Модуль аналоговых входов с PROFINET
Платформа:
- Infineon XMC4800 (ARM Cortex-M4F, до 144 МГц)
- Встроенный Ethernet MAC
- Высокая производительность для сетевых протоколов и обработки данных Industrial-grade MCU для распределенных I/O
- Высокоточный Δ-Σ АЦП AD7793. Прецизионные измерения медленных аналоговых сигналов.
Аналоговые входы:
- 0-20 мА, 4-20 мА
- 0-10 В
- Поддержка термосопротивления/тензодатчиков/термопар
Программное обеспечение:
- RTOS: Zephyr OS
- TCP/IP стек: Zephyr network stack
- Промышленный протокол: PROFINET IO Device (RT)
Клиент и бизнес проблема
Производитель распределённых систем аналогового ввода и шкафной автоматики для: химической, нефтехимической промышленности. Ключевой рынок — Европа, где PROFINET IO является обязательным стандартом для новых установок.
Ключевыми проблемами при внедрении прецизионных AI-решений являются:
- Недостаточная точность стандартных AI (analog inputs) -модулей, которые, используя встроенные АЦП микроконтроллеров с ограниченной разрядностью и подверженность индустриальным помехам, становятся непригодными для части процессов, высокоточных измерений и критичных контуров регулирования;
- Отсутствие гальванической развязки, приводящее без изоляции к ошибкам измерений, контурам заземления и рискам повреждения электроники, что особенно критично на крупных производствах с разными потенциалами земли;
- Сложность интеграции в Siemens-экосистему, когда применение сторонних решений на Modbus или проприетарных протоколах требует шлюзов, увеличивает задержки и усложняет ввод в эксплуатацию;
- Давление со стороны премиальных вендоров (Siemens, Endress+Hauser, Phoenix Contact), предлагающих готовые высокоточные PROFINET AI-модули с бесшовной интеграцией, что создавало для OEM-клиента необходимость разработки собственного конкурентного решения.
Решение
Разработка высокоточного аналогового входного модуля с поддержкой PROFINET IO RT на базе XMC4800, использующего прецизионный 24-битный АЦП AD7793 и гальваническую развязку ADuM1401. Архитектура решения включает пять основных элементов:
- Высокоточная измерительная архитектура на базе АЦП AD7793, обеспечивающего низкий уровень шума, высокую стабильность, встроенную self-calibration, поддержку oversampling и digital filtering, а также синхронизацию выборки с PROFINET-циклом;
- Полная гальваническая развязка измерений, изолирующая SPI и управляющие сигналы для защиты MCU и Ethernet-части от импульсных помех и перенапряжений в соответствии с промышленными стандартами EMC;
- Реализация PROFINET IO RT на основе портирования стека под Zephyr OS с поддержкой cyclic input data, acyclic Record Data, а также PROFINET Diagnostics & Alarms;
- Интеграция в Siemens TIA Portal через GSDML-файл с модульной структурой AI-каналов, масштабированием, параметрами фильтрации, диагностикой качества сигнала и отображением значений напрямую в PLC;
- Расширенная диагностика и надежность с мониторингом каждого канала (overrange/underrange, sensor fault, calibration error) и передачей диагностических alarms в TIA Portal. Кроме того, проведены всестороннее тестирование и валидация, включающие PROFINET IO Conformance (RT), интеграционные тесты с контроллерами Siemens S7-1200/S7-1500, а также проверку точности измерений, стабильности при шуме и поведения при потере сети.
Ценность для клиента
Для производителя AI-модулей:
- Премиальный продукт в линейке I/O
- Конкуренция с топ-вендорами без vendor lock-in
- Унификация архитектуры (DI/DO/AI/AO на одной платформе)
- Быстрый выход на рынок PROFINET
Для конечного заказчика (завод):
- Высокоточные измерения прямо в ПЛК
- Отсутствие шлюзов и преобразователей
- Повышенная надежность в тяжёлой индустриальной среде
- Централизованная диагностика
Итог: проект превращает классический аналоговый входной модуль в интеллектуальный высокоточный PROFINET-узел, способный работать в критичных процессах с повышенными требованиями к точности и надёжности. Связка XMC4800 + AD7793 + ADuM1401 обеспечивает баланс между прецизионной аналоговой электроникой и современными требованиями цифровой промышленной автоматизации.
Связаться с нами