Smarta sensorer och deras användning

Enligt GOST R 8.673-2009 GSI "Intelligenta sensorer och intelligenta mätsystem. Grundläggande termer och definitioner ”, intelligenta sensorer är adaptiva sensorer som innehåller arbetsalgoritmer och parametrar som ändras från externa signaler, och där funktionen för metrologisk självkontroll också implementeras.

En utmärkande egenskap hos smarta sensorer är förmågan att självläka och självlära sig efter ett enda fel. I den engelskspråkiga litteraturen kallas sensorer av denna typ för "smart sensor". Termen fastnade i mitten av 1980-talet.

Idag är en smart sensor en sensor med inbyggd elektronik, inklusive: ADC, mikroprocessor, digital signalprocessor, system-on-chip etc. och ett digitalt gränssnitt med stöd för nätverkskommunikationsprotokoll. På så sätt kan den smarta sensorn ingå i ett trådlöst eller trådbundet sensornätverk, tack vare självidentifieringsfunktionen i nätverket tillsammans med andra enheter.

Nätverksgränssnittet för en smart sensor låter dig inte bara ansluta den till nätverket, utan också att konfigurera den, konfigurera den, välja ett driftläge och diagnostisera sensorn. Möjligheten att utföra dessa operationer på distans är en fördel med smarta sensorer, de är lättare att använda och underhålla.

Figuren visar ett blockschema som visar grundblocken för en smart sensor, det minimum som krävs för att sensorn ska betraktas som sådan. Den inkommande analoga signalen (en eller flera) förstärks och omvandlas sedan till en digital signal för vidare bearbetning.

ROM-minnet innehåller kalibreringsdata, mikroprocessorn korrelerar mottagna data med kalibreringsdata, korrigerar dem och omvandlar dem till nödvändiga måttenheter - sålunda är felet associerat med påverkan av olika faktorer (nolldrift, temperaturpåverkan, etc.) kompenseras och tillståndet utvärderas samtidigt med den primära givaren, vilket kan påverka resultatets tillförlitlighet.

Information som erhålls som ett resultat av bearbetning överförs genom ett digitalt kommunikationsgränssnitt med användning av användarens protokoll. Användaren kan ställa in mätgränser och andra parametrar för sensorn, samt få information om sensorns aktuella tillstånd och resultaten av mätningarna.

Moderna integrerade kretsar (system på ett chip) inkluderar, förutom en mikroprocessor, minne och kringutrustning såsom precisions digital-till-analog och analog-till-digital-omvandlare, timers, Ethernet, USB och seriella kontroller. Exempel på sådana integrerade kretsar inkluderar ADuC8xx från Analog Devices, AT91RM9200 från Atmel, MSC12xx från Texas Instruments.

Distribuerade nätverk av intelligenta sensorer möjliggör realtidsövervakning och kontroll av parametrar för komplex industriell utrustning, där tekniska processer dynamiskt förändrar sitt tillstånd hela tiden.

Det finns ingen enskild nätverksstandard för smarta sensorer och detta är ett slags hinder för aktiv utveckling av trådlösa och trådbundna sensornätverk. Ändå används många gränssnitt idag: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; industriella nätverk fungerar: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Detta tillstånd väckte frågan om valet av sensortillverkare, eftersom det inte är ekonomiskt lönsamt för varje nätverksprotokoll att producera en separat sensor med samma modifiering. Samtidigt underlättade uppkomsten av IEEE 1451-gruppen av standarder "Intelligent Transducer Interface Standards" villkoren, gränssnittet mellan sensorn och nätverket är enhetligt. Standarderna är utformade för att påskynda anpassningen — från individuella sensorer till sensornätverk, flera undergrupper definierar mjukvara och hårdvara metoder för att ansluta sensorer till ett nätverk.

Således beskrivs två klasser av enheter i standarderna IEEE 1451.1 och IEEE 1451.2. Den första standarden definierar ett enhetligt gränssnitt för att ansluta smarta sensorer till nätverket; detta är specifikationen för NCAP-modulen, som är en slags brygga mellan själva sensorns STIM-modul och det externa nätverket.

Den andra standarden specificerar ett digitalt gränssnitt för att ansluta en STIM smart omvandlarmodul till en nätverksadapter. TEDS-konceptet innebär ett elektroniskt pass för sensorn, för möjlighet till självidentifiering i nätverket.TEDS inkluderar: tillverkningsdatum, modellkod, serienummer, kalibreringsdata, kalibreringsdatum, måttenheter. Resultatet är en plug and play-analog för sensorer och nätverk, enkel drift och garanterat utbyte. Många smarta sensortillverkare stöder redan dessa standarder.

Det viktigaste som integreringen av sensorer i ett nätverk ger är möjligheten att få tillgång till mätinformation via mjukvara, oavsett typ av sensor och hur ett visst nätverk är organiserat. Det visar sig vara ett nätverk som fungerar som en brygga mellan sensorerna och användaren (datorn), och hjälper till att lösa tekniska problem.

Således kan ett smart mätsystem representeras av tre nivåer: sensornivå, nätverksnivå, mjukvarunivå. Den första nivån är nivån på själva sensorn, en sensor med ett kommunikationsprotokoll. Den andra nivån är sensornätverksnivån, bryggan mellan sensorobjektet och problemlösningsprocessen.

Den tredje nivån är mjukvarunivån, som redan innebär systemets interaktion med användaren. Mjukvaran här kan vara helt annorlunda eftersom den inte längre är bunden direkt till sensorernas digitala gränssnitt. Undernivåer relaterade till delsystem är också möjliga inom systemet.

De senaste åren har utvecklingen av smarta sensorer tagit flera riktningar.

1. Nya mätmetoder som kräver kraftfull beräkning inuti sensorn. Detta kommer att göra det möjligt för sensorer att placeras utanför den uppmätta miljön, vilket ökar stabiliteten i avläsningarna och minskar driftsförlusterna. Sensorerna har inga rörliga delar, vilket förbättrar tillförlitligheten och förenklar underhållet.Utformningen av mätobjektet påverkar inte sensorns funktion och installationen blir billigare.

2. Trådlösa sensorer är onekligen lovande. Flytta objekt fördelade i rymden kräver trådlös kommunikation med hjälp av deras automatisering, med kontroller. Radiotekniska enheter blir billigare, deras kvalitet ökar, trådlös kommunikation är ofta mer ekonomisk än kabel. Varje sensor kan sända information på sin egen tidslucka (TDMA), på sin egen frekvens (FDMA) eller med sin egen kodning (CDMA), slutligen Bluetooth.

3. Miniatyrsensorer kan bäddas in i industriell utrustning, och automationsutrustning kommer att bli en integrerad del av den utrustning som utför den tekniska processen, inte ett externt tillägg. En sensor med en volym på flera kubikmillimeter kommer att mäta temperatur, tryck, fuktighet etc., bearbeta data och överföra informationen över nätverket. Instrumentens noggrannhet och kvalitet kommer att öka.

4. Fördelen med multisensorsensorer är uppenbar. En gemensam omvandlare kommer att jämföra och bearbeta data från flera sensorer, det vill säga inte flera separata sensorer, utan en, men multifunktionell.

5. Slutligen kommer sensorernas intelligens att öka. Värdeprediktion, kraftfull databearbetning och analys, fullständig självdiagnos, felförutsägelse, underhållsrådgivning, logisk kontroll och reglering.

Med tiden kommer smarta sensorer att bli fler och fler multifunktionella automationsverktyg, för vilka även själva termen "sensor" kommer att bli ofullständig och bara villkorad.