Slimme sensoren en hun gebruik

Volgens GOST R 8.673-2009 GSI "Intelligente sensoren en intelligente meetsystemen. Basistermen en definities ”, intelligente sensoren zijn adaptieve sensoren die werkalgoritmen en parameters bevatten die veranderen van externe signalen, en waarin ook de functie van metrologische zelfcontrole is geïmplementeerd.

Een onderscheidend kenmerk van slimme sensoren is het vermogen om zichzelf te genezen en zelf te leren na een enkele storing. In de Engelstalige literatuur worden dergelijke sensoren "smart sensor" genoemd. De term bleef hangen in het midden van de jaren tachtig.

Tegenwoordig is een slimme sensor een sensor met ingebedde elektronica, waaronder: ADC, microprocessor, digitale signaalprocessor, systeem-op-chip, enz., en een digitale interface met ondersteuning voor netwerkcommunicatieprotocollen. Op deze manier kan de slimme sensor worden opgenomen in een draadloos of bekabeld sensornetwerk, dankzij de zelfidentificatiefunctie in het netwerk samen met andere apparaten.

Dankzij de netwerkinterface van een slimme sensor kunt u deze niet alleen op het netwerk aansluiten, maar ook configureren, configureren, een bedrijfsmodus selecteren en de sensor diagnosticeren. De mogelijkheid om deze handelingen op afstand uit te voeren is een voordeel van slimme sensoren, ze zijn eenvoudiger te bedienen en te onderhouden.

De afbeelding toont een blokschema met de basisblokken van een slimme sensor, het minimum dat nodig is om de sensor als zodanig te beschouwen. Het binnenkomende analoge signaal (een of meer) wordt versterkt en vervolgens omgezet in een digitaal signaal voor verdere verwerking.

De ROM bevat kalibratiegegevens, de microprocessor correleert de ontvangen gegevens met de kalibratiegegevens, corrigeert ze en zet ze om in de nodige meeteenheden - zo wordt de fout die verband houdt met de invloed van verschillende factoren (nulafwijking, temperatuurinvloed, enz.) gecompenseerd en de toestand wordt gelijktijdig met de primaire transducer geëvalueerd, wat de betrouwbaarheid van het resultaat kan beïnvloeden.

Informatie verkregen als resultaat van verwerking wordt verzonden via een digitale communicatie-interface met behulp van het protocol van de gebruiker. De gebruiker kan de meetlimieten en andere parameters van de sensor instellen, evenals informatie krijgen over de huidige status van de sensor en de resultaten van de metingen.

Moderne geïntegreerde schakelingen (systemen op een chip) omvatten, naast een microprocessor, geheugen en randapparatuur zoals precisie digitaal-naar-analoog en analoog-naar-digitaal converters, timers, Ethernet, USB en seriële controllers. Voorbeelden van dergelijke geïntegreerde schakelingen zijn ADuC8xx van Analog Devices, AT91RM9200 van Atmel, MSC12xx van Texas Instruments.

Gedistribueerde netwerken van intelligente sensoren maken real-time bewaking en controle van parameters van complexe industriële apparatuur mogelijk, waarbij technologische processen voortdurend dynamisch van status veranderen.

Er is niet één netwerkstandaard voor slimme sensoren en dit vormt een soort obstakel voor de actieve ontwikkeling van draadloze en bedrade sensornetwerken. Niettemin worden tegenwoordig veel interfaces gebruikt: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; industriële netwerken werken: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Deze gang van zaken deed de vraag rijzen naar de keuze van sensorfabrikanten, aangezien het economisch niet haalbaar is om voor elk netwerkprotocol een afzonderlijke sensor met dezelfde modificatie te produceren. Ondertussen heeft de opkomst van de IEEE 1451-standaardgroep "Intelligent Transducer Interface Standards" de voorwaarden versoepeld, de interface tussen de sensor en het netwerk is verenigd. De standaarden zijn ontworpen om de aanpassing te versnellen - van individuele sensoren tot sensornetwerken, verschillende subgroepen definiëren software- en hardwaremethoden voor het verbinden van sensoren met een netwerk.

Er worden dus twee klassen apparaten beschreven in de normen IEEE 1451.1 en IEEE 1451.2. De eerste standaard definieert een uniforme interface voor het verbinden van slimme sensoren met het netwerk; dit is de specificatie van de NCAP-module, die een soort brug is tussen de STIM-module van de sensor zelf en het externe netwerk.

De tweede standaard specificeert een digitale interface voor het aansluiten van een STIM slimme convertermodule op een netwerkadapter. Het TEDS-concept impliceert een elektronisch paspoort van de sensor, voor de mogelijkheid van zelfidentificatie in het netwerk.TEDS omvat: fabricagedatum, modelcode, serienummer, kalibratiegegevens, datum van kalibratie, meeteenheden. Het resultaat is een plug-and-play analoog voor sensoren en netwerken, eenvoudige bediening en vervanging gegarandeerd. Veel fabrikanten van slimme sensoren ondersteunen deze standaarden al.

Het belangrijkste dat de integratie van sensoren in een netwerk geeft, is de mogelijkheid om via software toegang te krijgen tot meetinformatie, ongeacht het type sensor en hoe een bepaald netwerk is georganiseerd. Het blijkt een netwerk te zijn dat dient als brug tussen de sensoren en de gebruiker (computer) en helpt bij het oplossen van technologische problemen.

Een slim meetsysteem kan dus worden weergegeven door drie niveaus: sensorniveau, netwerkniveau, softwareniveau. Het eerste niveau is het niveau van de sensor zelf, een sensor met een communicatieprotocol. Het tweede niveau is het sensornetwerkniveau, de brug tussen het sensorobject en het probleemoplossingsproces.

Het derde niveau is het softwareniveau, dat al de interactie van het systeem met de gebruiker inhoudt. De software kan hier compleet anders zijn, omdat deze niet meer direct gekoppeld is aan de digitale interface van de sensoren. Binnen het systeem zijn ook subniveaus gerelateerd aan subsystemen mogelijk.

De afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van slimme sensoren verschillende richtingen uitgeslagen.

1. Nieuwe meetmethoden die krachtige rekenkracht in de sensor vereisen. Hierdoor kunnen sensoren buiten de gemeten omgeving worden geplaatst, waardoor de stabiliteit van de metingen wordt vergroot en operationele verliezen worden verminderd. De sensoren hebben geen bewegende delen, wat de betrouwbaarheid ten goede komt en het onderhoud vereenvoudigt.Het ontwerp van het meetobject heeft geen invloed op de werking van de sensor en de installatie wordt goedkoper.

2. Draadloze sensoren zijn onmiskenbaar veelbelovend. Bewegende objecten verspreid over de ruimte vereisen draadloze communicatie met de middelen van hun automatisering, met controllers. Radiotechnische apparaten worden goedkoper, de kwaliteit neemt toe, draadloze communicatie is vaak voordeliger dan kabel. Elke sensor kan informatie verzenden op zijn eigen tijdslot (TDMA), op zijn eigen frequentie (FDMA) of met zijn eigen codering (CDMA), tot slot Bluetooth.

3. Miniatuursensoren kunnen worden ingebed in industriële apparatuur en automatiseringsapparatuur wordt een integraal onderdeel van de apparatuur die het technologische proces uitvoert, geen externe toevoeging. Een sensor met een inhoud van enkele kubieke millimeters meet temperatuur, druk, vochtigheid, enz., verwerkt de gegevens en verzendt de informatie via het netwerk. De nauwkeurigheid en kwaliteit van instrumenten zal toenemen.

4. Het voordeel van sensoren met meerdere sensoren ligt voor de hand. Een gemeenschappelijke converter zal gegevens van verschillende sensoren vergelijken en verwerken, dat wil zeggen niet meerdere afzonderlijke sensoren, maar één, maar multifunctioneel.

5. Tot slot zal de intelligentie van sensoren toenemen. Waardevoorspelling, krachtige gegevensverwerking en -analyse, volledige zelfdiagnose, foutvoorspelling, onderhoudsadvies, logische controle en regeling.

In de loop van de tijd zullen slimme sensoren steeds meer multifunctionele automatiseringstools worden, waarvoor zelfs de term "sensor" zelf onvolledig en slechts voorwaardelijk zal worden.