Sensori intelligenti e loro utilizzo

Secondo GOST R 8.673-2009 GSI "Sensori intelligenti e sistemi di misurazione intelligenti. Termini e definizioni di base ", i sensori intelligenti sono sensori adattivi contenenti algoritmi di lavoro e parametri che cambiano da segnali esterni e in cui è implementata anche la funzione di autocontrollo metrologico.

Una caratteristica distintiva dei sensori intelligenti è la capacità di auto-guarirsi e auto-apprendere dopo un singolo guasto. Nella letteratura in lingua inglese, i sensori di questo tipo sono chiamati "sensore intelligente". Il termine è rimasto bloccato a metà degli anni '80.

Oggi, un sensore intelligente è un sensore con elettronica incorporata, tra cui: ADC, microprocessore, processore di segnale digitale, sistema su chip, ecc. e un'interfaccia digitale con supporto per i protocolli di comunicazione di rete. In questo modo lo smart sensor può essere inserito in una rete di sensori wireless o cablata, grazie alla funzione di autoidentificazione in rete insieme ad altri dispositivi.

L'interfaccia di rete di un sensore intelligente consente non solo di collegarlo alla rete, ma anche di configurarlo, configurarlo, selezionare una modalità operativa e diagnosticare il sensore. La capacità di eseguire queste operazioni da remoto è un vantaggio dei sensori intelligenti, sono più facili da utilizzare e mantenere.

La figura mostra uno schema a blocchi che mostra i blocchi base di uno smart sensor, il minimo necessario affinché il sensore sia considerato tale. Il segnale analogico in ingresso (uno o più) viene amplificato, quindi convertito in un segnale digitale per un'ulteriore elaborazione.

La ROM contiene i dati di calibrazione, il microprocessore correla i dati ricevuti con i dati di calibrazione, li corregge e li converte nelle unità di misura necessarie - quindi l'errore associato all'influenza di vari fattori (deriva dallo zero, influenza della temperatura, ecc.) è compensato e la condizione viene valutata contemporaneamente al trasduttore primario, il che può influire sull'affidabilità del risultato.

Le informazioni ottenute a seguito dell'elaborazione vengono trasmesse attraverso un'interfaccia di comunicazione digitale utilizzando il protocollo dell'utente. L'utente può impostare i limiti di misurazione e altri parametri del sensore, nonché ottenere informazioni sullo stato corrente del sensore e sui risultati delle misurazioni.

I moderni circuiti integrati (sistemi su un chip) includono, oltre a un microprocessore, memoria e periferiche come convertitori di precisione digitale-analogico e analogico-digitale, timer, Ethernet, USB e controller seriali. Esempi di tali circuiti integrati includono ADuC8xx di Analog Devices, AT91RM9200 di Atmel, MSC12xx di Texas Instruments.

Le reti distribuite di sensori intelligenti consentono il monitoraggio e il controllo in tempo reale dei parametri di apparecchiature industriali complesse, in cui i processi tecnologici cambiano dinamicamente il loro stato in ogni momento.

Non esiste uno standard di rete unico per i sensori intelligenti e questo è una sorta di ostacolo allo sviluppo attivo di reti di sensori wireless e cablate. Tuttavia, oggi vengono utilizzate molte interfacce: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; le reti industriali funzionano: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Questo stato di cose ha sollevato la questione della scelta dei produttori di sensori, poiché non è economicamente conveniente per ogni protocollo di rete produrre un sensore separato con la stessa modifica. Nel frattempo, l'emergere del gruppo di standard IEEE 1451 "Intelligent Transducer Interface Standards" ha facilitato le condizioni, l'interfaccia tra il sensore e la rete è unificata. Gli standard sono progettati per accelerare l'adattamento: dai singoli sensori alle reti di sensori, diversi sottogruppi definiscono metodi software e hardware per collegare i sensori a una rete.

Pertanto, negli standard IEEE 1451.1 e IEEE 1451.2 sono descritte due classi di dispositivi. Il primo standard definisce un'interfaccia unificata per connettere i sensori intelligenti alla rete; questa è la specifica del modulo NCAP, che è una sorta di ponte tra il modulo STIM del sensore stesso e la rete esterna.

Il secondo standard specifica un'interfaccia digitale per collegare un modulo convertitore intelligente STIM a una scheda di rete. Il concetto TEDS implica un passaporto elettronico del sensore, per la possibilità della sua autoidentificazione nella rete.TEDS include: data di produzione, codice modello, numero di serie, dati di calibrazione, data di calibrazione, unità di misura. Il risultato è un analogo plug and play per sensori e reti, funzionamento semplice e sostituzione garantita. Molti produttori di sensori intelligenti supportano già questi standard.

La cosa principale che offre l'integrazione dei sensori in una rete è la possibilità di accedere alle informazioni di misura tramite software, indipendentemente dal tipo di sensore e da come è organizzata una determinata rete. Risulta essere una rete che funge da ponte tra i sensori e l'utente (computer), aiutando a risolvere i problemi tecnologici.

Pertanto, un sistema di smart metering può essere rappresentato da tre livelli: livello del sensore, livello della rete, livello del software. Il primo livello è il livello del sensore stesso, un sensore con un protocollo di comunicazione. Il secondo livello è il livello della rete di sensori, il ponte tra l'oggetto sensore e il processo di risoluzione dei problemi.

Il terzo livello è il livello software, che implica già l'interazione del sistema con l'utente. Il software qui può essere completamente diverso in quanto non è più legato direttamente all'interfaccia digitale dei sensori. All'interno del sistema sono possibili anche sottolivelli relativi ai sottosistemi.

Negli ultimi anni, lo sviluppo dei sensori intelligenti ha preso diverse direzioni.

1. Nuovi metodi di misurazione che richiedono un potente calcolo all'interno del sensore. Ciò consentirà di posizionare i sensori al di fuori dell'ambiente misurato, aumentando così la stabilità delle letture e riducendo le perdite operative. I sensori non hanno parti mobili, il che migliora l'affidabilità e semplifica la manutenzione.Il design dell'oggetto di misurazione non influisce sul funzionamento del sensore e l'installazione diventa più economica.

2. I sensori wireless sono innegabilmente promettenti. Gli oggetti in movimento distribuiti nello spazio richiedono la comunicazione wireless con i mezzi della loro automazione, con i controller. I dispositivi tecnici radio stanno diventando più economici, la loro qualità è in aumento, la comunicazione wireless è spesso più economica del cavo. Ogni sensore può trasmettere informazioni su una propria fascia oraria (TDMA), su una propria frequenza (FDMA) o con una propria codifica (CDMA), infine Bluetooth.

3. I sensori miniaturizzati possono essere incorporati in apparecchiature industriali e le apparecchiature di automazione diventeranno parte integrante dell'apparecchiatura che esegue il processo tecnologico, non un'aggiunta esterna. Un sensore con un volume di diversi millimetri cubi misurerà temperatura, pressione, umidità, ecc., elaborerà i dati e trasmetterà le informazioni attraverso la rete. La precisione e la qualità degli strumenti aumenteranno.

4. Il vantaggio dei sensori multisensore è evidente. Un convertitore comune confronterà ed elaborerà i dati di diversi sensori, ovvero non più sensori separati, ma uno, ma multifunzionale.

5. Infine, l'intelligenza dei sensori aumenterà. Previsione del valore, potente elaborazione e analisi dei dati, autodiagnosi completa, previsione dei guasti, consigli di manutenzione, controllo logico e regolazione.

Nel tempo, i sensori intelligenti diventeranno sempre più strumenti di automazione multifunzionali, per i quali anche il termine "sensore" stesso diventerà incompleto e meramente condizionale.