Sensors intel·ligents i el seu ús
Segons GOST R 8.673-2009 GSI "Sensors intel·ligents i sistemes de mesura intel·ligents. Termes bàsics i definicions”, els sensors intel·ligents són sensors adaptatius que contenen algorismes de treball i paràmetres que canvien de senyals externs, i en els quals també s'implementa la funció d'autocontrol metrològic.
Una característica distintiva dels sensors intel·ligents és la capacitat d'autocurar-se i d'autoaprendre després d'un sol error. A la literatura en anglès, els sensors d'aquest tipus s'anomenen "sensor intel·ligent". El terme es va quedar enganxat a mitjans dels anys vuitanta.
Avui dia, un sensor intel·ligent és un sensor amb electrònica incrustada, que inclou: ADC, microprocessador, processador de senyal digital, system-on-chip, etc., i una interfície digital amb suport per a protocols de comunicació de xarxa. D'aquesta manera, el sensor intel·ligent es pot incloure en una xarxa de sensors sense fil o cablejat, gràcies a la funció d'autoidentificació a la xarxa juntament amb altres dispositius.
La interfície de xarxa d'un sensor intel·ligent us permet no només connectar-lo a la xarxa, sinó també configurar-lo, configurar-lo, seleccionar un mode de funcionament i diagnosticar el sensor. La possibilitat de realitzar aquestes operacions de forma remota és un avantatge dels sensors intel·ligents, són més fàcils d'operar i mantenir.
La figura mostra un diagrama de blocs que mostra els blocs bàsics d'un sensor intel·ligent, el mínim necessari perquè el sensor es consideri com a tal. El senyal analògic entrant (un o més) s'amplifica i després es converteix en un senyal digital per a un posterior processament.
La ROM conté dades de calibratge, el microprocessador correlaciona les dades rebudes amb les dades de calibratge, les corregeix i les converteix en les unitats de mesura necessàries; per tant, l'error associat a la influència de diversos factors (deriva zero, influència de la temperatura, etc.) és compensat i l'estat s'avalua simultàniament amb el transductor primari, cosa que pot afectar la fiabilitat del resultat.
La informació obtinguda com a resultat del tractament es transmet a través d'una interfície de comunicació digital mitjançant el protocol de l'usuari. L'usuari pot establir els límits de mesura i altres paràmetres del sensor, així com obtenir informació sobre l'estat actual del sensor i els resultats de les mesures.
Els circuits integrats moderns (sistemes en un xip) inclouen, a més d'un microprocessador, memòria i perifèrics com ara convertidors de precisió digital-analògic i analògic-digital, temporitzadors, Ethernet, USB i controladors sèrie. Alguns exemples d'aquests circuits integrats inclouen ADuC8xx d'Analog Devices, AT91RM9200 d'Atmel, MSC12xx de Texas Instruments.
Les xarxes distribuïdes de sensors intel·ligents permeten el seguiment i el control en temps real dels paràmetres d'equips industrials complexos, on els processos tecnològics canvien dinàmicament el seu estat en tot moment.
No hi ha un estàndard de xarxa únic per a sensors intel·ligents i això és una mena d'obstacle per al desenvolupament actiu de xarxes de sensors sense fil i cablejats. No obstant això, avui en dia s'utilitzen moltes interfícies: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; Les xarxes industrials funcionen: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.
Aquest estat de coses va plantejar la qüestió de l'elecció dels fabricants de sensors, ja que no és econòmicament viable que cada protocol de xarxa produeixi un sensor independent amb la mateixa modificació. Mentrestant, l'aparició del grup d'estàndards IEEE 1451 "Estàndards d'interfície de transductor intel·ligent" va alleujar les condicions, la interfície entre el sensor i la xarxa està unificada. Els estàndards estan dissenyats per accelerar l'adaptació: des de sensors individuals fins a xarxes de sensors, diversos subgrups defineixen mètodes de programari i maquinari per connectar sensors a una xarxa.
Així, es descriuen dues classes de dispositius als estàndards IEEE 1451.1 i IEEE 1451.2. El primer estàndard defineix una interfície unificada per connectar sensors intel·ligents a la xarxa; aquesta és l'especificació del mòdul NCAP, que és una mena de pont entre el mòdul STIM del propi sensor i la xarxa externa.
El segon estàndard especifica una interfície digital per connectar un mòdul convertidor intel·ligent STIM a un adaptador de xarxa. El concepte TEDS implica un passaport electrònic del sensor, per la possibilitat de la seva autoidentificació a la xarxa.TEDS inclou: data de fabricació, codi de model, número de sèrie, dades de calibratge, data de calibratge, unitats de mesura. El resultat és un analògic plug and play per a sensors i xarxes, fàcil operació i substitució garantit. Molts fabricants de sensors intel·ligents ja admeten aquests estàndards.
El principal que aporta la integració de sensors en una xarxa és la possibilitat d'accedir a la informació de mesura mitjançant un programari, independentment del tipus de sensor i de com s'organitzi una determinada xarxa. Resulta ser una xarxa que serveix de pont entre els sensors i l'usuari (ordinador), ajudant a resoldre problemes tecnològics.
Així, un sistema de mesura intel·ligent es pot representar per tres nivells: nivell de sensor, nivell de xarxa, nivell de programari. El primer nivell és el nivell del propi sensor, un sensor amb un protocol de comunicació. El segon nivell és el nivell de xarxa de sensors, el pont entre l'objecte sensor i el procés de resolució de problemes.
El tercer nivell és el de programari, que ja implica la interacció del sistema amb l'usuari. El programari aquí pot ser completament diferent, ja que ja no està lligat directament a la interfície digital dels sensors. Els subnivells relacionats amb els subsistemes també són possibles dins del sistema.
En els últims anys, el desenvolupament de sensors intel·ligents ha pres diverses direccions.
1. Nous mètodes de mesura que requereixen una informàtica potent dins del sensor. Això permetrà situar els sensors fora de l'entorn mesurat, augmentant així l'estabilitat de les lectures i reduint les pèrdues operatives. Els sensors no tenen peces mòbils, la qual cosa millora la fiabilitat i simplifica el manteniment.El disseny de l'objecte de mesura no afecta el funcionament del sensor i la instal·lació es fa més barata.
2. Els sensors sense fil són innegablement prometedors. Els objectes en moviment distribuïts en l'espai requereixen una comunicació sense fil amb els mitjans de la seva automatització, amb controladors. Els dispositius tècnics de ràdio són cada cop més barats, la seva qualitat augmenta, la comunicació sense fil sovint és més econòmica que el cable. Cada sensor pot transmetre informació en la seva pròpia franja horària (TDMA), en la seva pròpia freqüència (FDMA) o amb la seva pròpia codificació (CDMA), finalment Bluetooth.
3. Els sensors en miniatura es poden incrustar en equips industrials, i els equips d'automatització es convertiran en una part integral de l'equip que realitza el procés tecnològic, no un afegit extern. Un sensor amb un volum de diversos mil·límetres cúbics mesurarà la temperatura, la pressió, la humitat, etc., processarà les dades i transmetrà la informació per la xarxa. La precisió i la qualitat dels instruments augmentarà.
4. L'avantatge dels sensors multisensor és evident. Un convertidor comú compararà i processarà dades de diversos sensors, és a dir, no diversos sensors separats, sinó un, sinó multifuncional.
5. Finalment, augmentarà la intel·ligència dels sensors. Predicció de valors, potent processament i anàlisi de dades, autodiagnòstic complet, predicció d'avaries, assessorament de manteniment, control i regulació lògica.
Amb el temps, els sensors intel·ligents es convertiran en eines d'automatització multifuncionals, per a les quals fins i tot el terme "sensor" esdevindrà incomplet i merament condicional.