Chytré senzory a jejich použití

Podle GOST R 8.673-2009 GSI „Inteligentní senzory a inteligentní měřicí systémy. Základní pojmy a definice “, inteligentní senzory jsou adaptivní senzory obsahující pracovní algoritmy a parametry měnící se z externích signálů, ve kterých je implementována i funkce metrologické samokontroly.

Charakteristickým rysem chytrých senzorů je schopnost samoléčení a samoučení po jediném selhání. V anglicky psané literatuře se senzorům tohoto typu říká „smart sensor“. Termín uvízl v polovině 80. let.

Dnes je inteligentním senzorem senzor s vestavěnou elektronikou, včetně: ADC, mikroprocesoru, digitálního signálového procesoru, systému na čipu atd., a digitálního rozhraní s podporou síťových komunikačních protokolů. Tímto způsobem lze chytrý senzor začlenit do bezdrátové nebo drátové senzorové sítě, a to díky funkci vlastní identifikace v síti spolu s dalšími zařízeními.

Síťové rozhraní chytrého senzoru umožňuje nejen jej připojit k síti, ale také jej konfigurovat, konfigurovat, zvolit provozní režim a diagnostikovat senzor. Možnost provádět tyto operace na dálku je výhodou chytrých senzorů, snadněji se obsluhují a udržují.

Obrázek ukazuje blokové schéma znázorňující základní bloky inteligentního senzoru, což je minimum nutné k tomu, aby bylo možné senzor za takový považovat. Přicházející analogový signál (jeden nebo více) je zesílen a poté převeden na digitální signál pro další zpracování.

ROM obsahuje kalibrační data, mikroprocesor koreluje přijatá data s kalibračními daty, koriguje je a převádí na potřebné jednotky měření - tím je chyba spojená s vlivem různých faktorů (drift nuly, vliv teploty atd.) kompenzován a stav je vyhodnocen současně s primárním převodníkem, což může ovlivnit spolehlivost výsledku.

Informace získané jako výsledek zpracování jsou přenášeny přes digitální komunikační rozhraní pomocí uživatelského protokolu. Uživatel může nastavit meze měření a další parametry senzoru, stejně jako získat informace o aktuálním stavu senzoru a výsledcích měření.

Moderní integrované obvody (systémy na čipu) zahrnují kromě mikroprocesoru paměť a periferie, jako jsou přesné digitálně-analogové a analogově-digitální převodníky, časovače, Ethernet, USB a sériové řadiče. Příklady takových integrovaných obvodů zahrnují ADuC8xx od Analog Devices, AT91RM9200 od Atmel, MSC12xx od Texas Instruments.

Distribuované sítě inteligentních senzorů umožňují sledování a řízení parametrů komplexních průmyslových zařízení v reálném čase, kde technologické procesy neustále dynamicky mění svůj stav.

Neexistuje jednotný síťový standard pro chytré senzory a to je jakousi překážkou pro aktivní rozvoj bezdrátových a drátových senzorových sítí. Přesto se dnes používá mnoho rozhraní: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; průmyslové sítě fungují: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Tento stav vyvolal otázku výběru výrobců senzorů, protože pro každý síťový protokol není ekonomicky únosné vyrábět samostatný senzor se stejnou modifikací. Mezitím vznik skupiny standardů IEEE 1451 „Intelligent Transducer Interface Standards“ podmínky ulehčil, rozhraní mezi senzorem a sítí je sjednoceno. Standardy jsou navrženy tak, aby urychlily adaptaci — od jednotlivých senzorů po senzorové sítě, několik podskupin definuje softwarové a hardwarové metody pro připojení senzorů k síti.

Ve standardech IEEE 1451.1 a IEEE 1451.2 jsou tedy popsány dvě třídy zařízení. První standard definuje jednotné rozhraní pro připojení chytrých senzorů k síti; to je specifikace modulu NCAP, který je jakýmsi mostem mezi modulem STIM samotného senzoru a externí sítí.

Druhý standard specifikuje digitální rozhraní pro připojení modulu inteligentního převodníku STIM k síťovému adaptéru. Koncept TEDS předpokládá elektronický pas senzoru pro možnost jeho vlastní identifikace v síti.TEDS obsahuje: datum výroby, kód modelu, sériové číslo, kalibrační údaje, datum kalibrace, měrné jednotky. Výsledkem je plug and play analog pro senzory a sítě, snadné ovládání a zaručená výměna. Mnoho výrobců chytrých senzorů již tyto standardy podporuje.

Hlavní věc, kterou integrace senzorů do sítě dává, je možnost přístupu k informacím o měření prostřednictvím softwaru, bez ohledu na typ senzoru a na to, jak je určitá síť organizována. Ukazuje se, že jde o síť, která slouží jako most mezi senzory a uživatelem (počítačem) a pomáhá řešit technologické problémy.

Inteligentní měřicí systém tedy může být reprezentován třemi úrovněmi: úroveň senzoru, úroveň sítě, úroveň softwaru. První úrovní je úroveň samotného senzoru, senzoru s komunikačním protokolem. Druhou úrovní je úroveň sítě senzorů, most mezi objektem senzoru a procesem řešení problémů.

Třetí úrovní je úroveň softwaru, která již implikuje interakci systému s uživatelem. Software zde může být zcela odlišný, protože již není vázán přímo na digitální rozhraní senzorů. V rámci systému jsou také možné dílčí úrovně související se subsystémy.

V posledních letech se vývoj chytrých senzorů ubírá několika směry.

1. Nové metody měření vyžadující výkonné výpočty uvnitř senzoru. To umožní umístění senzorů mimo měřené prostředí, čímž se zvýší stabilita odečtů a sníží se provozní ztráty. Senzory nemají žádné pohyblivé části, což zvyšuje spolehlivost a zjednodušuje údržbu.Konstrukce měřeného objektu nemá vliv na provoz snímače a instalace se zlevňuje.

2. Bezdrátové senzory jsou nepopiratelně slibné. Pohybující se objekty rozmístěné v prostoru vyžadují bezdrátovou komunikaci s prostředky jejich automatizace, s ovladači. Radiotechnická zařízení zlevňují, zvyšuje se jejich kvalita, bezdrátová komunikace je často ekonomičtější než kabelová. Každý senzor může přenášet informace na vlastním časovém slotu (TDMA), na vlastní frekvenci (FDMA) nebo s vlastním kódováním (CDMA), konečně Bluetooth.

3. Miniaturní snímače mohou být zabudovány do průmyslových zařízení a automatizační zařízení se stane nedílnou součástí zařízení, které provádí technologický proces, nikoli externím doplňkem. Senzor o objemu několika kubických milimetrů bude měřit teplotu, tlak, vlhkost atd., zpracovávat data a přenášet informace po síti. Zvýší se přesnost a kvalita přístrojů.

4. Výhoda multisenzorových snímačů je zřejmá. Společný převodník bude porovnávat a zpracovávat data z více senzorů, tedy ne více samostatných senzorů, ale jednoho, ale multifunkčního.

5. Konečně se zvýší inteligence senzorů. Predikce hodnot, výkonné zpracování a analýza dat, úplná autodiagnostika, predikce chyb, rady pro údržbu, logické řízení a regulace.

Postupem času se z chytrých senzorů stanou stále více multifunkční automatizační nástroje, pro které se i samotný pojem „senzor“ stane neúplným a pouze podmíněným.