חיישנים חכמים והשימוש בהם

על פי GOST R 8.673-2009 GSI "חיישנים חכמים ומערכות מדידה חכמות. מונחים והגדרות בסיסיים ", חיישנים אינטליגנטיים הם חיישנים אדפטיביים המכילים אלגוריתמי עבודה ופרמטרים המשתנים מאותות חיצוניים, ובהם מיושמת גם הפונקציה של בקרה עצמית מטרולוגית.

תכונה ייחודית של חיישנים חכמים היא היכולת לריפוי עצמי וללמוד עצמי לאחר כשל בודד. בספרות באנגלית, חיישנים מסוג זה נקראים "חיישן חכם". המונח תקוע באמצע שנות ה-80.

כיום, חיישן חכם הוא חיישן עם אלקטרוניקה משובצת הכוללת: ADC, מיקרו-מעבד, מעבד אותות דיגיטלי, מערכת-על-שבב וכו', וממשק דיגיטלי עם תמיכה בפרוטוקולי תקשורת ברשת. באופן זה ניתן לכלול את החיישן החכם ברשת חיישנים אלחוטית או קווית, הודות לפונקציית הזיהוי העצמי ברשת יחד עם מכשירים נוספים.

ממשק הרשת של חיישן חכם מאפשר לך לא רק לחבר אותו לרשת, אלא גם להגדיר אותו, להגדיר אותו, לבחור מצב הפעלה ולאבחן את החיישן. היכולת לבצע פעולות אלו מרחוק היא יתרון של חיישנים חכמים, הם קלים יותר לתפעול ולתחזוקה.

האיור מציג תרשים בלוקים המציג את הבלוקים הבסיסיים של חיישן חכם, המינימום הדרוש כדי שהחיישן ייחשב ככזה. האות האנלוגי הנכנס (אחד או יותר) מוגבר, ואז מומר לאות דיגיטלי לעיבוד נוסף.

ה-ROM מכיל נתוני כיול, המיקרו-מעבד מתאם את הנתונים המתקבלים עם נתוני הכיול, מתקן אותם וממיר אותם ליחידות המדידה הדרושות - כך השגיאה הקשורה להשפעה של גורמים שונים (אפס סחיפה, השפעת טמפרטורה וכו') היא פיצוי והמצב מוערך בו-זמנית עם המתמר הראשי, מה שעשוי להשפיע על מהימנות התוצאה.

מידע המתקבל כתוצאה מעיבוד מועבר באמצעות ממשק תקשורת דיגיטלי תוך שימוש בפרוטוקול המשתמש. המשתמש יכול להגדיר את גבולות המדידה ופרמטרים נוספים של החיישן, וכן לקבל מידע על המצב הנוכחי של החיישן ותוצאות המדידות.

מעגלים משולבים מודרניים (מערכות על שבב) כוללים, בנוסף למיקרו-מעבד, זיכרון וציוד היקפי כגון ממירים דיגיטליים-אנלוגיים ואנלוגיים לדיגיטליים, טיימרים, Ethernet, USB ובקרים טוריים. דוגמאות למעגלים משולבים כאלה כוללים ADuC8xx מ-Analog Devices, AT91RM9200 מ-Atmel, MSC12xx מ-Texas Instruments.

רשתות מבוזרות של חיישנים חכמים מאפשרות ניטור ובקרה בזמן אמת של פרמטרים של ציוד תעשייתי מורכב, שבו תהליכים טכנולוגיים משנים באופן דינמי את מצבם כל הזמן.

אין תקן רשת אחד לחיישנים חכמים וזהו מעין מכשול לפיתוח אקטיבי של רשתות חיישנים אלחוטיות וקוויות. עם זאת, משתמשים בממשקים רבים כיום: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; רשתות תעשייתיות עובדות: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

מצב עניינים זה העלה את שאלת הבחירה של יצרני חיישנים, שכן לא משתלם כלכלית לכל פרוטוקול רשת לייצר חיישן נפרד באותו שינוי. בינתיים, הופעתה של קבוצת התקנים IEEE 1451 "תקני ממשק מתמר אינטליגנטי" הקלה את התנאים, הממשק בין החיישן לרשת מאוחד. התקנים נועדו להאיץ את ההסתגלות - מחיישנים בודדים לרשתות חיישנים, מספר תת-קבוצות מגדירות שיטות תוכנה וחומרה לחיבור חיישנים לרשת.

לפיכך, שתי מחלקות של התקנים מתוארות בתקנים IEEE 1451.1 ו-IEEE 1451.2. התקן הראשון מגדיר ממשק אחיד לחיבור חיישנים חכמים לרשת; זהו המפרט של מודול NCAP, שהוא מעין גשר בין מודול STIM של החיישן עצמו לבין הרשת החיצונית.

התקן השני מפרט ממשק דיגיטלי לחיבור מודול ממיר חכם STIM למתאם רשת. קונספט TEDS מרמז על דרכון אלקטרוני של החיישן, לאפשרות זיהויו העצמי ברשת.TEDS כולל: תאריך ייצור, קוד דגם, מספר סידורי, נתוני כיול, תאריך כיול, יחידות מדידה. התוצאה היא plug and play אנלוגי עבור חיישנים ורשתות, הפעלה קלה והחלפה מובטחת. יצרני חיישנים חכמים רבים כבר תומכים בתקנים אלה.

הדבר העיקרי ששילוב חיישנים ברשת נותן הוא אפשרות גישה למידע מדידה באמצעות תוכנה, ללא קשר לסוג החיישן ואיך מאורגנת רשת מסוימת. מסתבר שזו רשת המשמשת כגשר בין החיישנים למשתמש (המחשב), ועוזרת בפתרון בעיות טכנולוגיות.

לפיכך, מערכת מדידה חכמה יכולה להיות מיוצגת על ידי שלוש רמות: רמת חיישן, רמת רשת, רמת תוכנה. הרמה הראשונה היא רמת החיישן עצמו, חיישן עם פרוטוקול תקשורת. הרמה השנייה היא רמת רשת החיישנים, הגשר בין אובייקט החיישן לבין תהליך פתרון הבעיות.

הרמה השלישית היא רמת התוכנה, שכבר מרמזת על האינטראקציה של המערכת עם המשתמש. התוכנה כאן יכולה להיות שונה לחלוטין מכיוון שהיא כבר לא קשורה ישירות לממשק הדיגיטלי של החיישנים. תת רמות הקשורות לתתי מערכות אפשריות גם בתוך המערכת.

בשנים האחרונות, התפתחות החיישנים החכמים תפסה כמה כיוונים.

1. שיטות מדידה חדשות הדורשות מחשוב רב עוצמה בתוך החיישן. זה יאפשר למקם חיישנים מחוץ לסביבה הנמדדת, ובכך להגדיל את יציבות הקריאות ולהפחית הפסדים תפעוליים. לחיישנים אין חלקים נעים, מה שמשפר את האמינות ומקל על התחזוקה.עיצוב אובייקט המדידה אינו משפיע על פעולת החיישן וההתקנה הופכת לזולה יותר.

2. חיישנים אלחוטיים מבטיחים ללא ספק. העברת עצמים המופצים בחלל דורשת תקשורת אלחוטית עם אמצעי האוטומציה שלהם, עם בקרים. מכשירים טכניים רדיו הופכים זולים יותר, האיכות שלהם עולה, תקשורת אלחוטית היא לרוב חסכונית יותר מכבלים. כל חיישן יכול להעביר מידע על משבצת הזמן שלו (TDMA), בתדר שלו (FDMA) או עם קידוד משלו (CDMA), ולבסוף בלוטות'.

3. ניתן להטמיע חיישנים מיניאטוריים בציוד תעשייתי וציוד אוטומציה יהפוך לחלק בלתי נפרד מהציוד המבצע את התהליך הטכנולוגי, ולא לתוספת חיצונית. חיישן בנפח של מספר מילימטרים מעוקבים ימדוד טמפרטורה, לחץ, לחות וכו', יעבד את הנתונים ויעביר את המידע ברשת. הדיוק והאיכות של המכשירים יגדלו.

4. היתרון של חיישנים מרובי חיישנים ברור. ממיר נפוץ ישווה ויעבד נתונים ממספר חיישנים, כלומר לא מספר חיישנים נפרדים, אלא אחד, אלא רב תכליתי.

5. לבסוף, האינטליגנציה של החיישנים תגדל. חיזוי ערך, עיבוד וניתוח נתונים רבי עוצמה, אבחון עצמי מלא, חיזוי תקלות, ייעוץ תחזוקה, בקרה לוגית וויסות.

עם הזמן, חיישנים חכמים יהפכו ליותר ויותר כלי אוטומציה רב-תכליתיים, שאפילו המונח "חיישן" עצמו יהפוך לחסר ומותנה בלבד.