Instrumentos de campo inteligentes: el camino inteligente hacia la Industria 4.0

La humanidad está constantemente siendo empujada a mayores alturas a través de los desarrollos en la tecnología y la industria. Estos desarrollos están marcados por pasos importantes, o hitos, en la historia de la tecnología conocidos como revoluciones industriales. Hemos llegado a una nueva etapa: Industria 4.0.

La primera, segunda y tercera revoluciones industriales vieron el uso de energía de vapor y agua para la producción, producción en masa utilizando electricidad e informatización, respectivamente, pero en la cuarta revolución el énfasis se desplazó a la automatización de fábricas digitales. La automatización digital se utiliza en todas las áreas de negocio para aumentar la eficiencia a través del control automático. Con este tipo de control es posible el mantenimiento preventivo y se puede aumentar la producción y la disponibilidad. Con operaciones totalmente interconectadas, las rutas de suministro se pueden planificar mejor, se eliminan los costos de almacenamiento y se garantiza una mejor utilización. En tiempos de demanda cada vez mayor, el tiempo de inactividad de la máquina es costoso. Una fábrica en red facilita la planificación y así evita interrupciones en la producción.

En Industria 4.0, el enfoque no está solo en los nuevos desarrollos. Otro aspecto que tiene en cuenta el factor costo es el uso continuo y la expansión de la infraestructura existente para lograr una rápida amortización de la fábrica digital. Para el operador de una fábrica inteligente, los costos de adquisición (que deberían ser bajos) y la necesidad de cambios estructurales importantes (que no deberían existir) son criterios importantes que deben evaluarse en un análisis de costo-beneficio. Un elemento clave para lograr una fábrica inteligente es el uso de instrumentos de campo inteligentes, conocidos como transmisores inteligentes, para respaldar el monitoreo y diagnóstico de la fábrica, así como la conexión en red con nuevos instrumentos adicionales de campo terrestre. Estos transmisores inteligentes se pueden distribuir por toda la instalación, se pueden conectar diferentes sensores y se pueden monitorear partes que antes no estaban conectadas. Los dispositivos de campo son la unidad básica universal e inteligente de Industry 4.0. Estas unidades se discutirán con más detalle usando un ejemplo de un instrumento que se puede usar con varios sensores, como termómetros de resistencia, termopares y sensores de presión.

Desarrollados a partir de instrumentos de campo comúnmente utilizados en la actualidad, los transmisores inteligentes son instrumentos de campo inteligentes que reciben alimentación de bucle o también alimentación auxiliar. Un transmisor inteligente, junto con otros componentes que contiene, utiliza un microprocesador que contiene el software necesario para hacer que un transmisor sea inteligente. Sin embargo, la información del instrumento de campo debe almacenarse solo en el software del microcontrolador. Los diagnósticos y otras funciones de seguridad también se pueden integrar en otros módulos de semiconductores (p. ej., convertidores de analógico a digital (ADC)) para que el microcontrolador pueda contener software de procesamiento adicional. Los transmisores inteligentes suelen utilizar el bucle de corriente estándar de 4 mA a 20 mA, que limita el consumo máximo de energía de un transmisor. Por lo tanto, el consumo de los respectivos componentes debe limitarse severamente. Si se utiliza una corriente de alarma baja de 3,2 mA, este límite es de 3,2 mA. Las tendencias de los transmisores inteligentes incluyen un menor consumo de energía, una huella más pequeña, mejor funcionalidad, mejor rendimiento, consideraciones de seguridad y mantenimiento preventivo (Figura 1).

En la Figura 2 se muestra una cadena de señal típica de un transmisor inteligente. El instrumento contiene un sensor y un ADC, que a menudo consta de una interfaz analógica y una unidad de preprocesamiento analógica. Desde el ADC, la señal digital se envía a través de una barrera de aislamiento a un microprocesador y luego a una interfaz. Una solución de 2 hilos a través de la interfaz de 4 mA a 20 mA generalmente se usa hoy en día en la automatización de plantas. Esto requiere un convertidor digital a analógico (DAC). El protocolo Continental Addressable Remote Translator (HART) permite el uso bidireccional de la interfaz. Si la sala de control también está habilitada para HART, se pueden transmitir procesos más complejos a través del protocolo HART y, por lo tanto, beneficiarse más de los instrumentos de campo.

A continuación, se describe con más detalle la función de cada componente y se muestra un ejemplo de un circuito diseñado para ser especialmente eficiente y ahorrar espacio. El circuito fue construido con módulos de Analog Devices que cumplen con todos los requisitos de la Industria 4.0 y contó con alta precisión y bajo consumo de energía. La figura 3 muestra un diagrama de circuito esquemático (arriba) y un diagrama de circuito ilustrado (abajo).

El sensor está conectado a un convertidor analógico a digital; en este caso, AD7124 Σ-Δ ADC de 24 bits. Este ADC es un módulo muy integrado. Incorpora un front-end analógico que ahorra espacio y no requiere instrumentación externa ni amplificador operacional. El AD7124 se puede diseñar de manera flexible con cuatro u ocho entradas diferenciales para usar con una variedad de sensores. Además, el ADC tiene una fuente de alimentación programable, que es necesaria, por ejemplo, para sensores de temperatura pasivos, así como tres modos de alimentación diferentes. Estos permiten un diseño muy variable de consumo de energía.

La precisión y la tasa de datos de salida están determinadas por la selección del modo de potencia. Por lo tanto, también es posible operar el instrumento de campo bajo un límite de potencia de 3,2 mA para conectar microprocesadores más potentes o sensores adicionales para mediciones en paralelo. El AD7124 también tiene varias capacidades de diagnóstico, que incluyen:

• Leer/escribir sin excepción en programas válidos
• Solo se leen datos válidos del registro.
• Habilitar el autodesacoplamiento del regulador de voltaje (LDO)
• Validación del rendimiento de los moduladores y filtros ADC según las especificaciones
• Validar sobretensión o subtensión

Estas precauciones no solo facilitan el cumplimiento de los estándares de seguridad, sino que también se puede transmitir información a través del protocolo HART para planificar intervenciones de mantenimiento en los instrumentos de campo muy temprano. Debido a la mayor disponibilidad y los requisitos de mantenimiento reducidos resultantes, Industry 4.0 ha resultado en un aumento significativo en la eficiencia.

Otro aspecto crítico es el aislamiento del instrumento del campo. Un aislamiento insuficiente puede provocar bucles de tierra y sobretensiones, que pueden dañar no solo el instrumento sino también un controlador lógico programable (PLC) conectado cuando se transmite a través de la conexión de 2 hilos. Aunque un buen aislamiento a menudo choca con el límite actual de los instrumentos de campo controlados por bucle; en este ejemplo, se utiliza un aislador digital ADuM1441. Para velocidades de datos bajas, se requería mucha menos energía que las soluciones anteriores y, por lo tanto, permite un aislamiento adecuado dentro de los límites de energía dados.

Otra característica del instrumento de campo además del AD7124 y la unidad ADuM1441 es el microcontrolador. BRAZOS^®Generalmente se utilizan microcontroladores basados ​​en microcontroladores como ADuCM3027/ADuCM3029. Su consumo activo es inferior a 38 µA/MHz, lo que los hace aptos para transmisores inteligentes. Los microcontroladores ARM están muy extendidos en la industria y, por lo tanto, también son adecuados para aplicaciones de seguridad. El ADuCM3027/ADuCM3029 también cuenta con cifrado AES-128/AES-256 para habilitar funciones de seguridad adicionales. Es en estos microcontroladores que se puede programar software inteligente para realizar diagnósticos. Por ejemplo, la calibración del AD7124 garantiza que el instrumento proporcione un rango de medición preciso.

El protocolo HART permite el diseño inteligente de instrumentos de campo sin mayores requisitos de infraestructura. Se puede utilizar en un bucle de corriente de 4 mA a 20 mA, aunque esto requiere un esclavo HART y un maestro HART. HART permite al usuario establecer una conexión digital entre el instrumento de campo y el PLC. Esto crea un vínculo inteligente entre la sala de control y el instrumento de campo. La implementación de HART requiere un módem HART conectado a un DAC compatible con HART. Estos dispositivos deben ser altamente integrado y tiene bajo consumo de energía. Estos dos factores, tamaño reducido y bajo consumo de energía, son los requisitos básicos de la Industria 4.0.

HART permite la comunicación digital sobre el bucle de corriente, pero se requiere un módem HART para modificar esta señal en una señal de corriente pura. El módem HART de potencia ultrabaja AD5700 fue desarrollado para este propósito.

La bala final de un instrumento de campo moderno es el convertidor digital a analógico. Aquí también, en el caso de la Industria 4.0, se debe tener en cuenta el bajo consumo de energía y la alta integración. El DAC es una parte integral de todo el circuito: en lugar de ocupar espacio en la PCB, se incorpora la mayor parte posible al DAC. Un ejemplo es un controlador lineal que también alimenta el instrumento de campo completo. También permite la comunicación con el PLC y así lleva el control y seguimiento de la unidad. Un DAC que va bien con un módem HART es el AD5421.

La cadena de señal descrita aquí representa un diseño posible para un instrumento de campo de bucle de potencia compatible con Industry 4.0 para medir presión o temperatura. Este transmisor inteligente se puede utilizar para monitoreo, control y retroalimentación inteligentes, y está especialmente diseñado para una huella pequeña y un bajo consumo de energía. Los módulos seleccionados de Analog Devices pueden enfrentar los nuevos desafíos de hoy y mañana.