Pametni senzori i njihova upotreba

Prema GOST R 8.673-2009 GSI „Inteligentni senzori i inteligentni mjerni sustavi. Osnovni pojmovi i definicije”, inteligentni senzori su adaptivni senzori koji sadrže algoritme rada i parametre koji se mijenjaju od vanjskih signala, au kojima je implementirana i funkcija mjeriteljske samokontrole.

Posebnost pametnih senzora je sposobnost samoiscjeljivanja i samoučenja nakon jednog kvara. U literaturi na engleskom jeziku senzori ove vrste nazivaju se "smart sensor". Termin se zadržao sredinom 1980-ih.

Danas je pametni senzor senzor s ugrađenom elektronikom, uključujući: ADC, mikroprocesor, digitalni procesor signala, sustav na čipu itd., te digitalno sučelje s podrškom za mrežne komunikacijske protokole. Na taj način se pametni senzor može uključiti u bežičnu ili žičanu senzorsku mrežu, zahvaljujući funkciji samoidentifikacije u mreži zajedno s drugim uređajima.

Mrežno sučelje pametnog senzora omogućuje ne samo da ga povežete s mrežom, već i da ga konfigurirate, konfigurirate, odaberete način rada i dijagnosticirate senzor. Mogućnost daljinskog izvođenja ovih operacija je prednost pametnih senzora, lakši su za rukovanje i održavanje.

Slika prikazuje blok dijagram koji prikazuje osnovne blokove pametnog senzora, minimum potreban da bi se senzor smatrao takvim. Dolazni analogni signal (jedan ili više njih) se pojačava, zatim pretvara u digitalni signal za daljnju obradu.

ROM sadrži kalibracijske podatke, mikroprocesor korelira primljene podatke s kalibracijskim podacima, ispravlja ih i pretvara u potrebne mjerne jedinice - stoga je pogreška povezana s utjecajem različitih čimbenika (odmak nule, utjecaj temperature itd.) kompenzira i stanje se procjenjuje istovremeno s primarnim pretvaračem, što može utjecati na pouzdanost rezultata.

Informacije dobivene kao rezultat obrade prenose se putem digitalnog komunikacijskog sučelja korištenjem korisničkog protokola. Korisnik može postaviti granice mjerenja i druge parametre senzora, kao i dobiti informacije o trenutnom stanju senzora i rezultatima mjerenja.

Suvremeni integrirani sklopovi (sustavi na čipu) uključuju, osim mikroprocesora, memoriju i periferne uređaje kao što su precizni digitalno-analogni i analogno-digitalni pretvarači, mjerači vremena, Ethernet, USB i serijski kontroleri. Primjeri takvih integriranih sklopova uključuju ADuC8xx tvrtke Analog Devices, AT91RM9200 tvrtke Atmel, MSC12xx tvrtke Texas Instruments.

Distribuirane mreže inteligentnih senzora omogućuju praćenje i kontrolu parametara složene industrijske opreme u stvarnom vremenu, gdje tehnološki procesi cijelo vrijeme dinamički mijenjaju svoje stanje.

Ne postoji jedinstveni mrežni standard za pametne senzore i to je svojevrsna prepreka aktivnom razvoju bežičnih i žičnih senzorskih mreža. Ipak, danas se koriste mnoga sučelja: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; rade industrijske mreže: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Ovakvo stanje postavilo je pitanje izbora proizvođača senzora, budući da nije ekonomski isplativo za svaki mrežni protokol proizvoditi zaseban senzor s istom modifikacijom. U međuvremenu, pojava IEEE 1451 grupe standarda "Intelligent Transducer Interface Standards" olakšala je uvjete, sučelje između senzora i mreže je unificirano. Standardi su dizajnirani da ubrzaju prilagodbu — od pojedinačnih senzora do mreža senzora, nekoliko podskupina definira softverske i hardverske metode za povezivanje senzora u mrežu.

Dakle, dvije klase uređaja opisane su u standardima IEEE 1451.1 i IEEE 1451.2. Prvi standard definira unificirano sučelje za povezivanje pametnih senzora s mrežom; ovo je specifikacija NCAP modula koji je svojevrsni most između STIM modula samog senzora i vanjske mreže.

Drugi standard specificira digitalno sučelje za povezivanje modula STIM pametnog pretvarača s mrežnim adapterom. TEDS koncept podrazumijeva elektroničku putovnicu senzora, za mogućnost njegove samoidentifikacije u mreži.TEDS uključuje: datum proizvodnje, šifru modela, serijski broj, podatke o kalibraciji, datum kalibracije, mjerne jedinice. Rezultat je plug and play analog za senzore i mreže, zajamčeno jednostavno rukovanje i zamjena. Mnogi proizvođači pametnih senzora već podržavaju ove standarde.

Ono što glavno daje integracija senzora u mrežu je mogućnost pristupa mjernim informacijama putem softvera, neovisno o tipu senzora i načinu organiziranja određene mreže. Ispostavilo se da je to mreža koja služi kao most između senzora i korisnika (računala), pomažući u rješavanju tehnoloških problema.

Dakle, sustav pametnog mjerenja može se predstaviti na tri razine: razina senzora, razina mreže, razina softvera. Prva razina je razina samog senzora, senzora s komunikacijskim protokolom. Druga razina je razina senzorske mreže, most između senzorskog objekta i procesa rješavanja problema.

Treća razina je softverska, koja već podrazumijeva interakciju sustava s korisnikom. Softver ovdje može biti potpuno drugačiji jer više nije izravno povezan s digitalnim sučeljem senzora. Unutar sustava moguće su i podrazine vezane uz podsustave.

Posljednjih godina razvoj pametnih senzora krenuo je u nekoliko smjerova.

1. Nove mjerne metode koje zahtijevaju snažno računalstvo unutar senzora. To će omogućiti da senzori budu locirani izvan mjerenog okruženja, čime se povećava stabilnost očitanja i smanjuju operativni gubici. Senzori nemaju pokretnih dijelova, što povećava pouzdanost i pojednostavljuje održavanje.Dizajn mjernog objekta ne utječe na rad senzora i ugradnja postaje jeftinija.

2. Bežični senzori nedvojbeno obećavaju. Pokretni objekti raspoređeni u prostoru zahtijevaju bežičnu komunikaciju sa sredstvima njihove automatizacije, s upravljačima. Radiotehnički uređaji sve su jeftiniji, njihova kvaliteta sve veća, bežična komunikacija često je ekonomičnija od kabelske. Svaki senzor može prenositi informacije na vlastitom vremenskom odsječku (TDMA), na vlastitoj frekvenciji (FDMA) ili s vlastitim kodiranjem (CDMA), konačno Bluetooth.

3. Minijaturni senzori mogu se ugraditi u industrijsku opremu, a oprema za automatizaciju postat će sastavni dio opreme koja obavlja tehnološki proces, a ne vanjski dodatak. Senzor obujma od nekoliko kubičnih milimetara mjerit će temperaturu, tlak, vlagu itd., obrađivati ​​podatke i prenositi informacije putem mreže. Povećat će se točnost i kvaliteta instrumenata.

4. Prednost višesenzorskih senzora je očita. Uobičajeni pretvarač će usporediti i obraditi podatke iz nekoliko senzora, to jest, ne nekoliko zasebnih senzora, već jedan, ali višenamjenski.

5. Konačno, inteligencija senzora će se povećati. Predviđanje vrijednosti, snažna obrada i analiza podataka, potpuna samodijagnostika, predviđanje kvarova, savjeti za održavanje, logička kontrola i regulacija.

S vremenom će pametni senzori postajati sve više i više multifunkcionalni alati za automatizaciju, za koje će čak i sam pojam "senzor" postati nepotpun i samo uvjetan.