Cảm biến thông minh và công dụng của chúng

Theo GOST R 8.673-2009 GSI "Cảm biến thông minh và hệ thống đo lường thông minh. Các thuật ngữ và định nghĩa cơ bản ”, cảm biến thông minh là cảm biến thích ứng chứa thuật toán công việc và các tham số thay đổi từ tín hiệu bên ngoài và trong đó chức năng tự kiểm soát đo lường cũng được triển khai.

Một tính năng đặc biệt của cảm biến thông minh là khả năng tự phục hồi và tự học sau một lần hỏng hóc. Trong tài liệu tiếng Anh, các cảm biến loại này được gọi là "cảm biến thông minh". Thuật ngữ này bị mắc kẹt vào giữa những năm 1980.

Ngày nay, cảm biến thông minh là cảm biến được nhúng các thiết bị điện tử, bao gồm: ADC, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số, hệ thống trên chip, v.v. và giao diện kỹ thuật số hỗ trợ các giao thức truyền thông mạng. Bằng cách này, cảm biến thông minh có thể được đưa vào mạng cảm biến không dây hoặc có dây nhờ chức năng tự nhận dạng trong mạng cùng với các thiết bị khác.

Giao diện mạng của cảm biến thông minh cho phép bạn không chỉ kết nối nó với mạng mà còn định cấu hình, định cấu hình, chọn chế độ vận hành và chẩn đoán cảm biến. Khả năng thực hiện các hoạt động này từ xa là một lợi thế của cảm biến thông minh, chúng dễ vận hành và bảo trì hơn.

Hình này cho thấy sơ đồ khối thể hiện các khối cơ bản của cảm biến thông minh, khối tối thiểu cần thiết để cảm biến được coi là như vậy. Tín hiệu tương tự đến (một hoặc nhiều) được khuếch đại, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số để xử lý tiếp.

ROM chứa dữ liệu hiệu chuẩn, bộ vi xử lý tương quan dữ liệu nhận được với dữ liệu hiệu chuẩn, sửa nó và chuyển đổi nó thành các đơn vị đo lường cần thiết - do đó, lỗi liên quan đến ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau (độ lệch 0, ảnh hưởng nhiệt độ, v.v.) là được bù và tình trạng được đánh giá đồng thời với đầu dò chính, điều này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả.

Thông tin thu được do quá trình xử lý được truyền qua giao diện liên lạc kỹ thuật số bằng giao thức của người dùng. Người dùng có thể đặt giới hạn đo và các thông số khác của cảm biến, cũng như nhận thông tin về trạng thái hiện tại của cảm biến và kết quả của các phép đo.

Các mạch tích hợp hiện đại (hệ thống trên chip) bao gồm, ngoài bộ vi xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi như bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự và tương tự sang kỹ thuật số chính xác, bộ hẹn giờ, Ethernet, USB và bộ điều khiển nối tiếp. Ví dụ về các mạch tích hợp như vậy bao gồm ADuC8xx từ Analog Devices, AT91RM9200 từ Atmel, MSC12xx từ Texas Instruments.

Mạng lưới cảm biến thông minh phân tán cho phép giám sát và kiểm soát thời gian thực các thông số của thiết bị công nghiệp phức tạp, nơi các quy trình công nghệ luôn thay đổi trạng thái một cách linh hoạt.

Không có tiêu chuẩn mạng duy nhất cho cảm biến thông minh và đây là một loại trở ngại cho sự phát triển tích cực của mạng cảm biến không dây và có dây. Tuy nhiên, nhiều giao diện được sử dụng ngày nay: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; mạng công nghiệp hoạt động: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Tình trạng này đặt ra câu hỏi về sự lựa chọn của các nhà sản xuất cảm biến, vì việc mỗi giao thức mạng sản xuất một cảm biến riêng biệt với cùng một sửa đổi là không khả thi về mặt kinh tế đối với mỗi giao thức mạng. Trong khi đó, sự xuất hiện của nhóm tiêu chuẩn IEEE 1451 "Tiêu chuẩn giao diện đầu dò thông minh" đã nới lỏng các điều kiện, giao diện giữa cảm biến và mạng được thống nhất. Các tiêu chuẩn được thiết kế để tăng tốc độ thích ứng — từ các cảm biến riêng lẻ đến các mạng cảm biến, một số nhóm nhỏ xác định các phương pháp phần mềm và phần cứng để kết nối các cảm biến với mạng.

Do đó, hai loại thiết bị được mô tả trong các tiêu chuẩn IEEE 1451.1 và IEEE 1451.2. Tiêu chuẩn đầu tiên xác định một giao diện thống nhất để kết nối các cảm biến thông minh với mạng; đây là thông số kỹ thuật của mô-đun NCAP, là một loại cầu nối giữa mô-đun STIM của chính cảm biến và mạng bên ngoài.

Tiêu chuẩn thứ hai chỉ định giao diện kỹ thuật số để kết nối mô-đun chuyển đổi thông minh STIM với bộ điều hợp mạng. Khái niệm TEDS ngụ ý hộ chiếu điện tử của cảm biến, cho khả năng tự nhận dạng của nó trong mạng.TEDS bao gồm: ngày sản xuất, mã model, số sê-ri, dữ liệu hiệu chuẩn, ngày hiệu chuẩn, đơn vị đo lường. Kết quả là một thiết bị tương tự plug and play cho các cảm biến và mạng, đảm bảo vận hành và thay thế dễ dàng. Nhiều nhà sản xuất cảm biến thông minh đã hỗ trợ các tiêu chuẩn này.

Điều chính mà việc tích hợp các cảm biến trong mạng mang lại là khả năng truy cập thông tin đo lường thông qua phần mềm, bất kể loại cảm biến nào và cách tổ chức một mạng nhất định. Nó hóa ra là một mạng đóng vai trò là cầu nối giữa các cảm biến và người dùng (máy tính), giúp giải quyết các vấn đề công nghệ.

Như vậy, một hệ thống đo đếm thông minh có thể được thể hiện theo ba cấp độ: cấp độ cảm biến, cấp độ mạng, cấp độ phần mềm. Cấp độ đầu tiên là cấp độ của chính cảm biến, một cảm biến có giao thức truyền thông. Cấp độ thứ hai là cấp độ mạng cảm biến, cầu nối giữa đối tượng cảm biến và quá trình giải quyết vấn đề.

Cấp độ thứ ba là cấp độ phần mềm, đã bao hàm sự tương tác của hệ thống với người dùng. Phần mềm ở đây có thể hoàn toàn khác vì nó không còn được gắn trực tiếp với giao diện kỹ thuật số của các cảm biến. Các cấp phụ liên quan đến các hệ thống con cũng có thể có trong hệ thống.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của cảm biến thông minh đã đi theo một số hướng.

1. Các phương pháp đo lường mới đòi hỏi khả năng tính toán mạnh mẽ bên trong cảm biến. Điều này sẽ cho phép các cảm biến được đặt bên ngoài môi trường được đo, do đó tăng độ ổn định của số đọc và giảm tổn thất vận hành. Các cảm biến không có bộ phận chuyển động, giúp cải thiện độ tin cậy và đơn giản hóa việc bảo trì.Thiết kế của đối tượng đo không ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến và việc lắp đặt trở nên rẻ hơn.

2. Không thể phủ nhận cảm biến không dây đầy hứa hẹn. Các đối tượng di chuyển được phân bổ trong không gian yêu cầu giao tiếp không dây với phương tiện tự động hóa của chúng, với bộ điều khiển. Các thiết bị kỹ thuật vô tuyến ngày càng rẻ, chất lượng ngày càng cao, liên lạc không dây thường tiết kiệm hơn so với cáp. Mỗi cảm biến có thể truyền thông tin trên khe thời gian riêng (TDMA), trên tần số riêng (FDMA) hoặc mã hóa riêng (CDMA), cuối cùng là Bluetooth.

3. Các cảm biến thu nhỏ có thể được nhúng vào thiết bị công nghiệp và thiết bị tự động hóa sẽ trở thành một phần không thể thiếu của thiết bị thực hiện quy trình công nghệ chứ không phải là phần bổ sung bên ngoài. Một cảm biến có thể tích vài mm khối sẽ đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, v.v., xử lý dữ liệu và truyền thông tin qua mạng. Độ chính xác và chất lượng của dụng cụ sẽ tăng lên.

4. Ưu điểm của cảm biến đa điểm là rõ ràng. Một bộ chuyển đổi chung sẽ so sánh và xử lý dữ liệu từ một số cảm biến, nghĩa là không phải một số cảm biến riêng biệt mà là một, nhưng đa chức năng.

5. Cuối cùng, trí thông minh của các cảm biến sẽ tăng lên. Dự đoán giá trị, xử lý và phân tích dữ liệu mạnh mẽ, tự chẩn đoán đầy đủ, dự đoán lỗi, tư vấn bảo trì, điều khiển và điều chỉnh logic.

Theo thời gian, các cảm biến thông minh sẽ ngày càng trở thành các công cụ tự động hóa đa chức năng, mà ngay cả bản thân thuật ngữ "cảm biến" cũng trở nên không đầy đủ và chỉ mang tính điều kiện.