含 一個 傳感器 和 一個 ADC， ADC 通常 由 模擬 前端 和 模擬 預 處理 單元 組成。數字信號從ADC通過絕緣柵饋入微處理器，然后饋入接口。如今，工廠自動化中通常使用通過4 mA至20 mA接口的2線解決方案。為此需要一個數模轉換器（DAC）。高速可尋址遠程傳感器（HART）協議支持雙向使用接口。如果控制室也兼容HART，則可以通過HART協議傳輸更復雜的過程，從而從現場儀表中獲得更多收益。

圖2.智能變送器的框圖。

下面將更詳細地描述每個組件的作用，并展示了一個設計得特別有效且節省空間的示例電路。該電路采用ADI公司的模塊構建，滿足工業4.0的所有要求，并具有高精度和低功耗的特點。圖3顯示了原理電路圖（頂部）和圖形電路圖（底部）。

圖3.參考電路以原理圖（頂部）和圖形方式（底部）顯示。

傳感器連接到模數轉換器;在本例中，使用24位Σ-Δ型ADC7124。該ADC是一個高度集成的模塊。它集成了一個節省空間的模擬前端，既不需要外部儀表放大器，也不需要運算放大器。AD7124可靈活設計為4路或8路差分輸入，可與各種傳感器配合使用。此外，ADC還具有可編程電源，這對于無源溫度傳感器以及三種不同的電源模式至關重要。這些允許功耗的非?？勺兊脑O計。

精度和輸出數據速率通過選擇功率模式來確定。因此，現場儀器也可以在低于 3.2 mA 的功率限制下運行，以便連接更強大的微處理器或用于并行測量的附加傳感器。AD7124還具有多種診斷功能，包括：

讀/寫，在有效寄存器中無異常

僅將有效數據讀取到寄存器

穩壓器 （LDO） 清潔去耦驗證

根據規格驗證ADC調制器和濾波器的性能

過壓或欠壓驗證

這些預防措施不僅使遵守安全標準變得更加容易，而且信息也可以通過HART協議傳遞，以便提前規劃現場儀器的維護工作。由于更高的可用性和更低的維護要求，工業4.0轉化為巨大的效率提升。

現場儀表的絕緣是另一個關鍵方面。絕緣不足會導致接地回路和過電壓，當通過 2 線連接傳輸時，這不僅會損壞儀器，還會損壞連接的可編程邏輯控制器 （PLC）。而良好的絕緣性通常與環饋現場儀表的電流限制相抵觸;本例使用數字絕緣體ADuM1441。對于低數據速率，所需的功率比以前的解決方案少得多，因此可以在給定的消耗限制內實現足夠的絕緣。

除了AD7124和ADuM1441單元之外，現場儀表的另一個元件是微控制器。通常使用基于ARM的微控制器，例如ADuCM3027/ADuCM3029。其有效功耗低于 38 μA/MHz，非常適合智能發射器。ARM微控制器在工業中應用廣泛，因此也適用于安全相關應用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密功能，可實現額外的安全功能。在這些微控制器上，可以對智能軟件進行編程，以便執行診斷，例如，AD7124的校準可確?，F場儀表提供準確的測量結果。?

HART協議允許現場儀表的智能設計，而無需主要的基礎設施要求。它可以在4 mA至20 mA電流環路上使用，但這需要一個HART從站和一個HART主機。HART使用戶能夠在現場儀表和PLC之間建立數字連接。這在控制室和現場儀表之間建立了智能連接。對于HART實現，需要一個連接到HART兼容DAC的HART調制解調器。這些器件必須高度集成且功耗低。這兩個因素——低空間要求和低功耗——是工業4.0的基本先決條件。

HART在現有電流環路上實現數字通信，但需要HART調制解調器將此信號調制為干凈的電流信號。AD5700超低功耗HART調制解調器就是為此而開發的。

現代現場儀表的最后一個支柱是數模轉換器。在工業4.0場景中，也必須牢記低功耗和高集成度。DAC是整個電路的關鍵元件，而不是占用PCB上的空間，盡可能多地集成到DAC中。例如，線性穩壓器也為整個現場儀表供電。它還支持與PLC的通信，從而承擔設備的控制和監控。與HART調制解調器協調良好的DAC是AD5421。

此處描述的信號鏈顯示了用于壓力或溫度測量的工業4.0兼容環路饋電現場儀表的可能設計。該智能變送器可用于智能監控、控制和反饋，專為低空間要求和低功耗而設計。ADI公司所選模塊能夠應對當今和未來的新挑戰。

審核編輯：郭婷