包括的なソリューションセットで、コネクテッドインテリジェントフィールド計測器を迅速に構築

インダストリ4.0の可能性を最大限に実現するために、設計者は過酷な環境からデータを取得し、そのデータを制御システムに確実かつ安全に伝送する必要があります。この構想を達成するための主要なテクノロジは存在しますが、効果的な解決策を見いだし、実行に移すには、これまで設計者は自分たちだけでしかやってきませんでした。設計者は、プロセス産業におけるデジタルトランスフォーメーションの実現に必要なコネクテッドインテリジェントフィールド計測器の導入を簡素化するソリューションを必要としています。

この記事では、コネクテッドインテリジェントフィールド計測器に対する需要の高まりに効果的な回答を提供し、 Analog Devices 包括的ソリューションセットの使用について説明します。

4つの主要な機能に依存するフィールド計測器

産業オートメーションの展開においては、フィールド計測器は、信頼性の高いデータを保証する信号処理デバイスの集合体と、現場のエンドセンサとアクチュエータ間の交換制御、およびそれらのデバイスとそのデータの管理に使用されるホストシステムで構成されます。標準的なアプリケーションでは、これらの機器は次の4つの主要な機能をサポートする必要があります。

• A/Dコンバータ（ADC）またはD/Aコンバータ（DAC）を介して接続されたセンサまたはアクチュエータとのインターフェースの提供
• シグナルコンディショニングおよびエンドデバイス制御用のマイクロコントローラユニット（MCU）の提供
• 機器の操作および安全に必要な電源、絶縁、監視の提供
• データおよび制御情報の信頼性の高い安全な交換に必要なさまざまな接続オプションへのインターフェースの提供

設計者は、各特定のセンサまたはアクチュエータベースのアプリケーションをサポートするために必要なADC、MCU、電源、および接続デバイスを見つけることによって、標準的なフィールド計測器に対するこれらの機能要件に対応してきました（図1）。

図1：フィールド計測器を作製する際、設計者は、利用可能なADC、DAC、MCU、および追加のサポートデバイスを使用することで、センサデータを取得したり、トランスデューサを制御したりするための基本的な要件に対応してきました。（画像提供：Analog Devices）

インダストリ4.0のより重要な課題に伴い、フィールド計測器の設計者は、正確で信頼性の高いデータを提供し続ける一方で、より高度なエッジインテリジェンス、安全性およびセキュリティに対する要件の拡大に直面しています。

インダストリ4.0によるより高度な機能の必要性の高まり

センサやアクチュエータのインターフェースでは、高分解能、高帯域幅のセンサの数と種類が増えたため、効果的なアナログフロントエンド（AFE）ソリューションが必要になっています。このような機器に求められる処理能力は、センサ信号の収集とコンディショニングの需要に牽引され、それに応じて上昇します。さらに、エッジインテリジェンスを強化する動きは、エッジで人工知能（AI）アルゴリズムを効率的に実行できる高度なプロセッサを必要とし、現場機器の効率を高め、産業の安全性を強化します。拡大する脅威の中で、これらの計測器の安全性は依然として最も重要です。

機能が向上するにつれて、高度なフィールド計測器は、従来の4-20ミリアンペア（mA）電流ループデバイスと比較して、より高いデータ帯域幅と電力供給が必要になっています。通常は、機器への電力供給は1.2キロビット/秒（Kbits/s）で、40ミリワット（mW）未満です。10BASE-T1Lは、毎秒10メガビット（Mbits/s）のデータ帯域幅と、ゾーン0において最大60ワットまたは500mWの電力供給をサポートし、Ethernet-APLによる本質安全防爆のユースケースを奨励しています。さらに、10BASE-T1L/Ethernet-APLは、既存の敷設ケーブルを再利用しながら、シングルツイストペアケーブルでこの性能を提供します。

産業用システムの通信要件が厳しくなっても、従来のフィールド計測器と新たに登場するインダストリ4.0アプリケーションをサポートする必要性は変わりません。その結果、設計者は、既存のブラウンフィールドアプリケーションと新しいグリーンフィールドシステムを組み合わせたインテリジェントなフィールド計測器設計で対応しなければなりません（図2）。

図2：インテリジェントなフィールド計測器を設計する際、設計者は新たな電力とデータ帯域幅の要件に対応し、既存の産業用アプリケーションをサポートするという課題に直面します。（画像提供：Analog Devices）

設計者は、Analog Devicesの一連の先進デバイスを使用することで、既存および新規の産業オートメーションシステムに使用されるインテリジェントなフィールド計測器の要件に迅速に対応することができます。

包括的なデバイスセットで高度なフィールド計測器の要件を満たす

標準的なフィールド計測器は、さまざまな要件を満たさなければなりません。標準的な圧力センサトランスミッタは、設計者が自身のアプリケーションでこれらの要件を容易に満たすことができることを示しています（図3）。

図3：圧力センサトランスミッタの高レベル設計は、標準的なインテリジェントフィールド計測器のセンサインターフェース、プロセッサ、電源、およびコネクティビティ機能の基本要件を示しています。（画像提供：Analog Devices）

図の圧力センサトランスミッタの設計では、信号チェーンは抵抗ブリッジ圧力センサに励起電流を供給し、センサが圧力に反応するときに発生する差電圧を測定しなければなりません。ここで、Analog Devicesの AD7124 または AD4130 AFE のような単一集積デバイスは、デジタル出力のある完全なマルチチャネルシグナルチェーンの一部として励起電流を供給することにより、センサインターフェースを簡素化します（図4）。

図4：AD7124 AFE は、ほとんどのアクティブ/パッシブセンサからデジタルデータを生成するのに必要な完全なマルチチャンネルシグナルチェーンを提供します。（画像提供：Analog Devices）

センササブシステムを完成させるために、設計者はAnalog Devicesの ADuCM36x ファミリのMCUを使用して、AFEを管理し、追加の信号処理、校正、補正を実行することができます。たとえば、設計者はADuCM36x MCUの内蔵24ビットADCを使用して温度センサの読み値を変換し、抵抗ブリッジセンサの温度補償を行うことができます(図4）。

より広範な処理とフィールド計測器の全体的な管理のために、設計者はAnalog Devicesの MAX32675 や MAX32690 のような高性能 Arm® Cortex®-M4 MCUを組み込むことができ、一方、数々の賞を受賞したMAX78000ファミリのような新しいAIマイクロコントローラは、エッジでのニューラルネットワークの最高効率の実行を保証します。Analog Devicesの ADUM1440 デジタルアイソレータによってセンササブシステムから絶縁された高性能MCUは、フィールド計測器の動作、追加の周辺機器、およびコネクティビティを管理します。

産業オートメーション用に設計されたこれらのMCUは、さまざまな特殊アプリケーションの要件を満たしています。たとえば、MAX32675は4-20 mAの電流ループアプリケーションに適しており、MAX32690はワイヤレスアプリケーション用の先進的なBluetooth 5.2低エネルギー消費(LE)無線機と、Profinetのような大規模な通信スタックをサポートするのに十分なメモリを搭載しています。両プロセッサは、統合された真の乱数発生器、高度暗号化標準（AES）エンジン、セキュアな不揮発性キーストレージ、セキュアブートを提供することで、増大するセキュリティ上の懸念に対応しています。

フィールド計測器のデバイスに安定化電源を供給するために、設計者は通常、Analog Devicesの ADP162のような低ドロップアウト（LDO）レギュレータや、Analog Devicesの ADP2360のようなDC/DC降圧スイッチングレギュレータを使用します。プロセッササブシステムへの正しい電源電圧の供給は、電気的ノイズの多い環境で動作するインテリジェントなフィールド計測器設計に不可欠です。Analog Devicesの ADM8323 スーパーバイザを使用すると、設計者は電源電圧があらかじめ設定された電圧スレッショルド以上に維持されるようにすることができます。

電源オン、電源オフ、及びブラウンアウトの間、ADM8323はMCUをリセット状態に保持する信号をアサートします。電源がしきい値レベル以上に戻ると、ADM8323はリセットを解除します。この時点で、MAX32675やMAX32690のようなセキュアブートをサポートするMCUは、先に進む前にプログラムコードの信頼性を確認します。コードの実行が正常に継続することを確認するために、設計者はADM8323のウインドウ式の内蔵ウォッチドッグタイマを使用することができます。

センサデータを取得し、コードを確実に実行することは、インテリジェントなフィールド計測器の動作の基本的な側面です。アプリケーションレベルでは、信頼性の高い通信が重要です。何年もの間、インテリジェントに接続されたフィールド計測器は、4-20mA電流ループ機器と、位相連続周波数シフトキーイング（FSK）HARTモデムプロトコルを使用したデータ交換に依存してきました。設計者は、Analog Devicesの AD5421 4-20mA DACと AD5700 HARTモデムデバイスを使用して、既存の電流ループとHARTプロトコルインターフェースを容易にサポートできます。

産業用オートメーションソリューションでは、従来の方法では対応できない高い電圧レベルと広い帯域幅を必要とし、10BASE-T1L物理層規格のような接続オプションの必要性が高まっています。設計者は、Analog Devicesの ADIN1100 または ADIN1110を使用して、10BASE-T1L接続を迅速に実装することができます。ADIN1100が設計用に物理（PHY）層トランシーバを提供するのに対して、ADIN1110はPHYトランシーバとメディアアクセスコントロール（MAC）インターフェースの両方を集積しているため、MACを内蔵していない低消費電力プロセッサでの使用が可能です。

特殊な要件に対応するフィールド計測器の拡張と強化

いくつかのコンポーネントを追加または代用することで、設計者は図3の同じ圧力センサ設計を拡張および強化し、特定のアプリケーションに必要な接続フィールド計測器を作製することができます。たとえば、電磁流量トランスミッタの設計では、必要に応じていくつかのコンポーネントを追加したり削除したりするだけで、全体的に同じアーキテクチャを使用することができます（図5）。

図5：設計者は、既存のフィールド計測器設計の要素を再利用しながら、ここに示す電磁流量トランスミッタのような新しいセンサインターフェース要件に迅速に対応することができます。（画像提供：Analog Devices）

このアプリケーションでは、同じコンポーネントの多くが全体的な要件を満たしていますが、異なるセンサインターフェースが必要です。設計者は、Analog Devicesの AD8422のような適切な計装アンプ、 ADP2441 DC/DCレギュレータ、および流量トランスデューサに必要な定電流励起源を供給する ADuM4121 絶縁ゲートドライバを使用して、新しいセンサインターフェース要件を満たすことができます。

その他の利用可能なビルディングブロックは、新たな特殊要件に対応しています。たとえば、接続されたインテリジェントなフィールド計測器は、データを漏洩から保護し、ホストから機器に渡される制御命令の完全性を保証するために、最新のIEC 62443要件を満たす暗号化と認証機能を必要とする可能性があります。この場合、設計者はAnalog Devicesの超低消費電力 MAXQ1065 セキュリティコプロセッサを追加して、AESメッセージ暗号化で使用するセッションキーを計算することができます。

まとめ

洗練された産業用オートメーションアプリケーションは、インテリジェントなフィールド計測器の機能を基盤としており、より多くの多様なセンサやアクチュエータをサポートすることができます。これらの機器を効果的に設計するために、設計者は、より要求の厳しいセンサインターフェース、プロセッサ、電源、コネクティビティ要件をサポートする包括的なデバイスセットを利用できるようになりました。