Важнейшей составляющей прогнозируемой четвёртой промышленной революции является внедрение в производство парадигмы Индустрии 4.0, подразумевающей использование киберфизических систем (CPS – Cyber-Physical Systems) в различных отраслях промышленности. Каких-либо стандартизованных определений сути Индустрии 4.0 в данное время не существует, тем не менее, к основным составляющим Индустрии 4.0 многие эксперты относят следующие технологические и организационные решения:
- гибкая и автоматическая адаптация производственных цепочек к требованиям быстро изменяющейся обстановки на рынках;
- широкое использование Интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта для оптимизации производственных цепочек и снижения затрат;
- существенное наращивание степени автоматизации производства и снижение участия человека в производственных процессах;
- широкое использование облачных технологий для функционирования автоматизированных производств и хранения больших объёмов данных;
- внедрение 3D-печати и печатной электроники для создания продуктов как широкого бытового, так и специального назначения.
Разработкой компонентов и решений для автоматизированных производств настоящего и будущего занимаются как ведущие производители мирового уровня, так и относительно небольшие технологические компании. Не осталась в стороне от этого процесса и компания Texas Instruments (TI). Одной из задач в области контроля промышленного оборудования, решение которой реализовала компания, является внедрение непрерывного контроля систем и узлов промышленного оборудования.
Традиционно контроль оборудования на большинстве производств осуществляется в планово-предупредительном порядке, когда через определённые промежутки времени заменяются узлы и компоненты оборудования, подверженные износу. Сроки проведения профилактических замен деталей и узлов промышленного оборудования выбираются с большим запасом, что приводит к неоправданно высоким затратам на обслуживание. В действительности многие узлы оборудования, подлежащие замене в планово-предупредительном порядке, могут служить существенно дольше.
Непрерывный мониторинг состояния критических узлов промышленного оборудования устраняет указанные недостатки планово-предупредительного обслуживания. Кроме того, при непрерывном контроле и использовании достаточного числа датчиков существенно снижается и вероятность аварийных ситуаций на производстве. Непрерывный контроль оборудования также позволяет более точно определять конкретные дефектные участки и элементы производственных линий и станков за счёт использования методов математического моделирования и соответствующего программного обеспечения самих систем мониторинга.
Компания TI разработала ряд решений и компонентов для реализации непрерывного мониторинга датчиков различного типа через проводные и беспроводные интерфейсы с возможностью обмена и хранения данных в облачных сервисах. В октябре 2014 года TI объявила о сертификации своих устройств SimpleLink Wi-Fi CC3100 и СС3200 (см. рис. 1) альянсом Wi-Fi Alliance.
Таким образом, компания стала первой в мире, получившей сертификат Wi-Fi CERTIFIED на чипы для Интернета вещей. Сертификат означает, что чипы CC3100 и СC3200 содержат все необходимые компоненты для взаимодействия с сетями Wi-Fi и интеграции в системы IoT. С этого момента клиенты TI могут заказывать образцы чипов, оценочные комплекты CD3200 LaunchPack и встраиваемые платы CC3100 BoosterPack. В том же году компания представила платформу Internet-on-a-chip на базе CC3100 и CC3200 со следующими характеристиками и функциональными возможностями:
- гибкость в использовании микроконтроллеров: с СС3100 можно использовать любой микроконтроллер, а в СС3200 уже есть встроенный микроконтроллер с архитектурой ARM Cortex-M4, позволяющий клиентам добавлять свой собственный код;
- простая и удобная разработка систем с быстрым подключением, облачной поддержкой, встроенным Wi-Fi, доступом в Интернет и надёжной платформой безопасности;
- возможность простого и безопасного подключения устройства к Wi-Fi с помощью приложения для смартфона, планшета или веб-браузера с несколькими вариантами инициализации, включая технологии SmartConfig, WAC, WPS;
- самое низкое в отрасли энергопотребление для устройств с батарейным питанием и маломощных радиоприёмников;
- поддержка 14 различных стандартов и технологий беспроводной связи, в том числи Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Sub-1 GHz, 6LoWAN и других.
Компания продолжает развивать свою деятельность в области беспроводных технологий и платформы SimpleLink MCU. В разделе Wireless Portfolio каталога TI 2019 года представлены более 130 различных продуктов для этого направления [1]. Рассмотрим особенности платформы SimpleLink MCU на примере одной из новейших серий систем на кристалле (SoC) со встроенными микроконтроллерами CC3235х. В серию входят модули CC3235MODS, CC3235, CC3235MODSF, CC3235S, CC3235SF, отличающиеся типами корпусов (QFM63 – исполнений MODx, VQFN64 – исполнений S/SF) и некоторыми характеристиками.
CC3235MODx SimpleLink Wi-Fi CERTIFIED – двухдиапазонный Wi-Fi сертифицированный модуль с поддержкой стандартов IEEE802.11a/b/g/n: 2,4 ГГц и 5 ГГц, FCC, IC/ISED, ETSI/CE и сертификацией по MIC Certified. Модуль выполнен по технологии SoC с многоядерной архитектурой вычислительного сегмента, содержит встроенный микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M4, ОЗУ объёмом 256 Кбайт (опционально до 1 Мбайт), четырёхканальный 12-разрядный АЦП, четыре таймера общего назначения (GPT), сторожевой таймер, до 27 выводов GPIO. Периферия и интерфейсы модуля: McASP с поддержкой двух I2S каналов, SD, SPI, I2C, UART, JTAG, cJTAG, SWD.
Ядро Wi-Fi-модуля с встроенной подсистемой управления питанием обеспечивает режимы точки доступа, станции, Wi-Fi Direct (только в диапазоне 2,4 ГГц), скорость передачи данных составляет 16 Мбит/с (UDP) и 13 Мбит/с (TCP), информационная безопасность отвечает требованиям WEP, WPA/WPA2, WPA Enterprise. Поддерживаются следующие интернет-технологии и протоколы приложений: HTTPs Server, mDNS, DNS-SD, DHCP, IPv4/IPv, TCP/IP стеки, 16 RSD. Выходная мощность передатчика в диапазоне 2,4 ГГц составляет 16 дБм, в диапазоне 5 ГГц – 15 дБм, чувствительность приёмника составляет –94,5 дБм (2,4 ГГц) и –89 дБм (5 ГГц).
Для работы модуля необходимы внешние резонаторы на частоты 40 МГц и 32,768 кГц, ВЧ-фильтры, диплексеры и пассивные компоненты. Приборы рассчитаны на работу в диапазоне температур окружающей среды от –40 до +85°С. Данные модули могут найти применение в следующих приложениях: промышленная автоматика, контроль электрических сетей, отслеживание активов (Asset Tracking), системы безопасности зданий, системы видеонаблюдения, видеокамеры с малым энергопотреблением, медицинские приборы и здравоохранение, автоматика промышленных и жилых помещений.
Компания TI обеспечивает аппаратную, информационную и программную поддержку разработчиков решений на базе модулей СС3235x. В частности, доступны комплект разработчика, типовая схема сети IoT для автоматических выключателей и датчиков оборудования, рекомендации по компоновке Wi-Fi и IoT решений на базе CC3135 и CC3235, двухдиапазонный комплект разработчика на базе LAUNCHXL-CC3235S SimpleLink, плагин для разработки и программирования SIMPLELINK-SDK-PLUGIN-FOR HOMEKIT и другие материалы.
Комплект разработчика CC3235 SimpleLink Wi-Fi LaunchPack Development Kit выполнен на основе модулей CC3235S/SF и предназначен для отладки беспроводных решений для IoT. В состав комплекта входят: отладочная плата, кабель micro-USB и руководство по быстрому запуску устройства. Внешний вид отладочной платы и её основные компоненты показаны на рисунке 2.
Основные особенности комплекта:
- реализация доступа в Интернет на микросхеме CC3235 SimpleLink Wi-Fi с встроенным микроконтроллером;
- 40-выводная плата LaunchPad;
- стандарт XDS110 на базе JTAG-эмуляции с последовательным портом для программирования, поддержка 4-проводных JTAG и 2-проводных SWD-интерфейсов;
- две кнопки и RGB-светодиод для пользовательского интерфейса;
- виртуальный порт UART для подключения ПК, реализуемый через порт micro-USB;
- антенна Wi-Fi, датчики ускорения и температуры для проверки работы устройства вне помещений с передачей данных через интерфейс I2C;
- большая дальность действия – до 200 м на открытом пространстве.
Кроме модулей CC3235 компания выпускает целый ряд других компонентов для применения в проводных и беспроводных системах различного назначения и в Интернете вещей. В каталоге компании на конец 2019 года в категории Wireless Connectivity предлагалось 58 проектов, выполненных по различным технологиям, и 87 продуктов для приложений SimpleLink. В продуктах этой группы используются следующие технологии: Bluetooth с низким энергопотреблением, мультистандартные Sub-1 GHz, Thread (ячеистые сети), Wi-Fi, Zigbee и проводные решения. Особенности некоторых микросхем для этих приложений приведены в таблице.
Компания TI разработала ряд рекомендаций по применению однодиапазонного (CC3220) и двухдиапазонного (CC3235x) модулей в различных приложениях сетей Wi-Fi IoT, в том числе в промышленной автоматизации и управлении производством Индустрии 4.0, к основным составляющим которой компания относит контроль промышленного оборудования, организацию передачи данных от датчиков и человеко-машинный интерфейс [2].
Для организации непрерывного контроля компания предлагает использовать системы, состоящие из шлюзов мониторинга состояния, модулей мониторинга состояния и датчиков контроля состояния. Для этих составляющих систем автоматизации производства TI выпускает широкую номенклатуру микросхем, а также отладочные комплекты и другие продукты.
Контроль промышленного оборудования
Компания TI располагает обширной номенклатурой микросхем и эталонных конструкций для построения шлюзов мониторинга состояния. В число таких продуктов входят микроконтроллеры с ультранизким энергопотреблением MSP430, микропроцессоры SimpleLink MSP432, СС3200, 32-разрядные микроконтроллеры TM4Cxxx и другие компоненты.
Для построения модулей мониторинга состояния компания предлагает более двух десятков различных микросхем:
- прецизионные ЦАП DAC8775, DAC7750, DAC8560, DAC8750, DAC8760;
- прецизионные АЦП ADS8321, TLC1543, ADS127L01, ADS8681, ADS1262;
- прецизионные операционные усилители INA149 и ОУ общего назначения LM2902, OPA2171, OPA4171, LMV751;
- коммутаторы и мультиплексоры TMUX1574, TMUX1072, MUX36S08, TS5A2315, TS3A5017, TS5A3159;
- прецизионный источник образцового напряжения REF6025.
При подключении различных датчиков состояния отдельных компонентов промышленного оборудования возникает потребность в устройствах для их сопряжения с системами контроля.
В качестве таких компонентов TI предлагает следующие продукты:
- прецизионные ОУ OPA4988, OPA325, LM7702, LM77016 и ОУ общего назначения OPA2348, LMV751;
- прецизионный АЦП ADS1148, ADS122U04, ADS1271, ADS1220, ADS8320;
- прецизионный ЦАП DAC5311;
- упомянутые выше микроконтроллеры MSP432, а также различные логические микросхемы, коммутаторы, мультиплексоры и микросхемы управления питанием.
Передача данных от датчиков
Компания TI ориентируется на датчики температуры, потока, уровня и давления. Кроме датчиков в системах промышленной автоматизации применяются актуаторы (приводы). Для получения данных от датчиков и управления актуаторами необходимы соответствующие передатчики (преобразователи) и драйверы. Для их построения компания выпускает ряд микросхем и отладочных комплектов.
Микросхемы и эталонные конструкции компании TI позволяют разработчикам создавать решения для гидравлических, пневматических и электрических приводов промышленного назначения. Для этих целей рекомендуются следующие компоненты:
- драйверы затворов MOSFET серии UCC2751xx, UCC27517 (ток до 4 А), UCC27511A (8 A) в миниатюрных корпусах WSON (3´3 мм) и SOT-23 (пять и шесть выводов);
- интеллектуальные коммутаторы питания TPS1H100-Q1, TPS4H160-Q1, TPS27S100, выпускаемые в корпусах HTSOP14, HTSSOP28 и QFN16, представляют собой одноканальные коммутаторы верхнего плеча (Single-Channel High-Side Switch);
- N-канальные NextFET MOSFET с малым сопротивлением открытого канала CSD18537NQ5A (Rdson = 13 мОм), CSD18543Q3A (9,9 мОм), CSD15380F3, CSD15571Q2 (19,2 мОм), CSD18532Q5B (3,2 мОм), предназначенные для применения в качестве ключей верхнего плеча и управления двигателями;
- драйвер промышленных пьезоизлучателей с интегрированным повышающим DC/DC-преобразователем DRV2700.
Номенклатура компонентов для построения систем передачи данных от различных типов датчиков в общем случае включает в себя согласующие и изолирующие устройства, усилители, АЦП, процессоры обратной связи, линейные регуляторы, различные коммутаторы, цифровые изоляторы, проводные и беспроводные интерфейсы, преобразователи данных, микросхемы управления питанием, цифровые и аналоговые микросхемы различного назначения и ряд других компонентов. Номенклатура таких компонентов TI чрезвычайно широка и требует отдельного рассмотрения. Компания также выпускает ряд эталонных конструкций, отладочных плат, комплектов и модулей, предназначенных для того, чтобы помочь разработчикам в создании систем передачи данных от датчиков. Рассмотрим некоторые из них подробнее.
TIDA-010018 – изолированный интерфейс питания и данных для приложений с низким энергопотреблением. Внешний вид устройства приведён на рисунке 3.
Интерфейс предназначен для приложений, требующих высокоэффективного преобразования энергии и изолированной передачи данных при питании от источников с ограниченными возможностями по току, таких как преобразователи температуры, потока/расхода и давления. Основными компонентами интерфейса TIDA-010018 являются:
- ISO7041 – 4-канальный цифровой изолятор с ультранизким энергопотреблением;
- TPS60402 – генератор подкачки заряда с фиксированной частотой переключения 50 кГц и выходным током до 60 мА;
- TPS62125 – понижающий DC/DC-преобразователь напряжения 3–17 В/300 мА;
- TPS62745 – сдвоенный понижающий преобразователь для маломощных беспроводных приложений;
- TPS727 – стабилизатор с низким падением напряжения для беспроводных приложений.
TIDA-01504 – высокоточный полевой передатчик (преобразователь) с HART-модемом (см. рис. 4).
Устройство предназначено для применения в системах автоматизации производственных процессов, преобразователях температуры, давления, потока, уровня и давления с выдачей данных по протоколу HART, используемому в подобных приложениях. Основными компонентами прибора являются:
- DAC8740 – HART-модем с низким энергопотреблением, предназначенный для управления технологическими процессами в промышленности и автоматизации производства;
- DAC8830 – 16-разрядный ЦАП с ультранизким энергопотреблением;
- MSP430FR596 – 16-разрядный 16 МГц RISC-микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением, 16-канальным аналоговым компаратором, 12-разрядным АЦП, ОЗУ 64 Кбайт FRAM, 2 Кбайт SRAM, 40 портами ввода/вывода общего назначения.
Напомним, что HART-протокол является открытым стандартом метода сетевого обмена, разработанным компанией Rosemount Inc. ещё в 1980 году. Этот протокол широко применяется и в настоящее время. Обмен данными между устройствами осуществляется по аналоговому каналу связи со скоростью 1200 бит/с. Основными преимуществами этого метода являются: отличная совместимость с аналоговыми датчиками и существующим оборудованием 4…20 мА, передача параметров и цифровой интерфейс по одной линии связи, большой и постоянно растущий выбор совместимых продуктов.
TIDA-00650 – датчик-преобразователь для термопар в форм-факторе DevPack (см. рис. 5) для подключения к отладочному модулю TI SensorTag (TIDC-CC2650STK-Sensortag).
С помощью этого прибора разработчики могут создавать решения для подключения датчиков температуры к беспроводным сетям Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi, Sub-1 GHz. Устройство позволяет измерять температуру в диапазоне от –270 до +1372°С с 24-разрядной дискретизацией, обеспечиваемой дельта-сигма АЦП ADS1220. Кроме АЦП ADS1220 на плате устройства установлены: коммутатор включения/выключения TS5A3159, эталонная термопара РТ100 для выполнения процедуры компенсации температуры холодного спая измерительной термопары и другие компоненты. Вывод данных о температуре в формате SPI производится через разъём SensorTag DevPack Connector. Области применения устройства: изолированные датчики температуры и полевые передатчики (преобразователи), автоматизация производственных процессов и мониторинг компонентов оборудования, системы автоматизация зданий, портативные измерительные приборы.
TIDC-CC2650STK – отладочный модуль SensorTag, предназначенный для отладки решений IoT с возможностью соединения с облачными сервисами. Устройство выполнено на миниатюрной плате и дополнено 10 МЭМС-датчиками (см. рис. 6).
Модуль обладает широкими возможностями по подключению различных датчиков и выбору стандартов беспроводной связи. С модулем SensorTag можно использовать приложения для iOS и Android без каких-либо навыков программирования. Модуль отличается очень низким энергопотреблением и может работать от батареи в течение длительного времени. Модуль SensorTag предоставляет возможность подключения большого числа датчиков, включая датчики освещения, цифровой микрофон, магнитный датчик, акселерометры, гироскопы, датчики давления, влажности, температуры. Если датчик подключён к «облаку», то доступ к нему возможен из любой точки мира. Без подключения к «облаку» данные можно считать в радиусе действия выбранного стандарта связи с помощью мобильных устройств. В комплект поставки входят: сам SensorTag, батарея CR2032, инструкция по запуску, приложения для iOS и Android. Возможно расширение функциональности комплекта с помощью отладочной платы DevPack. Прибор построен на беспроводном микроконтроллере CC2650 с ядром ARM Cortex-M3. Основными областями применения являются: портативные устройства для смартфонов, домашняя автоматика, схемы для подключения датчиков, интеллектуальное наблюдение, метеостанции.
Широкий ассортимент современной высокотехнологичной продукции, предлагаемой Texas Instruments, позволяет компании надёжно закрепиться на быстрорастущем рынке IoT- и IIoT-решений. Особого внимания заслуживает довольно широкая номенклатура отладочных модулей, позволяющая разработчикам быстро и эффективно реализовывать самые различные проекты.
Литература
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
