Inteligentné senzory a ich využitie

Podľa GOST R 8.673-2009 GSI „Inteligentné senzory a inteligentné meracie systémy. Základné pojmy a definície “, inteligentné snímače sú adaptívne snímače obsahujúce pracovné algoritmy a parametre meniace sa z vonkajších signálov, v ktorých je implementovaná aj funkcia metrologického samokontroly.

Charakteristickou črtou inteligentných senzorov je schopnosť samoliečby a samoučenia po jedinom zlyhaní. V anglickej literatúre sa senzory tohto typu nazývajú „smart sensor“. Termín sa zasekol v polovici 80. rokov 20. storočia.

Dnes je inteligentný senzor senzor so zabudovanou elektronikou, vrátane: ADC, mikroprocesora, digitálneho signálového procesora, systému na čipe atď., a digitálneho rozhrania s podporou sieťových komunikačných protokolov. Týmto spôsobom je možné inteligentný senzor zaradiť do bezdrôtovej alebo káblovej senzorovej siete, vďaka funkcii vlastnej identifikácie v sieti spolu s ďalšími zariadeniami.

Sieťové rozhranie inteligentného senzora vám umožňuje nielen ho pripojiť k sieti, ale aj konfigurovať, konfigurovať, zvoliť prevádzkový režim a diagnostikovať senzor. Možnosť vykonávať tieto operácie na diaľku je výhodou smart senzorov, ľahšie sa obsluhujú a udržiavajú.

Obrázok ukazuje blokovú schému znázorňujúcu základné bloky inteligentného snímača, čo je minimum potrebné na to, aby sa snímač za taký považoval. Prichádzajúci analógový signál (jeden alebo viac) sa zosilní a potom sa prevedie na digitálny signál na ďalšie spracovanie.

ROM obsahuje kalibračné údaje, mikroprocesor koreluje prijaté údaje s kalibračnými údajmi, koriguje ich a konvertuje na potrebné jednotky merania - tým je chyba spojená s vplyvom rôznych faktorov (drift nuly, vplyv teploty atď.) kompenzovaný a stav sa vyhodnocuje súčasne s primárnym prevodníkom, čo môže ovplyvniť spoľahlivosť výsledku.

Informácie získané ako výsledok spracovania sa prenášajú cez digitálne komunikačné rozhranie pomocou užívateľského protokolu. Užívateľ môže nastaviť limity merania a ďalšie parametre snímača, ako aj získať informácie o aktuálnom stave snímača a výsledkoch meraní.

Moderné integrované obvody (systémy na čipe) zahŕňajú okrem mikroprocesora aj pamäť a periférie, ako sú presné digitálno-analógové a analógovo-digitálne prevodníky, časovače, Ethernet, USB a sériové radiče. Príklady takýchto integrovaných obvodov zahŕňajú ADuC8xx od Analog Devices, AT91RM9200 od Atmel, MSC12xx od Texas Instruments.

Distribuované siete inteligentných senzorov umožňujú sledovanie a kontrolu parametrov zložitých priemyselných zariadení v reálnom čase, kde technologické procesy neustále dynamicky menia svoj stav.

Neexistuje jednotný sieťový štandard pre inteligentné senzory a to je akási prekážka pre aktívny rozvoj bezdrôtových a káblových senzorových sietí. Napriek tomu sa dnes používa veľa rozhraní: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; priemyselné siete fungujú: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Tento stav vyvolal otázku výberu výrobcov snímačov, pretože pre každý sieťový protokol nie je ekonomicky výhodné vyrábať samostatný snímač s rovnakou modifikáciou. Medzitým vznik skupiny štandardov IEEE 1451 „Intelligent Transducer Interface Standards“ uľahčil podmienky, rozhranie medzi senzorom a sieťou je zjednotené. Normy sú navrhnuté tak, aby urýchlili adaptáciu — od jednotlivých senzorov po siete senzorov, niekoľko podskupín definuje softvérové ​​a hardvérové ​​metódy na pripojenie senzorov k sieti.

V normách IEEE 1451.1 a IEEE 1451.2 sú teda opísané dve triedy zariadení. Prvý štandard definuje jednotné rozhranie pre pripojenie smart senzorov do siete; ide o špecifikáciu modulu NCAP, ktorý je akýmsi premostením medzi STIM modulom samotného snímača a externou sieťou.

Druhý štandard špecifikuje digitálne rozhranie na pripojenie modulu inteligentného prevodníka STIM k sieťovému adaptéru. Koncept TEDS zahŕňa elektronický pas senzora pre možnosť jeho vlastnej identifikácie v sieti.TEDS obsahuje: dátum výroby, kód modelu, sériové číslo, kalibračné údaje, dátum kalibrácie, merné jednotky. Výsledkom je plug and play analóg pre senzory a siete, jednoduchá obsluha a zaručená výmena. Mnoho výrobcov inteligentných snímačov už tieto štandardy podporuje.

Hlavná vec, ktorú integrácia senzorov do siete dáva, je možnosť prístupu k informáciám o meraní prostredníctvom softvéru, bez ohľadu na typ senzora a spôsob organizácie určitej siete. Ukazuje sa, že ide o sieť, ktorá slúži ako most medzi senzormi a používateľom (počítačom) a pomáha riešiť technologické problémy.

Inteligentný merací systém teda môže byť reprezentovaný tromi úrovňami: úroveň snímača, úroveň siete, úroveň softvéru. Prvou úrovňou je úroveň samotného snímača, snímača s komunikačným protokolom. Druhá úroveň je úroveň siete senzorov, most medzi objektom senzora a procesom riešenia problému.

Treťou úrovňou je softvérová úroveň, ktorá už zahŕňa interakciu systému s používateľom. Softvér tu môže byť úplne iný, pretože už nie je viazaný priamo na digitálne rozhranie senzorov. V rámci systému sú možné aj podúrovne súvisiace so subsystémami.

V posledných rokoch sa vývoj inteligentných senzorov uberá viacerými smermi.

1. Nové metódy merania vyžadujúce výkonné výpočty vo vnútri snímača. To umožní umiestnenie snímačov mimo meraného prostredia, čím sa zvýši stabilita odčítaní a znížia sa prevádzkové straty. Senzory nemajú žiadne pohyblivé časti, čo zvyšuje spoľahlivosť a zjednodušuje údržbu.Konštrukcia meraného objektu neovplyvňuje činnosť snímača a inštalácia sa stáva lacnejšou.

2. Bezdrôtové senzory sú nepopierateľne sľubné. Pohybujúce sa objekty rozmiestnené v priestore vyžadujú bezdrôtovú komunikáciu s prostriedkami ich automatizácie, s ovládačmi. Rádiotechnické zariadenia sú čoraz lacnejšie, ich kvalita sa zvyšuje, bezdrôtová komunikácia je často ekonomickejšia ako káblová. Každý senzor môže prenášať informácie na svojom časovom slote (TDMA), na vlastnej frekvencii (FDMA) alebo s vlastným kódovaním (CDMA), napokon Bluetooth.

3. Miniatúrne snímače môžu byť zabudované do priemyselných zariadení a automatizačné zariadenia sa stanú neoddeliteľnou súčasťou zariadenia, ktoré vykonáva technologický proces, nie externým doplnkom. Senzor s objemom niekoľkých kubických milimetrov bude merať teplotu, tlak, vlhkosť atď., spracovávať dáta a prenášať informácie po sieti. Zvýši sa presnosť a kvalita prístrojov.

4. Výhoda multisenzorových snímačov je zrejmá. Spoločný prevodník bude porovnávať a spracovávať dáta z viacerých senzorov, teda nie viacerých samostatných senzorov, ale jedného, ​​ale multifunkčného.

5. Nakoniec sa zvýši inteligencia senzorov. Predikcia hodnôt, výkonné spracovanie a analýza údajov, úplná autodiagnostika, predikcia porúch, poradenstvo pri údržbe, logické riadenie a regulácia.

Postupom času sa inteligentné senzory stanú čoraz viac multifunkčnými automatizačnými nástrojmi, pre ktoré sa aj samotný pojem „senzor“ stane neúplným a iba podmieneným.