Smarte sensorer og deres brug
Ifølge GOST R 8.673-2009 GSI "Intelligente sensorer og intelligente målesystemer. Grundlæggende udtryk og definitioner ”, intelligente sensorer er adaptive sensorer, der indeholder arbejdsalgoritmer og parametre, der ændrer sig fra eksterne signaler, og hvor funktionen af metrologisk selvkontrol også er implementeret.
Et karakteristisk træk ved smarte sensorer er evnen til at selvhelbredende og selvlære efter en enkelt fejl. I den engelsksprogede litteratur kaldes sensorer af denne type "smart sensor". Udtrykket sad fast i midten af 1980'erne.
I dag er en smart sensor en sensor med indlejret elektronik, herunder: ADC, mikroprocessor, digital signalprocessor, system-on-chip osv., og et digitalt interface med understøttelse af netværkskommunikationsprotokoller. På den måde kan den smarte sensor indgå i et trådløst eller kablet sensornetværk, takket være selvidentifikationsfunktionen i netværket sammen med andre enheder.
Netværksgrænsefladen på en smart sensor giver dig mulighed for ikke kun at forbinde den til netværket, men også at konfigurere den, konfigurere den, vælge en driftstilstand og diagnosticere sensoren. Muligheden for at udføre disse operationer eksternt er en fordel ved smarte sensorer, de er nemmere at betjene og vedligeholde.
Figuren viser et blokdiagram, der viser de grundlæggende blokke af en smart sensor, det minimum, der er nødvendigt for, at sensoren kan betragtes som sådan. Det indkommende analoge signal (et eller flere) forstærkes og konverteres derefter til et digitalt signal til yderligere behandling.
ROM'en indeholder kalibreringsdata, mikroprocessoren korrelerer de modtagne data med kalibreringsdataene, retter dem og konverterer dem til de nødvendige måleenheder - således er fejlen forbundet med påvirkningen af forskellige faktorer (nuldrift, temperaturpåvirkning osv.) kompenseres, og tilstanden evalueres samtidigt med den primære transducer, hvilket kan påvirke pålideligheden af resultatet.
Information opnået som et resultat af behandling transmitteres gennem en digital kommunikationsgrænseflade ved hjælp af brugerens protokol. Brugeren kan indstille målegrænser og andre parametre for sensoren, samt få information om sensorens aktuelle tilstand og resultaterne af målingerne.
Moderne integrerede kredsløb (systemer på en chip) omfatter, udover en mikroprocessor, hukommelse og perifere enheder såsom præcisions digital-til-analog og analog-til-digital konvertere, timere, Ethernet, USB og serielle controllere. Eksempler på sådanne integrerede kredsløb omfatter ADuC8xx fra Analog Devices, AT91RM9200 fra Atmel, MSC12xx fra Texas Instruments.
Distribuerede netværk af intelligente sensorer muliggør overvågning og kontrol i realtid af parametre for komplekst industrielt udstyr, hvor teknologiske processer dynamisk ændrer deres tilstand hele tiden.
Der findes ikke en enkelt netværksstandard for smarte sensorer, og dette er en slags hindring for den aktive udvikling af trådløse og kablede sensornetværk. Ikke desto mindre bruges mange interfaces i dag: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; industrielle netværk fungerer: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.
Denne situation rejste spørgsmålet om valget af sensorproducenter, da det ikke er økonomisk rentabelt for hver netværksprotokol at producere en separat sensor med samme modifikation. I mellemtiden lettede fremkomsten af IEEE 1451-gruppen af standarder "Intelligent Transducer Interface Standards" betingelserne, grænsefladen mellem sensoren og netværket er forenet. Standarderne er designet til at accelerere tilpasningen - fra individuelle sensorer til sensornetværk definerer flere undergrupper software- og hardwaremetoder til at forbinde sensorer til et netværk.
Således er to klasser af enheder beskrevet i standarderne IEEE 1451.1 og IEEE 1451.2. Den første standard definerer en samlet grænseflade til at forbinde smarte sensorer til netværket; dette er specifikationen for NCAP-modulet, som er en slags bro mellem selve sensorens STIM-modul og det eksterne netværk.
Den anden standard specificerer en digital grænseflade til tilslutning af et STIM smart konvertermodul til en netværksadapter. TEDS-konceptet indebærer et elektronisk pas for sensoren, for muligheden for dens selvidentifikation i netværket.TEDS inkluderer: fremstillingsdato, modelkode, serienummer, kalibreringsdata, kalibreringsdato, måleenheder. Resultatet er en plug and play analog til sensorer og netværk, nem betjening og udskiftning garanteret. Mange producenter af smarte sensorer understøtter allerede disse standarder.
Det vigtigste, som integrationen af sensorer i et netværk giver, er muligheden for at få adgang til måleinformation via software, uanset hvilken type sensor og hvordan et bestemt netværk er organiseret. Det viser sig at være et netværk, der fungerer som en bro mellem sensorerne og brugeren (computeren), og hjælper med at løse teknologiske problemer.
Et smart målesystem kan således repræsenteres af tre niveauer: sensorniveau, netværksniveau, softwareniveau. Det første niveau er niveauet af selve sensoren, en sensor med en kommunikationsprotokol. Det andet niveau er sensornetværksniveauet, broen mellem sensorobjektet og problemløsningsprocessen.
Det tredje niveau er softwareniveauet, som allerede indebærer systemets interaktion med brugeren. Softwaren her kan være helt anderledes, da den ikke længere er bundet direkte til sensorernes digitale interface. Underniveauer relateret til undersystemer er også mulige i systemet.
De seneste år har udviklingen af smarte sensorer taget flere retninger.
1. Nye målemetoder, der kræver kraftig databehandling inde i sensoren. Dette vil gøre det muligt at placere sensorer uden for det målte miljø og derved øge stabiliteten af aflæsninger og reducere driftstab. Sensorerne har ingen bevægelige dele, hvilket forbedrer pålideligheden og forenkler vedligeholdelsen.Udformningen af måleobjektet påvirker ikke sensorens funktion, og installationen bliver billigere.
2. Trådløse sensorer er unægtelig lovende. Flytning af objekter fordelt i rummet kræver trådløs kommunikation med deres automatiseringsmidler med controllere. Radiotekniske enheder bliver billigere, deres kvalitet er stigende, trådløs kommunikation er ofte mere økonomisk end kabel. Hver sensor kan transmittere information på sin egen tidsslot (TDMA), på sin egen frekvens (FDMA) eller med sin egen kodning (CDMA), endelig Bluetooth.
3. Miniaturesensorer kan indlejres i industrielt udstyr, og automationsudstyr bliver en integreret del af det udstyr, der udfører den teknologiske proces, ikke en ekstern tilføjelse. En sensor med et volumen på flere kubikmillimeter vil måle temperatur, tryk, luftfugtighed osv., behandle dataene og overføre informationen over netværket. Instrumenternes nøjagtighed og kvalitet vil øges.
4. Fordelen ved multi-sensor sensorer er indlysende. En fælles konverter vil sammenligne og behandle data fra flere sensorer, det vil sige ikke flere separate sensorer, men én, men multifunktionel.
5. Endelig vil sensorernes intelligens øges. Værdiforudsigelse, kraftfuld databehandling og analyse, fuld selvdiagnose, fejlforudsigelse, vedligeholdelsesrådgivning, logisk kontrol og regulering.
Med tiden vil smarte sensorer blive mere og mere multifunktionelle automatiseringsværktøjer, for hvilke selv udtrykket "sensor" vil blive ufuldstændigt og blot betinget.