Intelligens érzékelők és használatuk
A GOST R 8.673-2009 GSI szerint "Intelligens érzékelők és intelligens mérőrendszerek. Alapfogalmak és definíciók ” Az intelligens szenzorok olyan adaptív érzékelők, amelyek külső jelekből változó munkaalgoritmusokat és paramétereket tartalmaznak, és amelyekben a metrológiai önellenőrzés funkciója is megvalósul.
Az intelligens érzékelők megkülönböztető jellemzője az öngyógyítás és az öntanulás képessége egyetlen hiba után. Az angol nyelvű szakirodalomban az ilyen típusú érzékelőket "okos érzékelőnek" nevezik. A kifejezés az 1980-as évek közepére ragadt.
Ma az intelligens érzékelő beágyazott elektronikával rendelkező érzékelő, amely magában foglalja: ADC, mikroprocesszor, digitális jelfeldolgozó processzor, chip-alapú rendszer stb., valamint egy digitális interfész, amely támogatja a hálózati kommunikációs protokollokat. Ily módon az intelligens szenzor beilleszthető egy vezeték nélküli vagy vezetékes szenzorhálózatba, köszönhetően a hálózat önazonosítási funkciójának, más eszközökkel együtt.
Az intelligens érzékelő hálózati interfésze nemcsak a hálózathoz való csatlakoztatását teszi lehetővé, hanem konfigurálását, konfigurálását, működési mód kiválasztását és az érzékelő diagnosztizálását is. Az intelligens érzékelők előnye, hogy ezeket a műveleteket távolról is végre lehet hajtani, könnyebben kezelhetők és karbantarthatók.
Az ábra egy blokkvázlatot mutat be, amely egy intelligens érzékelő alapblokkjait mutatja be, ami a minimálisan szükséges ahhoz, hogy az érzékelőt annak tekintsük. A bejövő analóg jelet (egy vagy több) felerősítik, majd digitális jellé alakítják további feldolgozás céljából.
A ROM kalibrációs adatokat tartalmaz, a mikroprocesszor a kapott adatokat a kalibrációs adatokkal korrelálja, korrigálja és a szükséges mértékegységekre konvertálja - így a különböző tényezők (nulladrift, hőmérséklet-befolyásolás stb.) befolyásával járó hiba az kompenzálják, és az állapotot az elsődleges jelátalakítóval egyidejűleg értékelik, ami befolyásolhatja az eredmény megbízhatóságát.
A feldolgozás eredményeként kapott információkat a felhasználó protokollját használó digitális kommunikációs interfészen keresztül továbbítják. A felhasználó beállíthatja az érzékelő mérési határait és egyéb paramétereit, valamint információkat kaphat az érzékelő aktuális állapotáról és a mérések eredményeiről.
A modern integrált áramkörök (a chipen lévő rendszerek) a mikroprocesszoron kívül memóriát és perifériákat, például precíziós digitális-analóg és analóg-digitális átalakítókat, időzítőket, Ethernet-, USB- és soros vezérlőket tartalmaznak. Ilyen integrált áramkörök például az ADuC8xx az Analog Devices-től, az AT91RM9200 az Atmeltől, az MSC12xx a Texas Instruments-től.
Az intelligens érzékelők elosztott hálózatai lehetővé teszik az összetett ipari berendezések paramétereinek valós idejű monitorozását és vezérlését, ahol a technológiai folyamatok folyamatosan dinamikusan változtatják állapotukat.
Az intelligens érzékelők számára nincs egységes hálózati szabvány, és ez egyfajta akadálya a vezeték nélküli és vezetékes szenzorhálózatok aktív fejlesztésének. Ennek ellenére manapság sok interfészt használnak: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; ipari hálózatok működnek: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.
Ez az állapot felvetette a szenzorgyártók megválasztásának kérdését, hiszen gazdaságilag nem kifizetődő, hogy minden hálózati protokollon különálló érzékelőt gyártsanak azonos módosítással. Eközben az IEEE 1451 szabványcsoport „Intelligent Transducer Interface Standards” megjelenése megkönnyítette a feltételeket, az érzékelő és a hálózat közötti interfész egységes. A szabványok célja az alkalmazkodás felgyorsítása – az egyes érzékelőktől a szenzorhálózatokig számos alcsoport határozza meg az érzékelők hálózathoz csatlakoztatásának szoftveres és hardveres módszereit.
Így az IEEE 1451.1 és az IEEE 1451.2 szabvány két eszközosztályt ír le. Az első szabvány egységes felületet határoz meg az intelligens szenzorok hálózathoz történő csatlakoztatásához; ez az NCAP modul specifikációja, amely egyfajta hidat képez maga az érzékelő STIM modulja és a külső hálózat között.
A második szabvány digitális interfészt határoz meg a STIM intelligens átalakító modul és a hálózati adapter csatlakoztatásához. A TEDS koncepció magában foglalja az érzékelő elektronikus útlevelét, amely lehetővé teszi annak önazonosítását a hálózatban.A TEDS tartalmazza: a gyártás dátumát, a modellkódot, a sorozatszámot, a kalibrációs adatokat, a kalibrálás dátumát, a mértékegységeket. Az eredmény egy plug and play analóg érzékelők és hálózatok számára, garantált az egyszerű kezelés és a csere. Sok intelligens szenzorgyártó már támogatja ezeket a szabványokat.
Az érzékelők hálózatba integrálása a legfontosabb, hogy szoftveren keresztül hozzáférjen a mérési információkhoz, függetlenül az érzékelő típusától és az adott hálózat felépítésétől. Kiderül, hogy ez egy hálózat, amely hídként szolgál az érzékelők és a felhasználó (számítógép) között, segítve a technológiai problémák megoldását.
Így egy intelligens mérőrendszer három szinttel ábrázolható: érzékelő szint, hálózati szint, szoftver szint. Az első szint maga az érzékelő szintje, egy kommunikációs protokollal rendelkező érzékelő. A második szint a szenzorhálózat szintje, a híd az érzékelő objektum és a problémamegoldó folyamat között.
A harmadik szint a szoftverszint, amely már magában foglalja a rendszer interakcióját a felhasználóval. A szoftver itt teljesen más lehet, mivel már nincs közvetlenül az érzékelők digitális interfészéhez kötve. A rendszeren belül alrendszerekhez kapcsolódó alszintek is lehetségesek.
Az elmúlt években több irányt vett az intelligens szenzorok fejlesztése.
1. Új mérési módszerek, amelyek erőteljes számítási munkát igényelnek az érzékelő belsejében. Ez lehetővé teszi, hogy az érzékelőket a mért környezeten kívül helyezzék el, ezáltal növelve a leolvasások stabilitását és csökkentve az üzemi veszteségeket. Az érzékelőknek nincs mozgó alkatrésze, ami növeli a megbízhatóságot és leegyszerűsíti a karbantartást.A mérőtárgy kialakítása nem befolyásolja az érzékelő működését és olcsóbbá válik a telepítés.
2. A vezeték nélküli érzékelők tagadhatatlanul ígéretesek. A térben elosztott mozgó objektumok vezeték nélküli kommunikációt igényelnek automatizálásuk eszközeivel, vezérlőkkel. Egyre olcsóbbak a rádiótechnikai eszközök, javul a minőségük, a vezeték nélküli kommunikáció sokszor gazdaságosabb, mint a kábel. Mindegyik szenzor a saját időrésén (TDMA), saját frekvenciáján (FDMA) vagy saját kódolással (CDMA), végül Bluetooth továbbíthat információt.
3. Miniatűr szenzorok beépíthetők az ipari berendezésekbe, és az automatizálási berendezések a technológiai folyamatot végrehajtó berendezés szerves részévé válnak, nem pedig külső kiegészítővé. Egy több köbmilliméter térfogatú érzékelő méri a hőmérsékletet, nyomást, páratartalmat stb., feldolgozza az adatokat és továbbítja az információkat a hálózaton keresztül. A műszerek pontossága és minősége javulni fog.
4. A több érzékelős érzékelők előnye nyilvánvaló. Egy közös konverter több érzékelőtől származó adatokat hasonlít össze és dolgoz fel, vagyis nem több különálló érzékelőt, hanem egyet, de többfunkciós.
5. Végül a szenzorok intelligenciája növekedni fog. Értékelőrejelzés, hatékony adatfeldolgozás és -elemzés, teljes öndiagnózis, hiba előrejelzés, karbantartási tanácsadás, logikai vezérlés és szabályozás.
Az idő múlásával az intelligens szenzorok egyre több multifunkcionális automatizálási eszközzé válnak, amelyeknél még maga az „érzékelő” kifejezés is hiányossá és csupán feltételessé válik.