בניית מכשירי שטח חכמים מחוברים במהירות עם ערכות פתרונות מקיפים

כדי לממש את מלוא הפוטנציאל של Industry 4.0, המתכננים צריכים לאסוף נתונים מסביבות קשות ולשלוח נתונים אלו בצורה אמינה ומאובטחת למערכת הבקרה. למרות שמאפשרי הטכנולוגיה העיקריים קיימים כדי להשיג חזון זה, בעבר המתכננים היו לבדם בזיהוי ומימוש פתרונות יעילים. המתכננים זקוקים לפתרונות המפשטים את המימוש של מכשירי שטח חכמים ומחוברים הדרושים להשגת טרנספורמציה דיגיטלית בתעשיית התהליכים.

מאמר זה מתאר את השימוש בערכת פתרונות מקיפים של Analog Devices המציעה מענה יעיל לביקוש הגובר למכשירי שטח חכמים ומחוברים.

מכשירי שטח מסתמכים על ארבע יכולות פונקציונליות מרכזיות

בפריסות אוטומציה תעשייתית, מכשירי שטח כוללים אוסף של התקני עיבוד אותות המבטיחים חילופי נתונים ומידע בקרה אמינים בין חיישני ומפעילי קצה בשטח לבין המערכות המארחות המשמשות לניהול התקנים אלה והנתונים שלהם. ביישום טיפוסי, מכשירים אלה צריכים לתמוך בארבע יכולות פונקציונליות מרכזיות:

• לספק ממשקים עם חיישנים או מפעילים המחוברים באמצעות ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) או ממירי דיגיטלי-לאנלוגי (DAC)
• לספק יחידות מיקרו-בקר (MCUs) עבור אכשור אותות ובקרת התקני-קצה
• לספק את ההספק, הבידוד והפיקוח הדרושים לתפעול ולבטיחות המכשיר
• לספק ממשקים עבור אפשרויות חיבוריות שונות הנדרשות עבור חילופי נתונים ומידע בקרה אמינים ומאובטחים

המתכננים התייחסו לדרישות הפונקציונליות הללו עבור מכשיר שטח טיפוסי על ידי מציאת ה-ADCs, MCUs, הספקת-הכוח והחיבוריות הדרושים כדי לתמוך בכל יישום ספציפי של חיישן או מפעיל (איור 1).

איור 1: בעת יצירת מכשירי שטח, המתכננים מתייחסים לדרישות הבסיסיות עבור קליטת נתוני חיישנים או בקרת מתמרים על ידי שימוש ב-ADCs ,DACs, MCUs והתקני תמיכה נוספים. (מקור התמונה: Analog Devices)

עם האתגרים המשמעותיים יותר של Industry 4.0, מתכנני מכשירי שטח מתמודדים עם מערך מתרחב של דרישות לאינטליגנציה, בטיחות ואבטחה רבות יותר תוך המשך אספקת נתונים מדויקים ואמינים.

Industry 4.0 מניע את הצורך ביכולות מתקדמות יותר

בממשק החיישן או המפעיל, מספר רב יותר ומגוון גדול יותר של חיישנים ברזולוציה גבוהה ורוחב פס גבוה מחייבים פתרונות קצה-קדמי אנלוגי יעילים (AFE). דרישות העיבוד של מכשירים אלה עולות בהתאם, מונעות על ידי קליטת אותות חיישנים ואכשור נרחבים. יתר על כן, הדחיפה לאינטליגנציה גבוהה יותר מחייבת מעבדים מתקדמים היכולים להריץ ביעילות אלגוריתמי בינה מלאכותית (AI) בקצה, לשפר את יעילות מכשירי השטח ולשפר את הבטיחות התעשייתית. אבטחת מכשירים אלו נותרה חשובה ביותר לנוכח מערך מתרחב של איומים.

עם יכולות משופרות, מכשירי שטח מתקדמים דורשים רוחב-פס והספקת-הכוח גבוהים יותר בהשוואה להתקני חוג זרם של 4-20 מיליאמפר (mA), המציעים בדרך כלל העברת הספק למכשירים של 1.2 קילוביט-לשנייה (Kbits/s) ופחות מ-40 מיליוואט (mW). 10BASE-T1L תומך ברוחב-פס נתונים של 10 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s) והעברת הספק של עד 60 וואט או mW‏ 500‏ באזור 0, ומעודד מקרי שימוש בטוחים אינטרינזית עם Ethernet-APL‏. יתר על כן, 10BASE-T1L/Ethernet-APL מספק ביצועים אלה על פני כבל זוג מפותל יחיד תוך מתן אפשרות לשימוש-חוזר בכבל המותקן הקיים.

גם כאשר מערכות תעשייתיות כוללות דרישות תקשורת תובעניות יותר, הצורך לתמוך במכשירי שטח של דורות קודמים ויישומי Industry 4.0 מתעוררים נותר. כתוצאה מכך המתכננים חייבים להגיב עם תכני מכשירי שטח חכמים עבור שילוב של יישומי Brownfield‏ קיימים ומערכות Greenfield‏ חדשות (איור 2‏).

איור 2: כאשר מתכננים מכשירי שטח חכמים, המתכננים עומדים בפני האתגר להגיב לדרישות הספקת-כוח ורוחב-פס נתונים ותמיכה ביישומים תעשייתיים קיימים. (מקור תמונה: Analog Devices)

באמצעות מערך של התקנים מתקדמים של Analog Devices, המתכננים יכולים לטפל במהירות בדרישות עבור מכשירי השטח החכמים המשמשים למערכות אוטומציה תעשייתיות קיימות ומתפתחות.

עמידה בדרישות עבור מכשירי שטח מתקדמים עם מערך מקיף של התקנים

מכשיר שטח טיפוסי חייב לעמוד במגוון של דרישות. משדר חיישן לחץ טיפוסי מדגים כיצד המתכננים יכולים לעמוד בדרישות אלה בקלות ביישומים שלהם (איור 3).

איור 3: תכן ברמה-גבוהה של משדר חיישן לחץ ממחיש את הדרישות בסיסיות עבור יכולות פונקציונליות של ממשק החיישן, המעבד, הכוח והחיבוריות של מכשיר שטח חכם טיפוסי. (מקור התמונה: Analog Devices)

בתכן משדר חיישן הלחץ שבתמונה, שרשרת האותות חייבת לספק זרם עירור לחיישן הלחץ של הגשר ההתנגדותי ולמדוד את המתח הדיפרנציאלי הנוצר כשהחיישן מגיב ללחץ. כאן, התקן משולב יחיד כמו ה-AFEs‏ AD7124‏ או AD4130 של Analog Devices מפשט את ממשק החיישן על ידי מתן זרם עירור כחלק משרשרת אותות רב-ערוצית שלמה עם יציאה דיגיטלית (איור 4).

איור 4: ה-AD7124 AFE מספק את שרשרת האותות הרב-ערוצית השלמה הנדרשת ליצירת נתונים דיגיטליים ממרבית החיישנים האקטיביים והפסיביים. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי להשלים את תת-מערכת החיישנים, המתכננים יכולים להשתמש ב-MCU ממשפחת ADuCM36x‏ של Analog Devices כדי לנהל את ה-AFE ולבצע עיבוד אותות, כיול וקיזוז נוספים. לדוגמה, המתכננים יכולים להשתמש ב-ADC‏ Bit‏-24‏ המשולב של ה-ADuCM36x MCU כדי להמיר קריאות מחיישן הטמפרטורה כדי לספק קיזוז טמפרטורה של חיישן הגשר-ההתנגדותי (איור 4).

עבור עיבוד נרחב יותר וניהול כולל של מכשיר השטח, המתכננים יכולים לשלב את ה-Cortex®-M4 MCU‏ ®Arm‏ עם הביצועים גבוהים כגון ה-MAX32675‏ או MAX32690‏ של Analog Devices, בעוד שמיקרו-בקרים AI חדשים, כמו משפחת MAX78000 עטורת הפרסים הרבים, מבטיחים את הביצוע ביעילות הגבוהה ביותר של רשתות נוירוניות בקצה. מבודד מתת-מערכת החיישנים על ידי מבודד דיגיטלי ADUM1440‏ של Analog Devices, ה-MCU בעל הביצועים הגבוהים מנהל את פעולת מכשירי שטח, ציוד היקפי נוסף וחיבוריות.

מתוכננים עבור אוטומציה תעשייתית, MCUs אלה עומדים בדרישות יישומים מיוחדים שונים. לדוגמה, ה-MAX32675 מתאים-היטב עבור יישומי חוג זרם של mA‏ 20‏-4‏, בעוד שה-MAX32690 משלב רדיו מתקדם Bluetooth 5.2 באנרגיה נמוכה (LE) עבור יישומי אלחוט ודי זיכרון לתמיכה בחבילות תקשורת גדולות כגון Profinet‏. שני המעבדים נותנים מענה לשיקולי האבטחה ההולכים וגדלים בכך שהם מציעים מחולל מספרים אקראיים אמיתיים, מנוע תקן הצפנה מתקדם (AES), אחסון מפתחות לא-נדיף מאובטח ואתחול מאובטח.

עבור הספקת-כוח מיוצבת למכשירי שטח, המתכננים יכללו בדרך כלל מייצב עם מפל-מתח נמוך (LDO) כגון ה-ADP162‏ של Analog Devices, כמו גם מייצב ממותג מוריד-מתח DC-DC כמו ה-ADP2360‏ של Analog Devices. אבטחת מתח הספקה נכון לתת-מערכת המעבד היא חיונית עבור תכני מכשירי שטח חכמים הפועלים בסביבות עם רעש חשמלי. באמצעות המפקח ADM8323‏ של Analog Devices, המתכננים יכולים להבטיח שמתח ההספקה נשאר מעל סף מתח שנקבע מראש.

במהלך אירועי הדלקה, כיבוי ונפילת מתח, ה-ADM8323 מייצר אות המחזיק את ה-MCU במצב איפוס. כאשר הספקת-הכוח חוזרת מעל רמת הסף, ה-ADM8323 משחרר את האיפוס. בשלב זה ה-MCUs התומכים באתחול מאובטח, כגון MAX32675 ו-MAX32690, מאשרים את האותנטיות של קוד התוכנית לפני שהוא ממשיך. כדי לאשר שביצוע הקוד ממשיך כרגיל, המתכננים יכולים להשתמש בטיימר חלון המשולב של ה-ADM8323.

איסוף נתוני חיישנים וביצוע מהימן של קוד הם היבטים בסיסיים של פעולתו של מכשיר שטח חכם. ברמת האפליקציה, תקשורת אמינה היא קריטית. במשך שנים מכשירי שטח מחוברים חכמים הסתמכו על התקני חוג זרם של mA‏ 20‏-4‏ וחילופי נתונים באמצעות פרוטוקול מודם HART‏ עם אפנון הסטת-תדר (FSK‏) עם רצף פאזה. המתכננים יכולים לתמוך בקלות בממשקי חוג זרם קיימים ובפרוטוקול HART באמצעות DAC‏ mA‏ 20‏-4‏ AD5421‏ והתקני מודם HART‏ AD5700‏, שניהם של Analog Devices‏.

פתרונות אוטומציה תעשייתית דורשים רמות מתח גבוהות יותר ורוחב-פס גדול יותר לעומת אלו שהשיטות הקודמות היו יכולות לתמוך, ולכן התעורר הצורך באפשרויות חיבוריות כמו תקן השכבה הפיזית 10BASE-T1L‏. המתכננים יכולים לממש במהירות חיבוריות 10BASE-T1L באמצעות ה-ADIN1100‏ או ADIN1110‏ של Analog Devices. בעוד שה-ADIN1100 מציע משדר שכבה פיזית (PHY) עבור תכנים, ה-ADIN1110 משלב גם מקמ"ש PHY וגם ממשק בקרת גישה למדיה (MAC), המאפשר שימוש במעבדים בהספק נמוך ללא MAC משולב.

הרחבה ושיפור מכשירי שטח עבור דרישות מיוחדות

על ידי הוספה או החלפה של כמה רכיבים, המתכננים יכולים להרחיב ולשפר את אותו תכן חיישן לחץ מאיור 3 כדי ליצור את מכשיר השטח המחובר הנדרש עבור היישום הספציפי שלהם. לדוגמה, תכן של משדר זרימה אלקטרומגנטי עשוי להשתמש באותה ארכיטקטורה כוללת, רק עם הוספה והסרה של כמה רכיבים לפי הצורך (איור 5).

איור 5: המתכננים יכולים להגיב במהירות לדרישות ממשק חיישנים חדשות, כגון אלו עבור משדר זרימה אלקטרומגנטי המוצג כאן, תוך שימוש חוזר באלמנטים של תכן מכשיר קיים. (מקור התמונה: Analog Devices)

עבור יישום זה, רבים מאותם רכיבים עומדים בדרישות הכוללות, אך נדרש ממשק חיישן שונה. המתכננים יכולים לעמוד בדרישות ממשק החיישנים החדש באמצעות מגבר מכשור מתאים כגון ה-AD8422‏ של Analog Devices, מייצב DC-DC‏ ADP2441‏, ודוחף שער מבודד ADuM4121‏ כדי לספק את מקור עירור זרם-קבוע הדרוש למתמר הזרימה.

אבני בניין זמינות אחרות נותנות מענה לדרישות מיוחדות מתפתחות. לדוגמה, מכשירי שטח חכמים מחוברים עשויים להזדקק ליכולות הצפנה ואימות כדי להגן על נתונים מפני חשיפה ולהבטיח את שלמות הוראות הבקרה המועברות מהמארח למכשיר, ולעמוד בדרישות IEC 62443‏ העדכניות ביותר. במקרה זה, המתכננים יכולים להוסיף מעבד אבטחה MAXQ1065‏ של Analog Devices בהספק אולטרה-נמוך כדי לחשב מפתח הפעלה לשימוש בסשן הצפנת הודעות AES.

סיכום

יישומי אוטומציה תעשייתית מתוחכמים מתבססים על היכולות של מכשירי שטח חכמים ויכולים לתמוך במספר רב יותר של חיישנים ומפעילים שונים. כדי לתכנן את המכשירים הללו בצורה יעילה, המתכננים יכולים כעת להסתמך על מערך מקיף של מכשירים כדי לתמוך בממשקי חיישנים, מעבדים, דרישות הספקת-כוח וחיבוריות תובעניים יותר.