Smarte sensorer og deres bruk

I følge GOST R 8.673-2009 GSI "Intelligente sensorer og intelligente målesystemer. Grunnleggende begreper og definisjoner ”, intelligente sensorer er adaptive sensorer som inneholder arbeidsalgoritmer og parametere som endres fra eksterne signaler, og hvor funksjonen til metrologisk selvkontroll også er implementert.

Et særtrekk ved smarte sensorer er evnen til selvhelbredelse og selvlære etter en enkelt feil. I den engelskspråklige litteraturen kalles sensorer av denne typen "smart sensor". Begrepet satt fast på midten av 1980-tallet.

I dag er en smart sensor en sensor med innebygd elektronikk, inkludert: ADC, mikroprosessor, digital signalprosessor, system-on-chip, etc., og et digitalt grensesnitt med støtte for nettverkskommunikasjonsprotokoller. På denne måten kan smartsensoren inkluderes i et trådløst eller kablet sensornettverk, takket være selvidentifikasjonsfunksjonen i nettverket sammen med andre enheter.

Nettverksgrensesnittet til en smart sensor lar deg ikke bare koble den til nettverket, men også å konfigurere den, konfigurere den, velge en driftsmodus og diagnostisere sensoren. Muligheten til å utføre disse operasjonene eksternt er en fordel med smarte sensorer, de er enklere å betjene og vedlikeholde.

Figuren viser et blokkskjema som viser de grunnleggende blokkene til en smart sensor, minimum som er nødvendig for at sensoren skal anses som sådan. Det innkommende analoge signalet (ett eller flere) forsterkes, og konverteres deretter til et digitalt signal for videre behandling.

ROM-en inneholder kalibreringsdata, mikroprosessoren korrelerer de mottatte dataene med kalibreringsdataene, korrigerer dem og konverterer dem til nødvendige måleenheter - dermed er feilen knyttet til påvirkningen av ulike faktorer (nulldrift, temperaturpåvirkning, etc.) kompenseres, og tilstanden evalueres samtidig med den primære transduseren, noe som kan påvirke påliteligheten til resultatet.

Informasjon innhentet som et resultat av behandling overføres gjennom et digitalt kommunikasjonsgrensesnitt ved bruk av brukerens protokoll. Brukeren kan stille inn målegrenser og andre parametere for sensoren, samt få informasjon om sensorens nåværende tilstand og resultatene av målingene.

Moderne integrerte kretser (systemer på en brikke) inkluderer, i tillegg til en mikroprosessor, minne og periferiutstyr som presisjons digital-til-analog og analog-til-digital-omformere, timere, Ethernet, USB og serielle kontrollere. Eksempler på slike integrerte kretser inkluderer ADuC8xx fra Analog Devices, AT91RM9200 fra Atmel, MSC12xx fra Texas Instruments.

Distribuerte nettverk av intelligente sensorer muliggjør sanntidsovervåking og kontroll av parametere for komplekst industrielt utstyr, der teknologiske prosesser dynamisk endrer tilstanden deres hele tiden.

Det finnes ingen enkelt nettverksstandard for smarte sensorer og dette er en slags hindring for aktiv utvikling av trådløse og kablede sensornettverk. Likevel brukes mange grensesnitt i dag: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; industrielle nettverk fungerer: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Denne tilstanden reiste spørsmålet om valg av sensorprodusenter, siden det ikke er økonomisk forsvarlig for hver nettverksprotokoll å produsere en separat sensor med samme modifikasjon. I mellomtiden lettet fremveksten av IEEE 1451-gruppen av standarder "Intelligent Transducer Interface Standards" forholdene, grensesnittet mellom sensoren og nettverket er enhetlig. Standardene er designet for å akselerere tilpasning - fra individuelle sensorer til sensornettverk, flere undergrupper definerer programvare- og maskinvaremetoder for å koble sensorer til et nettverk.

Dermed er to klasser av enheter beskrevet i standardene IEEE 1451.1 og IEEE 1451.2. Den første standarden definerer et enhetlig grensesnitt for å koble smarte sensorer til nettverket; dette er spesifikasjonen til NCAP-modulen, som er en slags bro mellom STIM-modulen til selve sensoren og det eksterne nettverket.

Den andre standarden spesifiserer et digitalt grensesnitt for å koble en STIM smart omformermodul til en nettverksadapter. TEDS-konseptet innebærer et elektronisk pass for sensoren, for muligheten for selvidentifikasjon i nettverket.TEDS inkluderer: produksjonsdato, modellkode, serienummer, kalibreringsdata, kalibreringsdato, måleenheter. Resultatet er en plug and play-analog for sensorer og nettverk, enkel betjening og utskifting garantert. Mange produsenter av smarte sensorer støtter allerede disse standardene.

Det viktigste som integreringen av sensorer i et nettverk gir er muligheten for å få tilgang til måleinformasjon gjennom programvare, uavhengig av type sensor og hvordan et bestemt nettverk er organisert. Det viser seg å være et nettverk som fungerer som en bro mellom sensorene og brukeren (datamaskinen), og hjelper til med å løse teknologiske problemer.

Dermed kan et smart målesystem representeres av tre nivåer: sensornivå, nettverksnivå, programvarenivå. Det første nivået er nivået på selve sensoren, en sensor med en kommunikasjonsprotokoll. Det andre nivået er sensornettverksnivået, broen mellom sensorobjektet og problemløsningsprosessen.

Det tredje nivået er programvarenivået, som allerede innebærer interaksjonen mellom systemet og brukeren. Programvaren her kan være helt annerledes da den ikke lenger er knyttet direkte til sensorenes digitale grensesnitt. Undernivåer relatert til undersystemer er også mulig i systemet.

De siste årene har utviklingen av smarte sensorer tatt flere retninger.

1. Nye målemetoder som krever kraftig databehandling inne i sensoren. Dette vil gjøre det mulig å plassere sensorer utenfor det målte miljøet, og dermed øke stabiliteten til avlesningene og redusere driftstap. Sensorene har ingen bevegelige deler, noe som forbedrer påliteligheten og forenkler vedlikeholdet.Utformingen av måleobjektet påvirker ikke driften av sensoren og installasjonen blir billigere.

2. Trådløse sensorer er unektelig lovende. Flytting av objekter fordelt i rommet krever trådløs kommunikasjon med automatiseringsmidler, med kontrollere. Radiotekniske enheter blir billigere, kvaliteten øker, trådløs kommunikasjon er ofte mer økonomisk enn kabel. Hver sensor kan overføre informasjon på sin egen tidsluke (TDMA), på sin egen frekvens (FDMA) eller med sin egen koding (CDMA), til slutt Bluetooth.

3. Miniatyrsensorer kan bygges inn i industrielt utstyr, og automasjonsutstyr vil bli en integrert del av utstyret som utfører den teknologiske prosessen, ikke et eksternt tillegg. En sensor med et volum på flere kubikkmillimeter vil måle temperatur, trykk, fuktighet osv., behandle dataene og overføre informasjonen over nettverket. Nøyaktigheten og kvaliteten på instrumentene vil øke.

4. Fordelen med multisensorsensorer er åpenbar. En felles omformer vil sammenligne og behandle data fra flere sensorer, det vil si ikke flere separate sensorer, men én, men multifunksjonell.

5. Til slutt vil intelligensen til sensorer øke. Verdiprediksjon, kraftig databehandling og analyse, full selvdiagnose, feilprediksjon, vedlikeholdsråd, logisk kontroll og regulering.

Over tid vil smarte sensorer bli mer og mer multifunksjonelle automatiseringsverktøy, som selv begrepet "sensor" vil bli ufullstendig og kun betinget for.