Akıllı sensörler ve kullanımları

GOST R 8.673-2009 GSI "Akıllı sensörler ve akıllı ölçüm sistemleri. Temel terimler ve tanımlar ”, akıllı sensörler, harici sinyallerden değişen çalışma algoritmaları ve parametreleri içeren ve içinde metrolojik kendi kendini kontrol işlevinin de uygulandığı uyarlanabilir sensörlerdir.

Akıllı sensörlerin ayırt edici bir özelliği, tek bir arızadan sonra kendi kendini iyileştirme ve kendi kendine öğrenme yeteneğidir. İngilizce literatürde bu tür sensörlere "akıllı sensör" denir. Terim 1980'lerin ortalarında takılıp kaldı.

Günümüzde akıllı bir sensör, ADC, mikroişlemci, dijital sinyal işlemci, çip üzerinde sistem vb. dahil olmak üzere gömülü elektroniklere sahip bir sensör ve ağ iletişim protokollerini destekleyen bir dijital arayüzdür. Bu sayede akıllı sensör, diğer cihazlarla birlikte ağdaki kendini tanımlama işlevi sayesinde kablosuz veya kablolu bir sensör ağına dahil edilebilir.

Bir akıllı sensörün ağ arabirimi, yalnızca onu ağa bağlamanıza değil, aynı zamanda yapılandırmanıza, yapılandırmanıza, bir çalışma modu seçmenize ve sensörü teşhis etmenize olanak tanır. Bu işlemleri uzaktan gerçekleştirebilme özelliği, akıllı sensörlerin bir avantajıdır, çalıştırılmaları ve bakımları daha kolaydır.

Şekil, bir akıllı sensörün temel bloklarını gösteren bir blok diyagramı, sensörün böyle kabul edilmesi için gereken minimum miktarı göstermektedir. Gelen analog sinyal (bir veya daha fazla) yükseltilir ve daha sonraki işlemler için dijital sinyale dönüştürülür.

ROM kalibrasyon verilerini içerir, mikroişlemci alınan verileri kalibrasyon verileriyle ilişkilendirir, düzeltir ve gerekli ölçüm birimlerine dönüştürür - böylece çeşitli faktörlerin (sıfır sapma, sıcaklık etkisi vb.) etkisiyle ilişkili hata telafi edilir ve durum, sonucun güvenilirliğini etkileyebilecek şekilde birincil dönüştürücü ile eş zamanlı olarak değerlendirilir.

İşlem sonucunda elde edilen bilgiler, kullanıcının protokolü kullanılarak bir dijital iletişim arabirimi aracılığıyla iletilir. Kullanıcı, sensörün ölçüm limitlerini ve diğer parametrelerini ayarlayabileceği gibi, sensörün mevcut durumu ve ölçüm sonuçları hakkında da bilgi alabilir.

Modern entegre devreler (çip üzerindeki sistemler), bir mikroişlemciye ek olarak, hassas dijitalden analoğa ve analogdan dijitale dönüştürücüler, zamanlayıcılar, Ethernet, USB ve seri denetleyiciler gibi bellek ve çevre birimleri içerir. Bu tür entegre devrelerin örnekleri arasında Analog Devices'tan ADuC8xx, Atmel'den AT91RM9200, Texas Instruments'tan MSC12xx yer alır.

Dağıtılmış akıllı sensör ağları, teknolojik süreçlerin dinamik olarak her zaman durumlarını değiştirdiği karmaşık endüstriyel ekipmanların parametrelerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesini ve kontrol edilmesini sağlar.

Akıllı sensörler için tek bir ağ standardı yoktur ve bu, kablosuz ve kablolu sensör ağlarının aktif gelişiminin önünde bir tür engeldir. Yine de günümüzde pek çok arabirim kullanılmaktadır: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; endüstriyel ağlar çalışır: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Bu durum, her ağ protokolünün aynı modifikasyona sahip ayrı bir sensör üretmesi ekonomik olarak mümkün olmadığından, sensör üreticilerinin seçimi sorununu gündeme getirdi. Bu arada, IEEE 1451 standart grubu "Akıllı Dönüştürücü Arayüz Standartları"nın ortaya çıkması koşulları kolaylaştırdı, sensör ve ağ arasındaki arayüz birleştirildi. Standartlar, adaptasyonu hızlandırmak için tasarlanmıştır - bireysel sensörlerden sensör ağlarına, birkaç alt grup, sensörleri bir ağa bağlamak için yazılım ve donanım yöntemlerini tanımlar.

Böylece, IEEE 1451.1 ve IEEE 1451.2 standartlarında iki sınıf cihaz tanımlanmıştır. İlk standart, akıllı sensörleri ağa bağlamak için birleşik bir arabirim tanımlar; bu, sensörün kendisinin STIM modülü ile harici ağ arasında bir tür köprü olan NCAP modülünün özelliğidir.

İkinci standart, bir STIM akıllı dönüştürücü modülünü bir ağ adaptörüne bağlamak için bir dijital arayüzü belirtir. TEDS konsepti, ağda kendini tanımlama olasılığı için sensörün elektronik bir pasaportunu ifade eder.TEDS şunları içerir: üretim tarihi, model kodu, seri numarası, kalibrasyon verileri, kalibrasyon tarihi, ölçü birimleri. Sonuç, sensörler ve ağlar için kolay kullanım ve değiştirme garantili bir tak ve çalıştır analogdur. Birçok akıllı sensör üreticisi zaten bu standartları desteklemektedir.

Sensörlerin bir ağa entegrasyonunun sağladığı en önemli şey, sensörün türü ve belirli bir ağın nasıl organize edildiğinden bağımsız olarak, yazılım aracılığıyla ölçüm bilgilerine erişme olasılığıdır. Sensörler ile kullanıcı (bilgisayar) arasında köprü görevi gören, teknolojik sorunların çözülmesine yardımcı olan bir ağ olduğu ortaya çıkıyor.

Böylece, bir akıllı ölçüm sistemi üç seviye ile temsil edilebilir: sensör seviyesi, ağ seviyesi, yazılım seviyesi. İlk seviye, iletişim protokolüne sahip bir sensör olan sensörün kendisinin seviyesidir. İkinci seviye, algılayıcı ağ düzeyi, algılayıcı nesne ile problem çözme süreci arasındaki köprüdür.

Üçüncü seviye, zaten sistemin kullanıcı ile etkileşimini ima eden yazılım seviyesidir. Buradaki yazılım, artık doğrudan sensörlerin dijital arayüzüne bağlı olmadığı için tamamen farklı olabilir. Sistem içerisinde alt sistemlerle ilgili alt seviyeler de mümkündür.

Son yıllarda, akıllı sensörlerin gelişimi çeşitli yönler almıştır.

1. Sensör içinde güçlü bilgi işlem gerektiren yeni ölçüm yöntemleri. Bu, sensörlerin ölçülen ortamın dışına yerleştirilmesini sağlayacak, böylece okumaların kararlılığını artıracak ve operasyonel kayıpları azaltacaktır. Sensörler, güvenilirliği artıran ve bakımı basitleştiren hareketli parçalara sahip değildir.Ölçüm nesnesinin tasarımı sensörün çalışmasını etkilemez ve kurulum daha ucuz hale gelir.

2. Kablosuz sensörler inkar edilemez bir şekilde umut vericidir. Uzayda dağıtılan hareketli nesneler, kontrolörlerle otomasyon araçlarıyla kablosuz iletişim gerektirir. Radyo teknik cihazları ucuzluyor, kaliteleri artıyor, kablosuz iletişim genellikle kablodan daha ekonomik. Her sensör, kendi zaman diliminde (TDMA), kendi frekansında (FDMA) veya kendi kodlamasıyla (CDMA), son olarak Bluetooth ile bilgi iletebilir.

3. Minyatür sensörler endüstriyel ekipmana gömülebilir ve otomasyon ekipmanı, harici bir eklenti değil, teknolojik süreci gerçekleştiren ekipmanın ayrılmaz bir parçası haline gelir. Birkaç milimetreküp hacme sahip bir sensör sıcaklık, basınç, nem vb. ölçecek, verileri işleyecek ve bilgileri ağ üzerinden iletecektir. Aletlerin doğruluğu ve kalitesi artacaktır.

4. Çoklu sensör sensörlerinin avantajı açıktır. Ortak bir dönüştürücü, birkaç sensörden gelen verileri karşılaştıracak ve işleyecektir, yani birkaç ayrı sensör değil, bir, ancak çok işlevlidir.

5. Son olarak sensörlerin zekası artacak. Değer tahmini, güçlü veri işleme ve analizi, tam kendi kendine teşhis, arıza tahmini, bakım tavsiyesi, mantık kontrolü ve düzenleme.

Zamanla akıllı sensörler, "sensör" teriminin kendisinin bile eksik ve yalnızca koşullu hale geleceği çok işlevli otomasyon araçları haline gelecek.