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Cartera de Industria 4.0 de Texas Instruments

Por Rich Miron

Colaboración de Digi-Key Electronics

El término "Industria 4.0", que se originó en la Feria de Hannover en 2011, es una referencia a la cuarta revolución industrial. La primera revolución industrial, alrededor del siglo XVIII, se relaciona con la mecanización del proceso de fabricación. La segunda revolución industrial hace referencia a la electrificación de la fabricación a principios del siglo XX.

Durante la década de 1980, la tercera revolución industrial surgió de la automatización y la informatización asistida por los avances en la tecnología de la computadora personal, Internet y el procesamiento de la información.

La revolución digital en desarrollo, que ofrece nuevos conductos a través de los cuales diferentes sectores pueden integrar tecnología, está marcando el comienzo de la cuarta revolución industrial. Esto resulta en un cambio rápido en la industria de fabricación a medida que avanza hacia la digitalización total.

La comunicación digital es la base del sistema de producción en red que es la Industria 4.0. La comunicación de los sensores que supervisan el rendimiento y el estado de los motores, los rodamientos y las cajas de engranajes ayuda a optimizar la vida útil de la máquina y del sistema, mediante la reducción del tiempo de inactividad y el incremento de la productividad.

La red de sistemas de automatización a través de Internet ahora permite nuevos modelos comerciales que tienen la capacidad de analizar y procesar grandes volúmenes de datos. Sin embargo, para aprovechar los beneficios de la Industria 4.0, se debe lograr una digitalización total. Con este fin, los fabricantes necesitarán lo último en tecnologías de comunicación, control y sensores industriales. Para satisfacer estas necesidades, Texas Instruments (TI) ha armado una cartera de productos que pueden ayudar a hacer realidad el salto de un fabricante hacia la Industria 4.0.

Procesadores de la familia Sitara

El Sitara™ AMIC110: Este dispositivo es un procesador de comunicaciones industriales programable multiprotocolo capaz de brindar soluciones que están preparadas para la mayoría de los esclavos de la comunicación industrial de Ethernet y de bus de campo, junto con algunos maestros. El AMIC110 se basa en el procesador Arm® Cortex®-A8, en los periféricos y en las opciones de interfaz industrial (Figura 1).

Diagrama de bloque funcional de Sitara AMIC110 de Texas Instruments

Figura 1: Diagrama de bloque funcional de Sitara AMIC110 de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El AMIC110 brinda soporte para sistemas operativos de alto nivel (HLOS). TI ofrece Linux y TI-RTOS de forma gratuita, mientras que otros software RTOS pueden obtenerse de los socios del ecosistema de TI. Este microprocesador funciona bien con la familia de microcontroladores C2000 para unidades conectadas como un chip de comunicaciones complementario.

El Sitara AM3357: Basado en el procesador Arm Cortex-A8, los microprocesadores Sitara AM335x admiten opciones de interfaz industrial como EtherCAT y PROFIBUS y se han mejorado con capacidades de procesamiento de imágenes y gráficos. Estos dispositivos también son compatibles con HLOS con Android y Linux disponibles sin cargo a través de TI.

El Sitara AM4379: La línea de procesadores AM437x es de alto rendimiento y está basada en el núcleo Arm Cortex-A9. Como tales, estos dispositivos ofrecen una actualización a los sistemas basados ​en núcleos de arquitectura Arm de menor rendimiento, además de brindar periféricos actualizados, que incluyen opciones de memoria como LPDDR2 y QSPI-NOR.

Los procesadores admiten protocolos de comunicación industrial, como EtherCAT, PROFIBUS, EnDat entre otros. También existen otras mejoras que incluyen la aceleración de gráficos 3D para interfaces gráficas de usuario perfeccionado, así como un coprocesador para el procesamiento determinista en tiempo real. Además, estos dispositivos admiten HLOS con Linux disponible de forma gratuita a través de TI, mientras que otros software de HLOS están disponibles a través de la Red del diseño de TI y de los socios del ecosistema.

El Sitara AM5718: Los dispositivos AM571x ofrecen un alto rendimiento de procesamiento a través de una solución de procesador mixto completamente integrada. Estos procesadores también combinan un conjunto periférico altamente integrado con procesamiento de video programable (Figura 2).

Diagrama de bloque funcional de Sitara AM571x de Texas Instruments

Figura 2: Diagrama de bloque funcional de Sitara AM571x de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La programabilidad se produce a través de un núcleo de procesador de señal digital (DSP) de punto flotante C66x VLIW de TI junto con una unidad central de procesamiento (CPU) RISC de Arm Cortex-A15 de un solo núcleo con extensiones Neon. El procesador Arm permite a los desarrolladores mantener las funciones de control separadas de los algoritmos de visión programados en el DSP y los coprocesadores, lo que reduce la complejidad del software del sistema.

Además, TI brinda un conjunto completo de herramientas de desarrollo para la Arm y el DSP C66x. Estas herramientas incluyen compiladores de C, un optimizador de ensamblaje de DSP que simplifica la programación y la planificación, y una interfaz de depuración para la visibilidad de la ejecución del código fuente.

La familia de procesadores de Arm Sitara AM571x está calificada de acuerdo con el estándar AEC-Q100.

El Sitara AM5728: Estos procesadores tienen las mismas características que los dispositivos AM571x, pero también cuentan con aceleración criptográfica.

El 66AK2G: La familia 66AK2G0x ofrece dispositivos heterogéneos multinúcleo de sistemas en chip (SoC) basados ​en la arquitectura Keystone II (KS2) comprobada en terreno de TI. Estos dispositivos están destinados a aplicaciones que requieren DSP y el rendimiento de Arm mientras que integran la aceleración de hardware para funciones de red y criptografía, interfaces periféricas y de memoria de alta velocidad, y soporte HLOS.

El 66AK2G0x permite a los núcleos DSP y Arm dominar todas las memorias y los periféricos en el sistema, de forma similar a los dispositivos SoC basados ​en KS2 existentes. El uso de esta arquitectura facilita la máxima flexibilidad de software donde los diseños de sistemas centrados en DSP o Arm se pueden usar indistintamente.

Además, el 66AK2G0x brinda una mejora significativa en la confiabilidad del dispositivo mediante la implementación de manera extensa del código de corrección de error en los núcleos del procesador, la memoria compartida, la memoria integrada en los módulos y las interfaces de memoria externa. Cuando se basa en un análisis completo de la tasa de error de software y las horas en encendido, las piezas de 66AK2G0x designadas están calificadas para satisfacer una amplia gama de requisitos industriales y automotrices.

Además, TI ha puesto a disposición un conjunto completo de herramientas de desarrollo para la Arm y el DSP C66x. Estas herramientas incluyen compiladores de C, un optimizador de ensamblaje de DSP para simplificar la programación y planificación, y una interfaz de depuración para la visibilidad de la ejecución del código fuente.

Microcontroladores ultrasónicos de detección MSP430

El MSP430FR6047: Esta familia de SoC de detección y medición ultrasónica son microcontroladores (MCU) altamente integrados optimizados para medidores de agua y calor (Figura 3). Estos MCU brindan una gran precisión para una amplia gama de caudales a través de un módulo integrado para la solución de detección ultrasónica. Este módulo, debido a la integración máxima que requiere muy pocos componentes externos, ayuda a lograr una medición de potencia ultrabaja y un menor costo del sistema.

Diagrama en bloque funcional del MSP430FR604x de Texas Instruments (haga clic para agrandar la imagen)

Figura 3: Diagrama de bloque funcional del MSP430FR604x de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los MCU MSP430FR6047 implementan una adquisición de señal basada en ADC de alta velocidad seguida de un procesamiento de señal digital optimizado mediante un módulo acelerador de baja energía integrado. Esto da como resultado una solución de medición de muy baja potencia de alta precisión optimizada para aplicaciones de medición alimentadas por batería.

Los MCU PHY Ethernet integrados

El MSP432E: Los microcontroladores SimpleLink™ MSP432E401Y de Arm Cortex-M4F son ideales para aplicaciones rentables que requieren capacidades de conectividad con procesamiento de control significativo.

Estos MCU integran una gran variedad de funciones de comunicación que permiten que los diseños altamente conectados tengan la capacidad de controlar en tiempo real la potencia y el rendimiento. Junto con los periféricos de comunicación integrados y otras funciones analógicas y digitales de gran rendimiento, estos dispositivos ofrecen una base sólida para aplicaciones desde interfaz hombre-máquina (HMI) hasta controladores para la gestión de sistemas en red.

Bloques de interfaz industrial de Ethernet

El DP83822I: El PHY Ethernet de 10/100 Mbps de puerto único de baja potencia brinda todas las funciones de capa física requeridas para transmitir y recibir datos a través de cables de par trenzado estándar y conectados a un transceptor de fibra óptica externo. Además, el dispositivo posee la flexibilidad para conectarse a MAC a través del estándar IEEE 802.3 de interfaz independiente del medio (MII) , la interfaz independiente del medio Gigabit (GMII), o la GMII reducida (RGMII).

Además, el DP83822 admite múltiples buses industriales con sincronización rápida de enlace, así como Auto-MDIX en modos forzados, y ofrece capacidades integradas de bucle de retorno, una prueba automática incorporada y herramientas de diagnóstico por cable.

El DP83867: Este dispositivo es un transceptor de capa física de baja potencia, sólido y con todas las funciones. Cuenta con subcapas PMD integradas para admitir protocolos 10BASE-Te, 100BASE-TX y 1000BASE-T Ethernet. Con respecto a la descarga electrostática (ESD) para la protección de circuito, el DP83867 excede el estándar IEC 61000-4-2 (contacto directo) de 8 kV.

Diseñado para una implementación simple de LAN Ethernet de 10/100/1000 Mbps, el DP83867 se conecta directamente a un medio de par trenzado a través de un transformador externo. La interfaz directa con la capa MAC se logra mediante los estándares IEEE 802.3 MII, GMII o RGMII. El paquete QFP es compatible con MII/GMII/RGMII, mientras que el paquete QFN solo es compatible con RGMII.

RS-485 con aislamiento digital (ISO1176T: El ISO1176T es un transceptor de línea diferencial aislado. El dispositivo tiene salidas de oscilador integradas para brindar el voltaje primario para un transformador de aislamiento. Como el bucle de tierra es discontinuo para permitir que el dispositivo funcione con un rango de voltaje en modo común mucho más grande, el ISO1176T es ideal para líneas de transmisión largas.

Transceptores CAN aislados (ISO1050): El ISO1050 es un transceptor CAN galvánico aislado que cumple con las especificaciones del estándar ISO11898-2. El búfer de entrada y el búfer de salida lógicos están separados por una barrera aislante de óxido de silicio (SiO2) que brinda un aislamiento galvánico de hasta 5.000 VRMS para el ISO1050DW y de 2.500 VRMS para el ISO1050DUB. Cuando se combina con los suministros de la fuente de alimentación aislada, el dispositivo evita que las corrientes de ruido en un bus de datos u otros circuitos ingresen en el terreno local e interfieran con los circuitos sensibles o los dañen.

Transceptor IO-Link (TIOL111): Esta familia de transceptores implementa una interfaz IO-Link para comunicación industrial punto a punto y bidireccional (Figura 4). Cuando se conecta a un maestro IO-Link a través de una interfaz de tres hilos, el maestro puede iniciar la comunicación e intercambiar datos con el nodo remoto mientras que el TIOL111 actúa como una capa física completa para la comunicación.

Diagrama de aplicación típica para el transceptor TIOL111-x IO-Link de Texas Instruments

Figura 4: Diagrama de aplicación típica para el transceptor TIOL111-x IO-Link de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Estos dispositivos cuentan con protección de sobretensión y son capaces de soportar una sobrecarga de hasta 1,2 kV (500 Ω) según el estándar IEC 61000-4-5. El TIOL111 también cuenta con protección de polaridad inversa integrada.

Controlador de salida del sensor digital (TIOS101): Los dispositivos TIOS101 se pueden configurar como controladores de lado alto, lado bajo o empuje y extracción. Estos dispositivos son capaces de soportar una sobretensión de voltaje de hasta 1,2 kV (500 Ω) según el estándar IEC 61000-4-5 y cuentan con protección de polaridad inversa integrada.

La simple interconexión para los circuitos del controlador se ve facilitada por una interfaz simple programable por pines, mientras que el límite de la corriente de salida se puede configurar mediante el uso de una resistencia externa.

Contiene funciones de protección interna de bajo voltaje, sobrecorriente y sobretemperatura junto con el informe de fallas.

Convertidores de datos rápidos, precisos y seguros

El ADS124S0x: El ADS124S06 y el ADS124S08 son convertidores analógico digital (ADC) de 24 bits, delta-sigma (ΔΣ) de precisión. Estos dispositivos ofrecen un bajo consumo de energía y muchas características integradas que reducen el costo del sistema y el conteo de componentes enlas pequeñas aplicaciones de medición de sensores de señal.

Estos ADC presentan rechazo de 50 Hz o 60 Hz para entornos industriales ruidosos junto con filtros digitales configurables que ofrecen resultados de conversión de baja latencia. Para aplicaciones resistivas de puente o termopar, un amplificador de ganancia programable (PGA) de bajo ruido provee ganancias que van de 1 a 128 para amplificar señales de bajo nivel. Además, estos dispositivos reducen la cantidad de área de placa de circuito impreso (PCB) utilizada al integrar una referencia de baja desviación de 2,5 V. Por último, dos fuentes de corriente de excitación programables permiten una polarización fácil y precisa del detector de temperatura resistivo (RTD).

El ADS122U04: Este dispositivo es un ADC de precisión de 24 bits que presenta dos entradas diferenciales o cuatro entradas individuales a través de un multiplexor de entrada flexible MUX. El ADS112U04 también tiene un amplificador de ganancia programable (PGA) de bajo ruido integrado que provee ganancias de hasta 128, dos fuentes de corriente de excitación programables, una referencia de voltaje, un oscilador y un sensor de temperatura de precisión.

Esta pieza puede realizar conversiones en índices de datos de hasta 2.000 muestras por segundo (SPS) con calibración de ciclo único. Cuando se opera a 20 SPS, el filtro digital rechaza de manera simultánea 50 Hz y 60 Hz para aplicaciones industriales ruidosas. El PGA hace que el ADS122U04 sea ideal para aplicaciones de medición de señales de sensor pequeño, tales como detectores de temperatura resistivo (RTD), termopares, termistores y sensores de puente resistivo.

El DAC8775: El DAC8775 está diseñado para cumplir los requisitos de las aplicaciones de control industrial. Este dispositivo es un convertidor digital analógico (DAC) totalmente integrado de cuatro canales de precisión y 16 bits con gestión de energía adaptable. La potencia de adaptación minimiza la disipación de potencia del circuito de gestión del chip cuando está habilitado.

El DAC8775 se puede programar como dispositivo de salida de corriente o voltaje. Cuando está programado como una salida de corriente, el voltaje del suministro en el controlador de salida de corriente se regula entre 4,5 V y 32 V según la retroalimentación continua de voltaje en el pin de salida de corriente a través de un convertidor reductor/elevador integrado. Cuando está programado como una salida de tensión, este circuito genera una tensión de alimentación programable para la etapa de salida de voltaje (15 V). El DAC8775 también contiene una caída baja (LDO) que genera la fuente digital (5 V) desde un pin de fuente de alimentación única.

El DAC8740H: Los dispositivos DAC874xH son HART®, FOUNDATION Fieldbus™ y módems de baja potencia compatibles con PROFIBUS PA, diseñados para el control de procesos industriales y aplicaciones de automatización industrial (Figura 5).

Diagrama de bloque funcional del DAC874xH de Texas Instruments

Figura 5: Diagrama de bloque funcional del DAC874xH de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En el modo HART, el DAC874xH integra todos los circuitos requeridos para operar como módem de capa física HART semidúplex, en configuraciones esclavas o maestras con componentes externos mínimos para el filtrado. En el modo FOUNDATION Fieldbus, el DAC874xH integra todos los circuitos requeridos para operar como controladores y MAU H1 semidúplex compatibles con FOUNDATION Fieldbus.

Productos de apoyo: fuentes de alimentación, reloj y protección de circuito

El convertidor reductor LM5166: Este dispositivo es un convertidor reductor de frecuencia síncrono IQ compacto, fácil de usar, de 3 V a 65 V, ultrabajo. Presenta una alta eficiencia en una amplia gama de voltaje de entrada y corriente de carga. Los MOSFET de potencia de lado alto y lado bajo integrados permiten el envío de hasta 500 mA de corriente de salida en los voltajes de salida fija de 3,3 V o 5 V, o en una salida ajustable.

El LM5166 está diseñado para simplificar la implementación mientras se ofrece opciones para optimizar el rendimiento de la aplicación de destino. Para una eficiencia de carga liviana óptima, se selecciona el modo de modulación de frecuencia de pulso, mientras que el modo de control constante en encendido es el selector para una frecuencia de operación casi constante. Ninguno de los esquemas de control exigen compensación de bucle para brindar una excelente respuesta de línea y de carga de transitorios y una modulación por ancho de pulsos (PWM) corta en encendido y para grandes proporciones de conversión de reducción.

El regulador de voltaje LDO TPS7A39: El TPS7A39 es un regulador de voltaje LDO dual, positivo y negativo, monolítico, de alto PSRR (factor de rechazo a fuente de alimentación). Este dispositivo es capaz de abastecer y drenar hasta 150 mA de corriente. Las salidas reguladas pueden ajustarse de manera independiente y externa a voltajes simétricos o asimétricos. Esto hace que el dispositivo sea una fuente de alimentación dual y bipolar ideal para el acondicionamiento de señales.

Las salidas TPS7A39, tanto positivas como negativas, se rastrean entre sí durante el arranque. Esto permite la mitigación de las condiciones flotantes y de otros problemas de secuencia de suministro de energía comunes en los sistemas de rieles dobles. La salida negativa puede regularse hasta 0 V, mediante la ampliación del rango de modo común para los amplificadores de fuente única. El TPS7A39 también ofrece un PSRR alto para eliminar el ruido de la fuente de alimentación, como el ruido de conmutación de la fuente de alimentación que puede comprometer la integridad de la señal.

El eFuse TPS2660: Estos dispositivos compactos son eFuses de alto voltaje con un paquete completo de características de protección. Muchos voltajes de bus de CC populares se pueden controlar debido al amplio rango de entrada de suministro de 4,2 V a 55 V. El dispositivo puede soportar y proteger cargas de voltaje de alimentación tanto positivas como negativas de hasta ±60 V.

El TPS2660 es adecuado para sistemas con requisitos de retención de voltaje de salida durante fallas en la alimentación y condiciones de caída de tensión debido a que los FET integrados en paralelo brindan una característica de bloqueo de corriente inversa. Las características ajustables, que incluyen la sobrecorriente, la velocidad de respuesta de salida y la sobretensión, los umbrales de baja tensión ofrecen protección de carga, de fuente y de dispositivo. Los bloques de control de protección interna sólidos, junto con el voltaje nominal alto de la serie TPS2660x, ayudan a simplificar el diseño del sistema de protección de sobretensión.

El convertidor reductor TPS82130: Este dispositivo es un convertidor reductor de 3 A y de 17 V de entrada. El módulo de potencia TPS82130 de MicroSiP™ está optimizado para una solución pequeña y una alta eficiencia que integra un convertidor reductor sincrónico y un inductor para simplificar el diseño, reducir los componentes externos y ahorrar área de placa de CI. La solución compacta y de bajo perfil es conveniente para el ensamble automatizado del equipo estándar de montaje en superficie.

El convertidor funciona en modo modulación por ancho de pulsos con una frecuencia de conmutación nominal de 2 MHz. Entra de manera automática en el modo de ahorro de energía con corrientes de carga ligeras para maximizar la eficiencia. El dispositivo funciona con una corriente en reposo típica de 20 μA en el modo de ahorro de energía. El TPS82130 logra una regulación precisa del voltaje de salida y un excelente rendimiento transitorio de la carga mediante una topología de sistemas de control distribuido (DCS).

El dispositivo de protección de sobretensión TVS3300: Este es un dispositivo supresor de voltaje transitoria (TVS) que provee protección para circuitos electrónicos expuestos a eventos de alto voltaje transitorio. A diferencia de los diodos TVS tradicionales, la abrazadera de precisión TVS3300 se activa a un voltaje de ruptura menor y provee regulación para mantener un voltaje de sujeción plano durante un evento de sobrevoltaje transitorio.

Respuesta de voltaje de abrazadera a un evento de sobretensión de 8/20 μs de un dispositivo típico de abrazaderas planas de Texas Instruments en comparación con un TVS tradicional

Figura 6: Este gráfico compara la respuesta de la abrazadera de voltaje a un evento de sobretensión de 8/20 μs de un dispositivo típico de abrazadera plana de Texas Instruments en comparación con un TVS tradicional. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La combinación de un voltaje de sujeción más bajo y una resistencia dinámica baja permite una solución de protección TVS única que tiene la capacidad de reducir la exposición de voltaje a un sistema durante un evento de sobretensión, en comparación con los diodos TVS tradicionales, hasta un 30% en configuración unidireccional y hasta 20% en configuración bidireccional. El bajo voltaje de sujeción y el rendimiento de sujeción plana permiten la selección de componentes del sistema en sentido descendente con un voltaje nominal máximo más bajo de lo que es posible con los diodos TVS tradicionales. Esto se traduce en un ahorro en los costos del sistema, un menor uso del área de la placa y una mejora en el rendimiento general.

La referencia de voltaje REF3425: Esta es una deriva de baja temperatura (6 ppm/°C), baja potencia, alta precisión de referencia de voltaje CMOS, con ±0,05% de precisión inicial, y una baja corriente de operación con un consumo de energía de menos de 95 μA. El REF3425 también presenta un ruido de salidaP-P/V de 5 μV muy bajo, lo que le permite mantener una alta integridad de señal con convertidores de datos de alta resolución y sistemas críticos para el ruido. Con un paquete pequeño SOT-23, el REF3425 ofrece especificaciones mejoradas y reemplazo de pin a pin para los dispositivos MAX6071 y ADR3425.

Solución de indicador de energía HMI

La fuente de alimentación LCD TPS65150: Este dispositivo es una solución de fuente de alimentación pequeña y compacta que ofrece los tres voltajes requeridos por las pantallas LCD de transistor de película delgada (TFT). El rango de voltaje de entrada de 1,8 V a 6 V hace que este dispositivo sea apropiado para computadoras portátiles alimentadas por un riel de entrada de 2,5 V o 3,3 V o para aplicaciones de monitoreo con un riel de voltaje de entrada de 5 V. Además, el dispositivo TPS65150 incluye un búfer integrado de alta corriente para proveer el voltaje VCOM para el panel posterior TFT.

Conclusión

Para que los fabricantes puedan hacer la Industria 4.0 una realidad, se requieren las últimas tecnologías de comunicación, control y sensores industriales. Texas Instruments se ha posicionado para satisfacer estas necesidades al armar una cartera de productos que puedan ayudar a un fabricante en el camino hacia la digitalización total de la fábrica.

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Acerca de este autor

Rich Miron

Rich Miron, desarrollador sénior de contenido técnico de Digi-Key Electronics, ha trabajado en el grupo de Contenido técnico desde 2007 y su principal tarea ha girado en torno de la escritura y edición de artículos, blogs y módulos de capacitación sobre productos. Antes de trabajar en Digi-Key, probó y calificó sistemas de control e instrumentación para submarinos nucleares. Rich es ingeniero eléctrico y electrónico de la Universidad Estatal de Dakota del Norte, Fargo, ND.

Acerca de este editor

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