智能现场仪表—迈向工业4.0的智能方式

人类正通过技术和工业的发展不断被推向更高的高度。这些发展的特点是技术史上被称为工业革命的巨大飞跃或里程碑。现在我们进入了一个新的阶段：工业4.0。

第一次、第二次和第三次工业革命分别预示着蒸汽和水力发电、电力大规模生产和计算机化，但在第四次革命中，重点已转向工厂的数字自动化。数字自动化用于公司的所有领域，通过自动控制提高效率。通过这种类型的控制，可以进行预防性维护，并且可以提高产量和可用性。通过完全联网的操作，可以更好地规划供应路线，消除存储成本，并保证提高利用率。在需求不断增长的时代，机器停机代价高昂。联网工厂有助于规划，因此有助于防止生产中断。

在工业4.0中，重点不仅仅是新的发展。继续使用和扩展现有基础设施以实现数字工厂的快速摊销是考虑成本因素的另一个因素。对于智能工厂的运营商来说，购置成本（应该很低）和对重大结构改造的需求（应该不存在）是必须在成本效益分析中评估的重要标准。实现智能工厂的一个关键方面是使用具有智能的现场仪表（所谓的智能变送器）来支持工厂监控和诊断，以及与其他新现场仪表联网。这些智能变送器可以分布在整个工厂，可以连接不同的传感器，并且可以监控以前未连接的部件。现场仪表构成了工业4.0的通用智能基础单元。这些单元将以可与各种传感器（如电阻温度计、热电偶和压力传感器）一起使用的仪器为例进行更详细的研究。

智能变送器由当今常用的现场仪表开发而成，是纯回路馈电或额外提供辅助能量的智能现场仪表。智能变送器除了包含其他组件外，还利用一个微处理器，其中包含使变送器智能化所需的软件。然而，现场仪表的智能不必只存储在微控制器软件中。诊断和其他安全功能也可以集成到其他半导体模块（例如，模数转换器（ADC））中，以便微控制器可以包含额外的处理软件。智能变送器通常使用标准的4 mA至20 mA电流环路，这限制了变送器的最大功耗。因此，必须严格限制各个组件的消耗。如果使用所谓的3.2 mA低报警电流，则此限制为3.2 mA。智能变送器的趋势包括低功耗、低空间要求、更强大的功能、更好的性能、安全考虑和预防性维护（图 1）。

图1.工业4.0智能变送器的趋势。

典型的智能发射器信号链如图2所示。该 仪器 包含 一个 传感器 和 一个 ADC， ADC 通常 由 模拟 前端 和 模拟 预 处理 单元 组成。数字信号从ADC通过绝缘栅馈入微处理器，然后馈入接口。如今，工厂自动化中通常使用通过4 mA至20 mA接口的2线解决方案。为此需要一个数模转换器（DAC）。高速可寻址远程传感器（HART）协议支持双向使用接口。如果控制室也兼容HART，则可以通过HART协议传输更复杂的过程，从而从现场仪表中获得更多收益。

图2.智能变送器的框图。

下面将更详细地描述每个组件的作用，并展示了一个设计得特别有效且节省空间的示例电路。该电路采用ADI公司的模块构建，满足工业4.0的所有要求，并具有高精度和低功耗的特点。图3显示了原理电路图（顶部）和图形电路图（底部）。

图3.参考电路以原理图（顶部）和图形方式（底部）显示。

传感器连接到模数转换器;在本例中，使用24位Σ-Δ型ADC7124。该ADC是一个高度集成的模块。它集成了一个节省空间的模拟前端，既不需要外部仪表放大器，也不需要运算放大器。AD7124可灵活设计为4路或8路差分输入，可与各种传感器配合使用。此外，ADC还具有可编程电源，这对于无源温度传感器以及三种不同的电源模式至关重要。这些允许功耗的非常可变的设计。

精度和输出数据速率通过选择功率模式来确定。因此，现场仪器也可以在低于 3.2 mA 的功率限制下运行，以便连接更强大的微处理器或用于并行测量的附加传感器。AD7124还具有多种诊断功能，包括：

读/写，在有效寄存器中无异常

仅将有效数据读取到寄存器

稳压器 （LDO） 清洁去耦验证

根据规格验证ADC调制器和滤波器的性能

过压或欠压验证

这些预防措施不仅使遵守安全标准变得更加容易，而且信息也可以通过HART协议传递，以便提前规划现场仪器的维护工作。由于更高的可用性和更低的维护要求，工业4.0转化为巨大的效率提升。

现场仪表的绝缘是另一个关键方面。绝缘不足会导致接地回路和过电压，当通过 2 线连接传输时，这不仅会损坏仪器，还会损坏连接的可编程逻辑控制器 （PLC）。而良好的绝缘性通常与环馈现场仪表的电流限制相抵触;本例使用数字绝缘体ADuM1441。对于低数据速率，所需的功率比以前的解决方案少得多，因此可以在给定的消耗限制内实现足够的绝缘。

除了AD7124和ADuM1441单元之外，现场仪表的另一个元件是微控制器。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，非常适合智能发射器。ARM微控制器在工业中应用广泛，因此也适用于安全相关应用。ADuCM3027/ADuCM3029还具有AES-128/AES-256加密功能，可实现额外的安全功能。在这些微控制器上，可以对智能软件进行编程，以便执行诊断，例如，AD7124的校准可确保现场仪表提供准确的测量结果。®

HART协议允许现场仪表的智能设计，而无需主要的基础设施要求。它可以在4 mA至20 mA电流环路上使用，但这需要一个HART从站和一个HART主机。HART使用户能够在现场仪表和PLC之间建立数字连接。这在控制室和现场仪表之间建立了智能连接。对于HART实现，需要一个连接到HART兼容DAC的HART调制解调器。这些器件必须高度集成且功耗低。这两个因素——低空间要求和低功耗——是工业4.0的基本先决条件。

HART在现有电流环路上实现数字通信，但需要HART调制解调器将此信号调制为干净的电流信号。AD5700超低功耗HART调制解调器就是为此而开发的。

现代现场仪表的最后一个支柱是数模转换器。在工业4.0场景中，也必须牢记低功耗和高集成度。DAC是整个电路的关键元件，而不是占用PCB上的空间，尽可能多地集成到DAC中。例如，线性稳压器也为整个现场仪表供电。它还支持与PLC的通信，从而承担设备的控制和监控。与HART调制解调器协调良好的DAC是AD5421。

此处描述的信号链显示了用于压力或温度测量的工业4.0兼容环路馈电现场仪表的可能设计。该智能变送器可用于智能监控、控制和反馈，专为低空间要求和低功耗而设计。ADI公司所选模块能够应对当今和未来的新挑战。

审核编辑：郭婷