포괄적인 솔루션 세트를 통해 커넥티드 지능형 현장 계측기 구축

인더스트리 4.0의 최대 잠재력을 실현하기 위해 설계자는 열악한 환경에서 데이터를 획득하고 해당 데이터를 제어 시스템에 신뢰할 수 있고 안전하게 통신해야 합니다. 이러한 비전을 달성하기 위한 주요 기술 인에블러가 존재하지만 과거의 설계자는 스스로 효과적인 솔루션을 식별하고 구현해 왔습니다. 설계자는 프로세스 산업의 디지털 혁신을 달성하는 데 필요한 커넥티드 지능형 현장 계측기의 구현을 간소화하는 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 커넥티드 지능형 현장 계측기에 대해 커져가는 수요에 효과적인 답변을 제공하는 Analog Devices의 포괄적인 솔루션 사용에 대해 설명합니다.

4개 주요 기능 역량에 의존하는 현장 계측기

산업 자동화 배치에서 현장 계측기는 현장의 엔드 센서와 액추에이터 간에 신뢰할 수 있는 데이터 및 제어 교환을 보장하는 신호 처리 장치 모음과 이러한 장치와 해당 데이터를 관리하는 데 사용되는 호스트 시스템으로 구성되어 있습니다. 일반적인 응용 분야에서, 이러한 계측기는 4개의 주요 기능 역량을 지원해야 합니다.

• 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 또는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 통해 연결된 센서 또는 액추에이터와의 인터페이스 제공
• 신호 조정 및 엔드 장치 제어를 위한 마이크로 컨트롤러 장치(MCU) 제공
• 계측 작동 및 안전에 필요한 전력, 분리, 감독 제공
• 신뢰할 수 있고 안전한 데이터 및 제어 정보 교환에 필요한 다양한 연결 옵션에 대한 인터페이스 제공

설계자는 각 특정 센서 또는 액추에이터 기반 응용 분야를 지원하는 데 필요한 ADC, MCU, 전력 및 연결 장치를 검색하여 일반적인 현장 계측기에 대한 이러한 기능 요구 사항을 해결했습니다(그림 1).

그림 1: 현장 계측기를 제작할 때 설계자는 사용 가능한 ADC, DAC, MCU 및 추가 지원 장치를 사용하여 센서 데이터를 수집하거나 트랜스듀서를 제어하기 위한 기본 요구 사항을 해결했습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

인더스트리 4.0의 더욱 중요한 과제로 인해 현장 계측기 설계자는 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 지속적으로 제공하는 동시에 향상된 에지 인텔리전스, 안전 및 보안에 대한 요구 사항이 늘어나는 상황에 직면해 있습니다.

더욱 개선된 역량에 대한 요구를 촉진하는 인더스트리 4.0

센서 또는 액추에이터 인터페이스에서 더 많은 개수와 다양한 고해상도, 고대역폭 센서를 사용하려면 효과적인 AFE(아날로그 프런트 엔드) 솔루션이 필요합니다. 광범위한 센서 신호 획득 및 조정 요구에 따라 이러한 계측기의 처리 요구도 증가합니다. 또한, 더 뛰어난 에지 인텔리전스를 추구하려면 에지에서 인공 지능(AI) 알고리즘을 효율적으로 실행하여 현장 기기 효율성을 높이고 산업 안전을 강화할 수 있는 고급 프로세서가 필요합니다. 점점 더 확장되는 위협과 마주하여 이러한 계측기의 보안은 중요한 문제로 남아 있습니다.

향상된 기능을 갖춘 고급 현장 계측기는 일반적으로 계측기에 초당 1.2킬로비트(Kbits/s) 및 40밀리와트(mW) 미만의 전력 공급을 제공하는 레거시 4mA ~ 20mA(밀리암페어) 전류 루프 장치에 비해 더 높은 데이터 대역폭과 전력 공급을 요구합니다. 10BASE-T1L은 10Mbits/s의 데이터 대역폭과 최대 60W 또는 500mW(Zone 0)의 전력 공급을 지원하여 이더넷-APL을 통해 본질적으로 안전한 사용 사례를 장려합니다. 또한, 10BASE-T1L/이더넷-APL은 단일 연선 쌍 케이블에서 이러한 성능을 제공하면서 기존에 설치된 케이블의 재사용을 가능하게 합니다.

산업용 시스템에 더욱 까다로운 통신 요구 사항이 포함되어 있음에도 불구하고 레거시 현장 계측기와 새로운 인더스트리 4.0 응용 제품을 지원해야 할 필요성은 여전히 남아 있습니다. 결과적으로 설계자는 기존의 재개발 응용 제품과 개발 가능한 새로운 시스템의 통합을 위해 지능형 현장 계측기 설계에 응답해야 합니다(그림 2).

그림 2: 지능형 현장 계측기를 설계할 때 설계자는 새로운 전력 및 데이터 대역폭 요구 사항에 대응하고 기존 산업 응용 제품을 지원해야 하는 문제를 마주하게 됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Analog Devices의 고급 장치를 통해 설계자는 기존 및 새로운 산업 자동화 시스템에 사용되는 지능형 현장 계측기에 대한 요구 사항을 신속하게 처리할 수 있습니다.

포괄적인 장치 세트로 고급 현장 계측기의 요구 사항 충족

일반적인 현장 계측기는 광범위한 요구 사항을 충족해야 합니다. 일반적인 압력 센서 송신기는 설계자가 자신의 응용 제품에서 이러한 요구 사항을 손쉽게 충족할 수 있는 방법을 보여줍니다(그림 3).

그림 3: 압력 센서 송신기 고수준 설계는 일반적인 지능형 현장 계측기의 센서 인터페이스, 프로세서, 전력, 연결 기능 역량에 대한 기본적인 요구 사항을 설명합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

제시된 압력 센서 송신기 설계에서, 신호 체인은 저항 브리지 압력 센서에 대한 여자 전류를 제공하고 압력에 대한 센서 반응으로 생성된 차동 전압을 측정해야 합니다. 여기서, Analog Devices의 AD7124 또는 AD4130 AFE와 같은 단일 통합 장치는 디지털 출력을 가진 완전한 다중 채널 신호 체인의 일부로 여자 전류를 제공하여 센서 인터페이스를 간소화합니다(그림 4).

그림 4: AD7124 AFE는 대부분의 능동 및 수동 센서에서 디지털 데이터를 생성하는 데 필요한 완전한 다중 채널 신호 체인을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

센서 서브시스템을 완료하기 위해 설계자는 Analog Devices ADuCM36x 제품군의 MCU를 사용하여 AFE를 관리하고 추가적인 신호 처리, 보정, 보상을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 설계자는 ADuCM36x MCU의 통합 24비트 ADC를 사용하여 온도 센서의 판독값을 변환하여 저항 브리지 센서의 온도 보상을 제공할 수 있습니다(그림 4).

현장 계측기의 더욱 포괄적인 처리 및 종합 관리를 위해 설계자는 고성능 Arm® Cortex®-M4 MCU(예: Analog Devices의 MAX32675 또는 MAX32690)를 통합할 수 있으며 새로운 AI 마이크로 컨트롤러(예: 다수의 수상을 통해 그 우수성이 입증된 MAX78000 제품군)를 통해 에지 신경망의 최고 효율 실행을 보장할 수 있습니다. Analog Devices의 ADUM1440 디지털 아이솔레이터에 의해 센서 서브시스템에서 분리된 이 고성능 MCU는 현장 계측기 작동, 추가적인 주변 장치, 연결을 관리합니다.

산업 자동화를 위해 설계된 이 MCU는 다양한 특수 응용 제품 요구 사항을 충족합니다. 예를 들어, MAX32675는 4mA ~ 20 mA 전류 루프 응용 제품에 매우 적합하며 MAX32690은 무선 응용 제품 및 충분한 메모리를 위해 고급 Bluetooth 5.2 low energy(LE) 무선을 통합하여 Profinet과 같은 대규모 커뮤니케이션 스택을 지원할 수 있습니다. 두 프로세서는 통합된 진정한 난수 생성기, 고급 암호화 표준(AES) 엔진, 보안 비휘발성 키 스토리지, 보안 부트를 제공하여 커져가는 보안 문제를 해결합니다.

현장 계측기의 장치에 정격 출력을 공급하기 위해 설계자는 일반적으로 저드롭아웃(LDO) 조정기(예: Analog Devices의 ADP162)와 DC-DC 강압 스위칭 조정기(예: Analog Devices의 ADP2360)를 포함할 수 있습니다. 프로세서 서브시스템에 대해 정확한 공급 전압을 보장하는 것은 전기적으로 잡음이 많은 환경에서 작동하는 지능형 현장 계측기 설계에 있어 필수적입니다. Analog Devices의 ADM8323 감시기를 사용하여 설계자는 공급 전압이 사전 설정된 전압 임계값보다 높게 유지할 수 있습니다.

전력 공급, 전력 차단, 브라운아웃 이벤트 동안 ADM8323은 MCU를 초기화 상태로 유지하는 신호를 어설션합니다. 전력이 임계값 수준 위로 돌아오면 ADM8323이 초기화를 해제합니다. 이 시점에서, 보안 부트를 지원하는 MCU(예: MAX32675 및 MAX32690)는 처리하기 전 프로그램 코드의 신뢰성을 확인합니다. 코드 실행이 정상적으로 지속되는지 확인하기 위해 설게자는 ADM8323의 윈도우형 통합 감시 타이머를 사용할 수 있습니다.

센서 데이터를 획득하고 코드를 안전하게 실행하는 것은 지능형 현장 계측기 작동의 기본적인 측면입니다. 응용 제품 수준에서 신뢰할 수 있는 통신은 매우 중요합니다. 수년 동안, 지능형 커넥티드 현장 계측기는 4mA ~ 20mA 전류 루프 장치와, 위상 연속 주파수 편이 방식(FSK) HART 최신 프로토콜을 사용하는 데이터 교환에 의존해 왔습니다. 설계자는 Analog Devices의 AD5421 4mA ~ 20mA DAC 및 AD5700 HART 최신 장치를 사용하여 기존 전류 루프와 HART 프로토콜 인터페이스를 지속적으로 지원할 수 있습니다.

산업 자동화 솔루션은 이전의 방법에서 지원할 수 있는 것보다 더 높은 전압 수준과 더 넓은 대역폭을 필요로 하므로, 10BASE-T1L 물리층 표준과 같은 연결 옵션이 필요합니다. 설계자는 Analog Devices의 ADIN1100 또는 ADIN1110을 사용하여 10BASE-T1L 연결을 신속하게 구현할 수 있습니다. ADIN1100은 설계를 위한 물리층(PHY) 트랜시버를 제공하지만 ADIN1110은 PHY 트랜시버와 미디어 액세스 제어(MAC) 인터페이스를 모두 통합하여 MAC를 통합하지 않고 저전력 프로세서를 사용할 수 있도록 합니다.

특수 요구 사항에 맞도록 현장 계측기 확장 및 개선

몇 개의 부품을 추가하거나 치환하여 설계자는 그림 3의 동일한 압력 센서 설계를 확장하거나 개선하여 특정 응용 제품에 필요한 커넥티드 현장 계측기를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 전자기 흐름 송신기 설계에는 동일한 전체적인 아키텍처를 사용하고 필요에 따라 단지 몇 개의 부품을 추가하거나 제거할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 설계자는 기존 현장 계측기 설계 소자를 재사용하면서 여기에 표시된 전자기 흐름 송신기에 대한 요구 사항과 같은 새로운 센서 인터페이스 요구 사항에 신속하게 대응할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 응용 제품의 경우 동일한 부품의 대다수가 전체적인 요구 사항을 충족하지만 서로 다른 센서 인터페이스가 필요합니다. 설계자는 유량 트랜스듀서에 필요한 정전류 여자 소스를 제공하기 위해 Analog Devices의 AD8422, ADP2441 DC-DC 조정기, ADuM4121 분리형 게이트 구동기와 같은 적합한 계측 증폭기를 사용하여 새로운 센서 인터페이스 요구사항을 충족할 수 있습니다.

제공되는 다른 구성 요소는 새로운 특수 요구 사항을 처리합니다. 예를 들어 커넥티드 지능형 현장 계측기에는 데이터가 공개되지 않도록 보호하고 최신 IEC 62443 요구 사항을 충족하면서 호스트에서 계측기로 전달되는 제어 지침의 무결성을 보장하기 위해 암호화 및 인증 기능이 필요할 수 있습니다. 이 경우, 설계자는 Analog Devices의 초저전력 MAXQ1065 보안 코프로세서를 추가하여 AES 메시지 암호화에 사용할 세션 키를 계산할 수 있습니다.

결론

정교한 산업 자동화 응용 제품은 지능형 현장 계측기의 기능을 기반으로 하며 더 많은 개수의 다양한 센서와 액추에이터를 지원할 수 있습니다. 이러한 계측기를 효과적으로 설계하기 위해 설계자는 이제 보다 까다로운 센서 인터페이스, 프로세서, 전력 및 연결 요구 사항을 지원하는 포괄적인 장치 세트를 활용할 수 있습니다.