科技和工業的發展不斷將人類進步推向新的高度。技術發展歷史上的巨大飛躍（或里程碑）稱之為工業革命。現在，我們已經邁入一個新階段：工業4.0。
第一次、第二次和第三次工業革命分別帶來蒸汽動力和水力生產、大規模電氣化生產以及計算機技術，第四次革命的重點則轉向了數字自動化工廠。企業全面廣泛運用數字自動化技術，通過自動控制提高效率。不僅可實現預測性維護，還可以提高產量和供貨效率。通過完全聯網的操作，可以更好地規劃供應路線，降低倉儲成本，確保提高利用率。在需求不斷上升的時代，機器停機的代價非常高昂。聯網控制工廠有利于規劃，從而有助于預防生產中斷。
工業4.0時代的重點不僅僅是發展新設施。如何繼續充分利用和擴充現有基礎設施，以實現數字工廠的快速攤銷，是從成本角度考慮的另一個重要因素。對于智能工廠的運營者來說，收購成本（越低越好）和是否需要重大結構性變更（最好是不需要）是在成本效益分析中必須評估的重要標準。實現智能工廠的一個關鍵方面是采用擁有智能處理能力的現場儀器儀表（即所謂的智能變送器）以支持工廠監測和診斷，以及與其他新增現場儀器儀表聯網。這些智能變送器可以分布在整個工廠中，不同的傳感器可以互連，并且可以對以前沒有聯網的部件進行監控。現場儀器儀表是實現工業4.0的通用基本智能單元。這些單元需進行更周詳的考慮，以儀器儀表為例，它可以與各種傳感器（如電阻溫度計、熱電偶和壓力傳感器）配合使用。
智能變送器是由當今常用的現場儀器儀表發展而來的智能現場儀器儀表，它完全由環路供電，或者由輔助電源補充供電。智能變送器除了所含的其他組件之外，主要利用微處理器，包含使變送器智能化的軟件。然而，現場儀器儀表的智能功能并非只能存儲在微控制器的軟件中。診斷和其他安全功能也可以集成到其他半導體模塊（例如，模數轉換器ADC）中，這樣微控制器就可以包含更多處理軟件。智能變送器通常使用標準的4 mA至20 mA的電流環路，這限制了變送器的最大功耗。因此，各個元件的功耗必須受到嚴格的限制。如果使用低至3.2 mA的報警電流，此限值為3.2 mA。對智能變送器的發展趨勢包括低功耗、小尺寸空間、更多功能、更好的性能、安全考慮和預測性維護（圖 1）。
圖1.面向工業4.0的智能變送器的發展趨勢。
典型的智能變送器信號鏈如圖2所示。這個儀器包含一個傳感器和一個ADC，通常由模擬前端和模擬預處理單元組成。數字信號從ADC經過隔離柵送入微處理器，然后進入接口。在當今的工廠自動化中，通常采用一個4 mA至20 mA接口的2線解決方案。這需要一個數模轉化器(DAC)。可尋址遠程傳感器高速通道(HART)協議允許雙向使用該接口。如果控制室也兼容HART，則可以通過HART協議傳輸更復雜的流程，從而通過現場儀器儀表可實現更多應用。
圖2.智能變送器框圖。
下文詳細介紹了每個元件的作用，并展示了一個特別高效并可節省空間的范例電路。該電路采用ADI公司的模塊構建，可滿足工業4.0的所有要求，具有高精度、低功耗的特點。圖3顯示的是電路框圖原理圖（上圖）和實物圖片電路圖（下圖）。
圖3.參考電路的原理圖（上圖）和實物圖片示意圖（下圖）。
傳感器連接至模數轉換器；本例中為AD7124 24位 Σ-Δ ADC。該ADC是一個高度集成的模塊。它集成了節省空間的模擬前端，無需外部儀表放大器和運算放大器。AD7124可靈活設計為具有4個或8個差分輸入，與各種傳感器搭配使用。此外，這款ADC具有可編程電源，這一點非常重要，例如，無源溫度傳感器需要三種不同的電源模式。這使得功耗設計非常靈活多變。
輸出數據的精度和速率取決于電源模式的選擇。因此，現場儀器儀表也有可能在3.2 mA的功率限制以下工作，與功能更強大的微處理器或其他傳感器連接以實現并行測量。AD7124還具有各種診斷功能，包括：
將所有數據讀取/寫入有效寄存器
僅將有效數據讀入寄存器
驗證電壓調節器(LDO)徹底去耦
驗證ADC調制器和濾波器性能是否符合規格
驗證是否過壓或欠壓
這些防范措施不僅有助于輕松達到安全設計標準，而且還可以通過HART協議傳送信息，提前規劃現場儀器儀表的維護工作。由于提高了可用性和降低了維護要求，工業4.0意味著效率的大幅提高。
現場儀器儀表的絕緣是另一個關鍵因素。絕緣不充分會產生接地回路和過壓，這不僅會損壞儀表，而且在通過2線連接傳輸時，還會損壞連接的可編程邏輯控制器(PLC)。而良好的絕緣通常能夠抗衡環路供電型現場儀器儀表的電流限值；本例中使用的是ADuM1441數字隔離器。低數據速率時，該器件所需功率比以前的解決方案要小很多，因此在給定的功耗限值內可以提供充分的絕緣。
除了AD7124和ADuM1441單元之外，另一個現場儀器儀表元件是微控制器。通常使用基于ARM?的微控制器，如ADuCM3027/ADuCM3029 。它們的有源功耗小于38 ?A/MHz，是智能變送器的理想之選。ARM微控制器廣泛應用于工業領域，同時也非常適合安全相關的應用。ADuCM3027/ADuCM3029還具有AES-128/AES-256加密技術，可以啟用額外的安全功能。這些微處理器還集成了智能軟件，可通過編程執行診斷，例如對AD7124進行校準以確保現場儀器儀表提供精準的測量。
HART協議允許對現場儀器儀表進行智能設計，而無需太多基礎設施要求。它可用于4 mA和20 mA電流環路，當然這需要一個HART主設備和一個HART從設備。用戶利用HART可以在現場儀器儀表和PLC之間建立數字連接。這將在控制室和現場儀器儀表之間創建一個智能連接。為了實施HART，需要有一個HART調制解調器連接至兼容HART的DAC。這些器件必須高度集成并且功耗極低。這兩個因素--小尺寸和低功耗是實現工業4.0的前提條件。
HAR可以在現有的電流環路上實現數字通信，但需要HART調制解調器將信號調制為干凈的電流信號。AD5700超低功耗HART調制解調器專門針對此用途而開發。
現代現場儀器儀表的最后一個主要元件是數模轉換器。在工業4.0的場景中，這個器件也必須具有低功耗和高集成度。DAC是整個電路的關鍵組成部分，要盡量將周邊器件集成到DAC中，而不是占用更多PCB空間。為整個現場儀器儀表供電的線性調節器就是一個例子。它還可以與PLC通信，從而執行儀表的控制和監控。AD5421是一個可與HART調制解調器很好地協同工作的DAC。
本文所描述的信號鏈是兼容工業4.0的環路供電型現場儀器儀表的一種可能設計，可用于壓力或溫度測量。這個智能變送器可用于智能監測、控制和反饋，特別適合于滿足小尺寸空間和低功耗要求。ADI公司的精選模塊的能夠滿足當前和未來的新挑戰。
作者簡介
自2015年2月至今，Christoph K?emmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業于埃爾朗根-紐倫堡大學，獲得物理學碩士學位。他曾在利默里克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束后，Christoph正式成為ADI公司的現場應用工程師，專門針對新興應用領域。