Pametni senzorji in njihova uporaba

V skladu z GOST R 8.673-2009 GSI "Inteligentni senzorji in inteligentni merilni sistemi. Osnovni pojmi in definicije«, inteligentni senzorji so prilagodljivi senzorji, ki vsebujejo algoritme dela in parametre, ki se spreminjajo od zunanjih signalov, in v katerih je implementirana tudi funkcija meroslovne samokontrole.

Posebnost pametnih senzorjev je sposobnost samozdravljenja in samoučenja po eni sami okvari. V angleško-jezični literaturi se tovrstni senzorji imenujejo "pametni senzor". Izraz se je uveljavil sredi osemdesetih let.

Danes je pametni senzor senzor z vgrajeno elektroniko, vključno z: ADC, mikroprocesorjem, digitalnim signalnim procesorjem, sistemom na čipu itd., in digitalnim vmesnikom s podporo za omrežne komunikacijske protokole. Na ta način se lahko pametni senzor vključi v brezžično ali žično senzorsko omrežje, zahvaljujoč funkciji samoidentifikacije v omrežju skupaj z drugimi napravami.

Omrežni vmesnik pametnega senzorja vam omogoča, da ga ne samo povežete z omrežjem, temveč tudi konfigurirate, konfigurirate, izberete način delovanja in diagnosticirate senzor. Možnost izvajanja teh operacij na daljavo je prednost pametnih senzorjev, lažje jih je upravljati in vzdrževati.

Na sliki je prikazan blokovni diagram, ki prikazuje osnovne bloke pametnega senzorja, najmanj potrebnega, da se senzor šteje za takega. Dohodni analogni signal (eden ali več) se ojača, nato pretvori v digitalni signal za nadaljnjo obdelavo.

ROM vsebuje kalibracijske podatke, mikroprocesor korelira prejete podatke s kalibracijskimi podatki, jih popravi in ​​pretvori v potrebne merske enote - tako je napaka povezana z vplivom različnih dejavnikov (odmik ničle, vpliv temperature itd.) kompenzirano in stanje se ocenjuje sočasno s primarnim pretvornikom, kar lahko vpliva na zanesljivost rezultata.

Informacije, pridobljene kot rezultat obdelave, se prenašajo preko digitalnega komunikacijskega vmesnika po uporabniškem protokolu. Uporabnik lahko nastavi meje meritev in druge parametre senzorja ter pridobi informacije o trenutnem stanju senzorja in rezultatih meritev.

Sodobna integrirana vezja (sistemi na čipu) vključujejo poleg mikroprocesorja še pomnilnik in zunanje naprave, kot so natančni digitalno-analogni in analogno-digitalni pretvorniki, časovniki, ethernet, USB in serijski krmilniki. Primeri takih integriranih vezij vključujejo ADuC8xx podjetja Analog Devices, AT91RM9200 podjetja Atmel, MSC12xx podjetja Texas Instruments.

Razpršena omrežja inteligentnih senzorjev omogočajo spremljanje in nadzor parametrov kompleksne industrijske opreme v realnem času, kjer tehnološki procesi ves čas dinamično spreminjajo svoje stanje.

Enotnega omrežnega standarda za pametne senzorje ni, kar je svojevrstna ovira za aktiven razvoj brezžičnih in žičnih senzorskih omrežij. Kljub temu se danes uporabljajo številni vmesniki: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; industrijska omrežja delujejo: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

To stanje je sprožilo vprašanje izbire proizvajalcev senzorjev, saj ni ekonomsko upravičeno za vsak omrežni protokol proizvajati ločen senzor z enako modifikacijo. Medtem je pojav skupine standardov IEEE 1451 "Intelligent Transducer Interface Standards" olajšal razmere, vmesnik med senzorjem in omrežjem je poenoten. Standardi so zasnovani tako, da pospešijo prilagajanje — od posameznih senzorjev do omrežij senzorjev, več podskupin opredeljuje metode programske in strojne opreme za povezovanje senzorjev v omrežje.

Tako sta v standardih IEEE 1451.1 in IEEE 1451.2 opisana dva razreda naprav. Prvi standard opredeljuje enoten vmesnik za povezovanje pametnih senzorjev v omrežje; to je specifikacija modula NCAP, ki je nekakšen most med STIM modulom samega senzorja in zunanjim omrežjem.

Drugi standard določa digitalni vmesnik za povezavo pametnega pretvorniškega modula STIM z omrežno kartico. Koncept TEDS pomeni elektronski potni list senzorja za možnost njegove samoidentifikacije v omrežju.TEDS vključuje: datum izdelave, kodo modela, serijsko številko, podatke o kalibraciji, datum kalibracije, merske enote. Rezultat je plug and play analog za senzorje in omrežja, enostavno upravljanje in zagotovljena zamenjava. Številni proizvajalci pametnih senzorjev že podpirajo te standarde.

Glavna stvar, ki jo daje integracija senzorjev v omrežje, je možnost dostopa do merilnih informacij preko programske opreme, ne glede na tip senzorja in kako je določeno omrežje organizirano. Izkazalo se je, da gre za omrežje, ki služi kot most med senzorji in uporabnikom (računalnikom) ter pomaga pri reševanju tehnoloških težav.

Tako lahko sistem pametnega merjenja predstavljamo s tremi nivoji: senzorski nivo, omrežni nivo, programski nivo. Prvi nivo je nivo samega senzorja, senzor s komunikacijskim protokolom. Druga raven je raven senzorske mreže, most med senzorskim objektom in procesom reševanja problema.

Tretja raven je programska raven, ki že pomeni interakcijo sistema z uporabnikom. Programska oprema je tukaj lahko povsem drugačna, saj ni več neposredno vezana na digitalni vmesnik senzorjev. Znotraj sistema so možne tudi podnivoje, povezane s podsistemi.

V zadnjih letih je razvoj pametnih senzorjev šel v več smeri.

1. Nove merilne metode, ki zahtevajo zmogljivo računalništvo znotraj senzorja. To bo omogočilo namestitev senzorjev zunaj merjenega okolja, s čimer se bo povečala stabilnost odčitkov in zmanjšale izgube pri delovanju. Senzorji nimajo gibljivih delov, kar povečuje zanesljivost in poenostavlja vzdrževanje.Zasnova merilnega objekta ne vpliva na delovanje senzorja in montaža postane cenejša.

2. Brezžični senzorji so nedvomno obetavni. Premični predmeti, razporejeni v prostoru, zahtevajo brezžično komunikacijo s sredstvi njihove avtomatizacije, s krmilniki. Radiotehnične naprave postajajo cenejše, njihova kakovost se povečuje, brezžična komunikacija je pogosto bolj ekonomična od kabelske. Vsak senzor lahko prenaša informacije na svoji časovni reži (TDMA), na lastni frekvenci (FDMA) ali z lastnim kodiranjem (CDMA), končno Bluetooth.

3. Miniaturne senzorje je mogoče vgraditi v industrijsko opremo, oprema za avtomatizacijo pa bo postala sestavni del opreme, ki izvaja tehnološki proces, ne zunanji dodatek. Senzor s prostornino nekaj kubičnih milimetrov bo meril temperaturo, tlak, vlago itd., obdeloval podatke in podatke prenašal po omrežju. Povečali se bosta natančnost in kakovost instrumentov.

4. Prednost večsenzorskih senzorjev je očitna. Skupni pretvornik bo primerjal in obdeloval podatke iz več senzorjev, torej ne več ločenih senzorjev, ampak enega, vendar večnamenskega.

5. Končno se bo povečala inteligenca senzorjev. Predvidevanje vrednosti, zmogljiva obdelava in analiza podatkov, popolna samodiagnoza, predvidevanje napak, svetovanje pri vzdrževanju, logični nadzor in regulacija.

Sčasoma bodo pametni senzorji postajali vedno bolj multifunkcionalna orodja za avtomatizacijo, za katera bo tudi sam izraz "senzor" postal nepopoln in zgolj pogojen.