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

第一次、第二次和第三次工業(yè)革命分別預(yù)示著蒸汽和水力發(fā)電、電力大規(guī)模生產(chǎn)和計算機化，但在第四次革命中，重點已轉(zhuǎn)向工廠的數(shù)字自動化。數(shù)字自動化用于公司的所有領(lǐng)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(yù)防性維護，并且可以提高產(chǎn)量和可用性。通過完全聯(lián)網(wǎng)的操作，可以更好地規(guī)劃供應(yīng)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(lián)網(wǎng)工廠有助于規(guī)劃，因此有助于防止生產(chǎn)中斷。

在工業(yè)4.0中，重點不僅僅是新的發(fā)展。繼續(xù)使用和擴展現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施以實現(xiàn)數(shù)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(yīng)該很低）和對重大結(jié)構(gòu)改造的需求（應(yīng)該不存在）是必須在成本效益分析中評估的重要標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)智能工廠的一個關(guān)鍵方面是使用具有智能的現(xiàn)場儀表（所謂的智能變送器）來支持工廠監(jiān)控和診斷，以及與其他新現(xiàn)場儀表聯(lián)網(wǎng)。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(jiān)控以前未連接的部件。現(xiàn)場儀表構(gòu)成了工業(yè)4.0的通用智能基礎(chǔ)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(dāng)今常用的現(xiàn)場儀表開發(fā)而成，是純回路饋電或額外提供輔助能量的智能現(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)體模塊（例如，模數(shù)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA電流環(huán)路，這限制了變送器的最大功耗。因此，必須嚴(yán)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(yù)防性維護（圖 1）。

圖1.工業(yè)4.0智能變送器的趨勢。

典型的智能發(fā)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(yù) 處理 單元 組成。數(shù)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。高速可尋址遠程傳感器（HART）協(xié)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(xié)議傳輸更復(fù)雜的過程，從而從現(xiàn)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(shè)計得特別有效且節(jié)省空間的示例電路。該電路采用ADI公司的模塊構(gòu)建，滿足工業(yè)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(shù)轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)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(guān)重要。這些允許功耗的非?？勺兊脑O(shè)計。

精度和輸出數(shù)據(jù)速率通過選擇功率模式來確定。因此，現(xiàn)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(shù)據(jù)讀取到寄存器

穩(wěn)壓器 （LDO） 清潔去耦驗證

根據(jù)規(guī)格驗證ADC調(diào)制器和濾波器的性能

過壓或欠壓驗證

這些預(yù)防措施不僅使遵守安全標(biāo)準(zhǔn)變得更加容易，而且信息也可以通過HART協(xié)議傳遞，以便提前規(guī)劃現(xiàn)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(yè)4.0轉(zhuǎn)化為巨大的效率提升。

現(xiàn)場儀表的絕緣是另一個關(guān)鍵方面。絕緣不足會導(dǎo)致接地回路和過電壓，當(dāng)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(huán)饋現(xiàn)場儀表的電流限制相抵觸;本例使用數(shù)字絕緣體ADuM1441。對于低數(shù)據(jù)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(nèi)實現(xiàn)足夠的絕緣。

除了AD7124和ADuM1441單元之外，現(xiàn)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(fā)射器。ARM微控制器在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，因此也適用于安全相關(guān)應(yīng)用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密功能，可實現(xiàn)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(zhí)行診斷，例如，AD7124的校準(zhǔn)可確?，F(xiàn)場儀表提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。?

HART協(xié)議允許現(xiàn)場儀表的智能設(shè)計，而無需主要的基礎(chǔ)設(shè)施要求。它可以在4 mA至20 mA電流環(huán)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(xiàn)場儀表和PLC之間建立數(shù)字連接。這在控制室和現(xiàn)場儀表之間建立了智能連接。對于HART實現(xiàn)，需要一個連接到HART兼容DAC的HART調(diào)制解調(diào)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(yè)4.0的基本先決條件。

HART在現(xiàn)有電流環(huán)路上實現(xiàn)數(shù)字通信，但需要HART調(diào)制解調(diào)器將此信號調(diào)制為干凈的電流信號。AD5700超低功耗HART調(diào)制解調(diào)器就是為此而開發(fā)的。

現(xiàn)代現(xiàn)場儀表的最后一個支柱是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在工業(yè)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(guān)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(wěn)壓器也為整個現(xiàn)場儀表供電。它還支持與PLC的通信，從而承擔(dān)設(shè)備的控制和監(jiān)控。與HART調(diào)制解調(diào)器協(xié)調(diào)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(yè)4.0兼容環(huán)路饋電現(xiàn)場儀表的可能設(shè)計。該智能變送器可用于智能監(jiān)控、控制和反饋，專為低空間要求和低功耗而設(shè)計。ADI公司所選模塊能夠應(yīng)對當(dāng)今和未來的新挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷