Έξυπνοι αισθητήρες και η χρήση τους
Σύμφωνα με το GOST R 8.673-2009 GSI "Ευφυείς αισθητήρες και έξυπνα συστήματα μέτρησης. Βασικοί όροι και ορισμοί », οι ευφυείς αισθητήρες είναι προσαρμοστικοί αισθητήρες που περιέχουν αλγόριθμους εργασίας και παραμέτρους που αλλάζουν από εξωτερικά σήματα και στους οποίους εφαρμόζεται επίσης η λειτουργία του μετρολογικού αυτοελέγχου.
Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των έξυπνων αισθητήρων είναι η ικανότητα αυτοθεραπείας και αυτομάθησης μετά από μία μόνο αποτυχία. Στην αγγλόφωνη βιβλιογραφία, οι αισθητήρες αυτού του τύπου ονομάζονται "έξυπνος αισθητήρας". Ο όρος κόλλησε στα μέσα της δεκαετίας του 1980.
Σήμερα, ένας έξυπνος αισθητήρας είναι ένας αισθητήρας με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά, όπως: ADC, μικροεπεξεργαστής, επεξεργαστής ψηφιακού σήματος, σύστημα σε τσιπ, κ.λπ., και μια ψηφιακή διεπαφή με υποστήριξη για πρωτόκολλα επικοινωνίας δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο, ο έξυπνος αισθητήρας μπορεί να συμπεριληφθεί σε ασύρματο ή ενσύρματο δίκτυο αισθητήρων, χάρη στη λειτουργία αυτοαναγνώρισης στο δίκτυο μαζί με άλλες συσκευές.
Η διεπαφή δικτύου ενός έξυπνου αισθητήρα σάς επιτρέπει όχι μόνο να τον συνδέσετε στο δίκτυο, αλλά και να τον διαμορφώσετε, να τον διαμορφώσετε, να επιλέξετε έναν τρόπο λειτουργίας και να διαγνώσετε τον αισθητήρα. Η δυνατότητα εκτέλεσης αυτών των λειτουργιών από απόσταση είναι ένα πλεονέκτημα των έξυπνων αισθητήρων, είναι πιο εύκολο να λειτουργήσουν και να διατηρηθούν.
Το σχήμα δείχνει ένα μπλοκ διάγραμμα που δείχνει τα βασικά μπλοκ ενός έξυπνου αισθητήρα, το ελάχιστο απαραίτητο για να θεωρηθεί ο αισθητήρας ως τέτοιος. Το εισερχόμενο αναλογικό σήμα (ένα ή περισσότερα) ενισχύεται και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα για περαιτέρω επεξεργασία.
Η ROM περιέχει δεδομένα βαθμονόμησης, ο μικροεπεξεργαστής συσχετίζει τα δεδομένα που λαμβάνονται με τα δεδομένα βαθμονόμησης, τα διορθώνει και τα μετατρέπει στις απαραίτητες μονάδες μέτρησης - επομένως το σφάλμα που σχετίζεται με την επίδραση διαφόρων παραγόντων (μηδενική μετατόπιση, επίδραση θερμοκρασίας κ.λπ.) είναι αντισταθμίζεται και η κατάσταση αξιολογείται ταυτόχρονα με τον κύριο μορφοτροπέα, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την αξιοπιστία του αποτελέσματος.
Οι πληροφορίες που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας μεταδίδονται μέσω μιας ψηφιακής διεπαφής επικοινωνίας χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο του χρήστη. Ο χρήστης μπορεί να ορίσει τα όρια μέτρησης και άλλες παραμέτρους του αισθητήρα, καθώς και να λάβει πληροφορίες για την τρέχουσα κατάσταση του αισθητήρα και τα αποτελέσματα των μετρήσεων.
Τα σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα (συστήματα σε ένα τσιπ) περιλαμβάνουν, εκτός από έναν μικροεπεξεργαστή, μνήμη και περιφερειακά, όπως μετατροπείς ακριβείας ψηφιακού σε αναλογικό και αναλογικό σε ψηφιακό, χρονόμετρα, Ethernet, USB και σειριακούς ελεγκτές. Παραδείγματα τέτοιων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων περιλαμβάνουν το ADuC8xx από την Analog Devices, το AT91RM9200 από την Atmel, το MSC12xx από την Texas Instruments.
Τα κατανεμημένα δίκτυα ευφυών αισθητήρων επιτρέπουν την παρακολούθηση και τον έλεγχο σε πραγματικό χρόνο των παραμέτρων σύνθετου βιομηχανικού εξοπλισμού, όπου οι τεχνολογικές διαδικασίες αλλάζουν δυναμικά την κατάστασή τους συνεχώς.
Δεν υπάρχει ενιαίο πρότυπο δικτύου για έξυπνους αισθητήρες και αυτό αποτελεί ένα είδος εμποδίου για την ενεργό ανάπτυξη ασύρματων και ενσύρματων δικτύων αισθητήρων. Ωστόσο, σήμερα χρησιμοποιούνται πολλές διεπαφές: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB. λειτουργούν βιομηχανικά δίκτυα: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.
Αυτή η κατάσταση έθεσε το ερώτημα της επιλογής των κατασκευαστών αισθητήρων, καθώς δεν είναι οικονομικά βιώσιμο για κάθε πρωτόκολλο δικτύου να παράγει ξεχωριστό αισθητήρα με την ίδια τροποποίηση. Εν τω μεταξύ, η εμφάνιση της ομάδας προτύπων IEEE 1451 "Intelligent Transducer Interface Standards" διευκόλυνε τις συνθήκες, η διεπαφή μεταξύ του αισθητήρα και του δικτύου είναι ενοποιημένη. Τα πρότυπα έχουν σχεδιαστεί για να επιταχύνουν την προσαρμογή — από μεμονωμένους αισθητήρες σε δίκτυα αισθητήρων, πολλές υποομάδες ορίζουν μεθόδους λογισμικού και υλικού για τη σύνδεση αισθητήρων σε ένα δίκτυο.
Έτσι, δύο κατηγορίες συσκευών περιγράφονται στα πρότυπα IEEE 1451.1 και IEEE 1451.2. Το πρώτο πρότυπο ορίζει μια ενοποιημένη διεπαφή για τη σύνδεση έξυπνων αισθητήρων στο δίκτυο. Αυτή είναι η προδιαγραφή της μονάδας NCAP, η οποία είναι ένα είδος γέφυρας μεταξύ της μονάδας STIM του ίδιου του αισθητήρα και του εξωτερικού δικτύου.
Το δεύτερο πρότυπο καθορίζει μια ψηφιακή διεπαφή για τη σύνδεση μιας μονάδας έξυπνου μετατροπέα STIM σε έναν προσαρμογέα δικτύου. Η έννοια TEDS συνεπάγεται ηλεκτρονικό διαβατήριο του αισθητήρα, για τη δυνατότητα αυτοαναγνώρισής του στο δίκτυο.Το TEDS περιλαμβάνει: ημερομηνία κατασκευής, κωδικό μοντέλου, σειριακό αριθμό, δεδομένα βαθμονόμησης, ημερομηνία βαθμονόμησης, μονάδες μέτρησης. Το αποτέλεσμα είναι ένα αναλογικό plug and play για αισθητήρες και δίκτυα, εύκολη λειτουργία και εγγυημένη αντικατάσταση. Πολλοί κατασκευαστές έξυπνων αισθητήρων υποστηρίζουν ήδη αυτά τα πρότυπα.
Το κύριο πράγμα που δίνει η ενσωμάτωση αισθητήρων σε ένα δίκτυο είναι η δυνατότητα πρόσβασης σε πληροφορίες μέτρησης μέσω λογισμικού, ανεξάρτητα από τον τύπο του αισθητήρα και τον τρόπο οργάνωσης ενός συγκεκριμένου δικτύου. Αποδεικνύεται ότι είναι ένα δίκτυο που χρησιμεύει ως γέφυρα μεταξύ των αισθητήρων και του χρήστη (υπολογιστής), βοηθώντας στην επίλυση τεχνολογικών προβλημάτων.
Έτσι, ένα έξυπνο σύστημα μέτρησης μπορεί να αναπαρασταθεί από τρία επίπεδα: επίπεδο αισθητήρα, επίπεδο δικτύου, επίπεδο λογισμικού. Το πρώτο επίπεδο είναι το επίπεδο του ίδιου του αισθητήρα, ένας αισθητήρας με πρωτόκολλο επικοινωνίας. Το δεύτερο επίπεδο είναι το επίπεδο δικτύου αισθητήρων, η γέφυρα μεταξύ του αντικειμένου του αισθητήρα και της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων.
Το τρίτο επίπεδο είναι το επίπεδο λογισμικού, το οποίο ήδη συνεπάγεται την αλληλεπίδραση του συστήματος με τον χρήστη. Το λογισμικό εδώ μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικό καθώς δεν συνδέεται πλέον απευθείας με την ψηφιακή διεπαφή των αισθητήρων. Τα υποεπίπεδα που σχετίζονται με υποσυστήματα είναι επίσης δυνατά εντός του συστήματος.
Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη έξυπνων αισθητήρων έχει πάρει διάφορες κατευθύνσεις.
1. Νέες μέθοδοι μέτρησης που απαιτούν ισχυρό υπολογισμό μέσα στον αισθητήρα. Αυτό θα επιτρέψει στους αισθητήρες να βρίσκονται εκτός του μετρούμενου περιβάλλοντος, αυξάνοντας έτσι τη σταθερότητα των μετρήσεων και μειώνοντας τις λειτουργικές απώλειες. Οι αισθητήρες δεν έχουν κινούμενα μέρη, γεγονός που βελτιώνει την αξιοπιστία και απλοποιεί τη συντήρηση.Ο σχεδιασμός του αντικειμένου μέτρησης δεν επηρεάζει τη λειτουργία του αισθητήρα και η εγκατάσταση γίνεται φθηνότερη.
2. Οι ασύρματοι αισθητήρες είναι αναμφισβήτητα πολλά υποσχόμενοι. Τα κινούμενα αντικείμενα που κατανέμονται στο διάστημα απαιτούν ασύρματη επικοινωνία με τα μέσα αυτοματοποίησής τους, με ελεγκτές. Οι ραδιοτεχνικές συσκευές γίνονται φθηνότερες, η ποιότητά τους αυξάνεται, η ασύρματη επικοινωνία είναι συχνά πιο οικονομική από την καλωδιακή. Κάθε αισθητήρας μπορεί να μεταδίδει πληροφορίες στη δική του χρονοθυρίδα (TDMA), στη δική του συχνότητα (FDMA) ή με τη δική του κωδικοποίηση (CDMA), τέλος Bluetooth.
3. Οι μικροσκοπικοί αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν σε βιομηχανικό εξοπλισμό και ο εξοπλισμός αυτοματισμού θα γίνει αναπόσπαστο μέρος του εξοπλισμού που εκτελεί την τεχνολογική διαδικασία και όχι μια εξωτερική προσθήκη. Ένας αισθητήρας με όγκο αρκετών κυβικών χιλιοστών θα μετρήσει τη θερμοκρασία, την πίεση, την υγρασία κ.λπ., θα επεξεργαστεί τα δεδομένα και θα μεταδώσει τις πληροφορίες μέσω του δικτύου. Η ακρίβεια και η ποιότητα των οργάνων θα αυξηθούν.
4. Το πλεονέκτημα των αισθητήρων πολλαπλών αισθητήρων είναι προφανές. Ένας κοινός μετατροπέας θα συγκρίνει και θα επεξεργάζεται δεδομένα από πολλούς αισθητήρες, δηλαδή όχι πολλούς ξεχωριστούς αισθητήρες, αλλά έναν, αλλά πολυλειτουργικό.
5. Τέλος, η ευφυΐα των αισθητήρων θα αυξηθεί. Πρόβλεψη αξίας, ισχυρή επεξεργασία και ανάλυση δεδομένων, πλήρης αυτοδιάγνωση, πρόβλεψη σφαλμάτων, συμβουλές συντήρησης, λογικός έλεγχος και ρύθμιση.
Με την πάροδο του χρόνου, οι έξυπνοι αισθητήρες θα γίνονται όλο και πιο πολυλειτουργικά εργαλεία αυτοματισμού, για τα οποία ακόμη και ο ίδιος ο όρος «αισθητήρας» θα γίνεται ημιτελής και απλώς υπό όρους.