Älykkäät anturit ja niiden käyttö

GOST R 8.673-2009 GSI:n mukaan "Älykkäät anturit ja älykkäät mittausjärjestelmät. Perustermit ja määritelmät ”, älykkäät anturit ovat adaptiivisia antureita, jotka sisältävät ulkoisista signaaleista muuttuvia työalgoritmeja ja parametreja ja joissa on myös toteutettu metrologisen itseohjauksen toiminto.

Älykkäiden antureiden erottuva piirre on kyky parantaa itseään ja oppia itsestään yhden vian jälkeen. Englanninkielisessä kirjallisuudessa tämän tyyppisiä antureita kutsutaan "älykäs sensoriksi". Termi jumissa 1980-luvun puolivälissä.

Nykyään älykäs anturi on anturi, jossa on sulautettu elektroniikka, mukaan lukien: ADC, mikroprosessori, digitaalinen signaaliprosessori, system-on-chip jne. ja digitaalinen liitäntä, joka tukee verkkoliikenneprotokollia. Näin älykäs anturi voidaan sisällyttää langattomaan tai langalliseen anturiverkkoon verkon itsetunnistustoiminnon ansiosta yhdessä muiden laitteiden kanssa.

Älykkään anturin verkkoliittymän avulla voit paitsi yhdistää sen verkkoon, myös määrittää sen, konfiguroida sen, valita toimintatilan ja diagnosoida anturin. Mahdollisuus suorittaa nämä toiminnot etänä on älykkäiden antureiden etu, niitä on helpompi käyttää ja huoltaa.

Kuvassa on lohkokaavio, joka esittää älykkään anturin peruslohkot, vähimmäismäärä, joka tarvitaan, jotta anturin katsottaisiin sellaisenaan. Saapuva analoginen signaali (yksi tai useampi) vahvistetaan ja muunnetaan sitten digitaaliseksi signaaliksi jatkokäsittelyä varten.

ROM sisältää kalibrointitiedot, mikroprosessori korreloi vastaanotetut tiedot kalibrointitietoihin, korjaa ne ja muuntaa ne tarvittaviin mittayksiköihin - näin eri tekijöiden (nollapoikkeama, lämpötilavaikutus jne.) vaikutukseen liittyvä virhe on kompensoidaan ja kunto arvioidaan samanaikaisesti ensisijaisen anturin kanssa, mikä voi vaikuttaa tuloksen luotettavuuteen.

Käsittelyn tuloksena saatu tieto välitetään digitaalisen tiedonsiirtorajapinnan kautta käyttäjän protokollaa käyttäen. Käyttäjä voi asettaa anturin mittausrajat ja muut parametrit sekä saada tietoa anturin nykyisestä tilasta ja mittausten tuloksista.

Nykyaikaiset integroidut piirit (järjestelmät sirulla) sisältävät mikroprosessorin lisäksi muistia ja oheislaitteita, kuten tarkkoja digitaali-analogia- ja analogia-digitaalimuuntimia, ajastimia, Ethernet-, USB- ja sarjaohjaimia. Esimerkkejä tällaisista integroiduista piireistä ovat ADuC8xx Analog Devicesilta, AT91RM9200 Atmelilta, MSC12xx Texas Instrumentsilta.

Hajautetut älykkäiden antureiden verkot mahdollistavat monimutkaisten teollisuuslaitteiden parametrien reaaliaikaisen seurannan ja ohjauksen, jossa teknologiset prosessit muuttavat tilaansa dynaamisesti koko ajan.

Älykkäille antureille ei ole olemassa yhtä verkkostandardia ja tämä on eräänlainen este langattomien ja langallisten anturiverkkojen aktiiviselle kehitykselle. Siitä huolimatta nykyään käytetään monia liitäntöjä: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; teollisuusverkot toimivat: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Tämä tilanne herätti kysymyksen anturivalmistajien valinnasta, koska ei ole taloudellisesti kannattavaa, että jokainen verkkoprotokolla tuottaa erillistä anturia samalla modifikaatiolla. Samaan aikaan IEEE 1451 -standardiryhmän "Intelligent Transducer Interface Standards" syntyminen helpotti olosuhteita, anturin ja verkon välinen liitäntä on yhtenäinen. Standardit on suunniteltu nopeuttamaan sopeutumista – yksittäisistä antureista anturiverkkoihin, useat alaryhmät määrittelevät ohjelmistot ja laitteistot anturien liittämiseksi verkkoon.

Näin ollen IEEE 1451.1- ja IEEE 1451.2 -standardeissa on kuvattu kaksi laiteluokkaa. Ensimmäinen standardi määrittelee yhtenäisen rajapinnan älykkäiden antureiden liittämiseksi verkkoon; Tämä on NCAP-moduulin spesifikaatio, joka on eräänlainen silta itse anturin STIM-moduulin ja ulkoisen verkon välillä.

Toinen standardi määrittelee digitaalisen liitännän STIM-älymuunninmoduulin liittämiseksi verkkosovittimeen. TEDS-konsepti sisältää anturin sähköisen passin, joka mahdollistaa sen itsensä tunnistamisen verkossa.TEDS sisältää: valmistuspäivämäärän, mallikoodin, sarjanumeron, kalibrointitiedot, kalibrointipäivämäärän, mittayksiköt. Tuloksena on plug and play -analogi antureille ja verkoille, helppo käyttö ja vaihto taattu. Monet älykkäiden antureiden valmistajat tukevat jo näitä standardeja.

Pääasia, jonka antureiden integrointi verkkoon antaa, on mahdollisuus päästä käsiksi mittaustietoihin ohjelmiston kautta riippumatta anturin tyypistä ja siitä, miten tietty verkko on järjestetty. Se osoittautuu verkostoksi, joka toimii siltana antureiden ja käyttäjän (tietokoneen) välillä ja auttaa ratkaisemaan teknologisia ongelmia.

Älykäs mittausjärjestelmä voidaan siis esittää kolmella tasolla: anturitaso, verkkotaso, ohjelmistotaso. Ensimmäinen taso on itse anturin taso, viestintäprotokollalla varustetun anturin taso. Toinen taso on anturiverkoston taso, silta anturiobjektin ja ongelmanratkaisuprosessin välillä.

Kolmas taso on ohjelmistotaso, joka jo edellyttää järjestelmän vuorovaikutusta käyttäjän kanssa. Ohjelmisto voi olla täysin erilainen, koska se ei ole enää sidottu suoraan antureiden digitaaliseen käyttöliittymään. Myös osajärjestelmiin liittyvät alatasot ovat mahdollisia järjestelmän sisällä.

Älykkäiden antureiden kehitys on viime vuosina kehittynyt useisiin suuntiin.

1. Uudet mittausmenetelmät, jotka edellyttävät tehokasta laskentaa anturin sisällä. Tämä mahdollistaa antureiden sijoittamisen mitatun ympäristön ulkopuolelle, mikä lisää lukemien vakautta ja vähentää käyttöhäviöitä. Antureissa ei ole liikkuvia osia, mikä parantaa luotettavuutta ja yksinkertaistaa huoltoa.Mittauskohteen suunnittelu ei vaikuta anturin toimintaan ja asennus tulee halvemmaksi.

2. Langattomat anturit ovat kiistatta lupaavia. Avaruudessa hajautetut liikkuvat kohteet edellyttävät langatonta kommunikaatiota automaatiovälineensä kanssa, ohjaimien kanssa. Radiotekniset laitteet halpenevat, niiden laatu paranee, langaton viestintä on usein edullisempaa kuin kaapeli. Jokainen anturi voi lähettää tietoa omalla aikavälillään (TDMA), omalla taajuudellaan (FDMA) tai omalla koodauksellaan (CDMA), lopulta Bluetooth.

3. Miniatyyrianturit voidaan upottaa teollisuuslaitteisiin, ja automaatiolaitteistoista tulee olennainen osa teknistä prosessia suorittavaa laitteistoa, ei ulkoista lisäystä. Useita kuutiomillimetrejä mittaava anturi mittaa lämpötilaa, painetta, kosteutta jne., käsittelee tiedot ja välittää tiedot verkon yli. Välineiden tarkkuus ja laatu paranevat.

4. Monisensoristen antureiden etu on ilmeinen. Yhteinen muunnin vertaa ja käsittelee tietoja useista antureista, eli ei useista erillisistä antureista, vaan yhdestä, mutta monitoimisesta.

5. Lopuksi anturien älykkyys kasvaa. Arvon ennustaminen, tehokas tietojenkäsittely ja analyysi, täydellinen itsediagnoosi, vian ennustaminen, huoltoneuvonta, logiikka ohjaus ja säätö.

Ajan myötä älykkäistä antureista tulee yhä monikäyttöisempiä automaatiotyökaluja, joille jopa itse termi "anturi" tulee epätäydelliseksi ja vain ehdolliseksi.