Išmanieji jutikliai ir jų naudojimas

Pagal GOST R 8.673-2009 GSI „Pažangūs jutikliai ir išmaniosios matavimo sistemos. Pagrindiniai terminai ir apibrėžimai “, išmanieji jutikliai yra adaptyvūs jutikliai, kuriuose yra darbo algoritmai ir parametrai, besikeičiantys nuo išorinių signalų, ir kuriuose taip pat įdiegta metrologinės savikontrolės funkcija.

Išmaniųjų jutiklių išskirtinis bruožas yra galimybė savarankiškai gydytis ir mokytis po vienos nesėkmės. Literatūroje anglų kalba tokio tipo jutikliai vadinami „išmaniaisiais jutikliais“. Terminas įstrigo devintojo dešimtmečio viduryje.

Šiandien išmanusis jutiklis yra jutiklis su integruota elektronika, įskaitant: ADC, mikroprocesorių, skaitmeninių signalų procesorių, sistemos lustą ir kt., ir skaitmeninę sąsają su tinklo ryšio protokolų palaikymu. Tokiu būdu išmanusis jutiklis gali būti įtrauktas į belaidį arba laidinį jutiklių tinklą dėl tinkle esančios savęs identifikavimo funkcijos kartu su kitais įrenginiais.

Išmaniojo jutiklio tinklo sąsaja leidžia ne tik prijungti jį prie tinklo, bet ir konfigūruoti, sukonfigūruoti, pasirinkti veikimo režimą bei diagnozuoti jutiklį. Galimybė šias operacijas atlikti nuotoliniu būdu – išmaniųjų jutiklių privalumas, juos lengviau valdyti ir prižiūrėti.

Paveikslėlyje parodyta blokinė schema, kurioje pavaizduoti pagrindiniai išmaniojo jutiklio blokai, kurių reikia minimumui, kad jutiklis būtų laikomas tokiu. Įeinantis analoginis signalas (vienas ar daugiau) sustiprinamas, tada konvertuojamas į skaitmeninį signalą tolesniam apdorojimui.

ROM yra kalibravimo duomenys, mikroprocesorius gautus duomenis koreliuoja su kalibravimo duomenimis, juos pataiso ir konvertuoja į reikiamus matavimo vienetus – taigi paklaida, susijusi su įvairių veiksnių įtaka (nulio dreifas, temperatūros įtaka ir kt.) kompensuojama ir būklė įvertinama kartu su pirminiu keitikliu, o tai gali turėti įtakos rezultato patikimumui.

Apdorojimo metu gauta informacija perduodama per skaitmeninę ryšio sąsają, naudojant vartotojo protokolą. Vartotojas gali nustatyti matavimo ribas ir kitus jutiklio parametrus, taip pat gauti informaciją apie esamą jutiklio būseną ir matavimų rezultatus.

Šiuolaikinės integrinės grandinės (sistemos lustuose), be mikroprocesoriaus, apima atmintį ir periferinius įrenginius, tokius kaip tikslūs skaitmeninio į analoginį ir analoginį skaitmeninį keitikliai, laikmačiai, Ethernet, USB ir nuoseklieji valdikliai. Tokių integrinių grandynų pavyzdžiai yra ADuC8xx iš Analog Devices, AT91RM9200 iš Atmel, MSC12xx iš Texas Instruments.

Paskirstyti išmaniųjų jutiklių tinklai įgalina realiu laiku stebėti ir valdyti sudėtingų pramoninių įrenginių parametrus, kur technologiniai procesai visą laiką dinamiškai keičia savo būseną.

Vieno tinklo standarto išmaniesiems jutikliams nėra ir tai yra savotiška kliūtis aktyviai plėtoti belaidžius ir laidinius jutiklių tinklus. Nepaisant to, šiandien naudojama daug sąsajų: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; veikia pramoniniai tinklai: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Tokia padėtis iškėlė klausimą dėl jutiklių gamintojų pasirinkimo, nes ekonomiškai neapsimoka kiekvienam tinklo protokolui gaminti atskirą jutiklį su ta pačia modifikacija. Tuo tarpu IEEE 1451 standartų grupės „Intelligent Transducer Interface Standards“ atsiradimas palengvino sąlygas, sąsaja tarp jutiklio ir tinklo yra suvienodinta. Standartai skirti paspartinti prisitaikymą – nuo ​​atskirų jutiklių iki jutiklių tinklų, keli pogrupiai apibrėžia programinės ir techninės įrangos būdus jutikliams prijungti prie tinklo.

Taigi IEEE 1451.1 ir IEEE 1451.2 standartuose aprašytos dvi įrenginių klasės. Pirmasis standartas apibrėžia vieningą sąsają išmaniųjų jutiklių prijungimui prie tinklo; Tai yra NCAP modulio, kuris yra tam tikras tiltas tarp paties jutiklio STIM modulio ir išorinio tinklo, specifikacija.

Antrasis standartas nurodo skaitmeninę sąsają, skirtą STIM išmaniojo keitiklio moduliui prijungti prie tinklo adapterio. TEDS koncepcija apima elektroninį jutiklio pasą, kad būtų galima jį identifikuoti tinkle.TEDS apima: pagaminimo datą, modelio kodą, serijos numerį, kalibravimo duomenis, kalibravimo datą, matavimo vienetus. Rezultatas yra „plug and play“ analogas jutikliams ir tinklams, užtikrinamas lengvas valdymas ir pakeitimas. Daugelis išmaniųjų jutiklių gamintojų jau palaiko šiuos standartus.

Pagrindinis dalykas, kurį suteikia jutiklių integravimas į tinklą, yra galimybė per programinę įrangą pasiekti matavimo informaciją, nepriklausomai nuo jutiklio tipo ir kaip organizuotas tam tikras tinklas. Pasirodo, tai tinklas, kuris tarnauja kaip tiltas tarp jutiklių ir vartotojo (kompiuterio), padedantis spręsti technologines problemas.

Taigi išmaniąją apskaitos sistemą galima pavaizduoti trimis lygiais: jutiklio lygiu, tinklo lygiu, programinės įrangos lygiu. Pirmasis lygis yra paties jutiklio lygis, jutiklis su ryšio protokolu. Antrasis lygis yra jutiklių tinklo lygis, tiltas tarp jutiklio objekto ir problemos sprendimo proceso.

Trečiasis lygis yra programinės įrangos lygis, kuris jau reiškia sistemos sąveiką su vartotoju. Programinė įranga čia gali būti visiškai kitokia, nes ji nebėra tiesiogiai susieta su skaitmenine jutiklių sąsaja. Sistemoje taip pat galimi posistemiai, susiję su posistemiais.

Pastaraisiais metais išmaniųjų jutiklių kūrimas pasuko keliomis kryptimis.

1. Nauji matavimo metodai, kuriems reikalingas galingas skaičiavimas jutiklio viduje. Tai leis jutiklius išdėstyti už išmatuotos aplinkos ribų, taip padidinant rodmenų stabilumą ir sumažinant eksploatacinius nuostolius. Jutikliai neturi judančių dalių, o tai padidina patikimumą ir supaprastina priežiūrą.Matavimo objekto konstrukcija neturi įtakos jutiklio veikimui ir įrengimas atpigina.

2. Belaidžiai jutikliai yra neabejotinai perspektyvūs. Judantys objektai, paskirstyti erdvėje, reikalauja belaidžio ryšio su jų automatizavimo priemonėmis, su valdikliais. Pigėja radijo techniniai įrenginiai, gerėja jų kokybė, bevielis ryšys dažnai yra ekonomiškesnis nei kabelinis. Kiekvienas jutiklis gali perduoti informaciją savo laiko tarpsniu (TDMA), savo dažniu (FDMA) arba savo kodu (CDMA), galiausiai „Bluetooth“.

3. Miniatiūriniai jutikliai gali būti įmontuoti į pramoninę įrangą, o automatikos įrenginiai taps neatsiejama technologinį procesą atliekančios įrangos dalimi, o ne išoriniu priedu. Kelių kubinių milimetrų tūrio jutiklis matuos temperatūrą, slėgį, drėgmę ir kt., apdoros duomenis ir perduos informaciją tinkle. Padidės instrumentų tikslumas ir kokybė.

4. Kelių jutiklių jutiklių pranašumas yra akivaizdus. Įprastas keitiklis palygins ir apdoros duomenis iš kelių jutiklių, tai yra ne kelių atskirų jutiklių, o vieno, bet daugiafunkcinio.

5. Galiausiai padidės jutiklių intelektas. Vertės numatymas, galingas duomenų apdorojimas ir analizė, visapusiška savidiagnostika, gedimų numatymas, techninės priežiūros patarimai, loginis valdymas ir reguliavimas.

Laikui bėgant išmanieji jutikliai taps vis labiau daugiafunkciniais automatikos įrankiais, kuriems net pats terminas „jutiklis“ taps nepilnas ir tik sąlyginis.