Inteligentne czujniki umożliwiają gromadzenie dokładnych danych w sposób skuteczny i zakrojony na szeroką skalę. Koncepcje bazujące na tego rodzaju czujnikach pozwalają na utrzymanie integralności w środowisku przemysłowym. Oferują też klientom szybkie i proste rozwiązania w zakresie badań i pomiarów oraz innych zastosowań, wymagających gromadzenia znacznej ilości danych (big data).
Rosnąca popularność technologii Internetu Rzeczy oraz konieczność przetwarzania dużej ilości danych (big data) sukcesywnie staje się otaczającą nas rzeczywistością. Jednocześnie rośnie znaczenie i wykorzystanie inteligentnych czujników. Niezależnie od tego, czy chodzi o wdrożenie najnowszego inteligentnego zegarka, termostat, który uczy się zwyczajów domowników i odpowiednio steruje ogrzewaniem i klimatyzacją, bezprzewodowy licznik czy aplikację w smartfonie, która informuje użytkownika, że zostawił otwarte drzwi do garażu, to właśnie inteligentne czujniki odpowiadają za gromadzenie i udostępnianie odpowiednich danych we wspomnianych aplikacjach.
Tradycyjne czujniki, takie jak termopary, rezystancyjne czujniki temperatury (Resistance Temperature Detectors ? RTDs), tensonometry, czujniki przemieszczeń linowych LVDT (Linear Variable Differential Transducers) oraz przepływomierze, rejestrują parametry fizyczne i dostarczają danych niezbędnych dla procesów monitoringu i kontroli. Wiele z tych urządzeń zapewnia niskiej jakości dane analogowe, które wymagają odpowiedniego dopasowania sygnału, w celu zachowania zgromadzonych informacji o krytycznym znaczeniu. Funkcje dopasowania sygnału obejmują wzbudzenie czujnika, wzmocnienie sygnału, filtrowanie aliasu, filtry dolno- i górnoprzepustowe, linearyzację oraz ? często lekceważoną, ale kluczową funkcję ? izolację. Po odpowiednim dopasowaniu sygnały w czujnikach można przetworzyć do postaci cyfrowej przy użyciu przetwornika analogowo-cyfrowego, a następnie poddać dalszemu przetwarzaniu w układzie gromadzenia danych.
<—newpage—>Układy SoC
Postęp elektroniki prowadzi do gwałtownych zmian w sposobie gromadzenia danych przy użyciu czujników. Mikrokontrolery i mikroprocesory stają się coraz bardziej złożone, uwzględniają interfejsy komunikacyjne, źródła wzbudzenia, wysokiej rozdzielczości przetworniki analogowo-cyfrowe (A-D) i cyfrowo-analogowe (D-A), wejścia/wyjścia ogólnego zastosowania, szybką architekturę, wsparcie matematyczne oraz pracę w trybie niskiego poboru mocy. Te małe urządzenia, powszechnie nazywane SoC lub system-on-a-chip, to układy scalone zawierające kompletny system elektroniczny, w tym układy cyfrowe, analogowe (także radiowe) oraz cyfrowo-analogowe. Znacznie przewyższają przestarzałe już rozwiązania bazujące na karcie ISA lub PCI. Co więcej, pozwalają na istotne ograniczenie kosztów. Mikrokontrolery ze zintegrowanymi przetwornikami danych są dostępne w pakietach nawet o rozmiarach nie większych niż 2×3 mm.
Co to oznacza dla systemów gromadzenia danych? Inteligentne czujniki analizują zebrane pomiary, podejmują decyzje na podstawie pomiaru parametru, a przede wszystkim obsługują funkcję komunikacyjną. Lokalna moc obliczeniowa umożliwia samobadanie, samokalibrację, wyeliminowanie dryftu temperaturowego i zmian parametrów czujnika w czasie, zdalną aktualizację oraz rekonfigurację.
Rozproszenie
Elektronika wymagająca małych nakładów kosztowych i mocy umożliwia obróbkę i przetwarzanie sygnału znacznie bliżej samego czujnika lub nawet w zintegrowanym, inteligentnym czujniku. Dzięki temu możliwe jest rozproszenie mocy obliczeniowej w całym zintegrowanym systemie gromadzenia danych, co z kolei prowadzi do znacznego zwiększenia wydajności obliczeniowej w stosunku do poprzednich rozwiązań. Układy są elastyczne i skalowalne, a obudowy czujników wytrzymałe, co gwarantuje niezawodność działania. Długie wiązki przewodów do czujników wykonanych z ekranowanych, skręconych par przewodów o określonych wymaganiach w zakresie uziemienia można zastąpić mniejszą liczbą przewodów, łączących wiele czujników, bez potrzeby pracochłonnego oprzewodowania i ekranowania. Linie przesyłowe sygnału mogą być krótkie i wyposażone w inteligentne czujniki, co umożliwia wyeliminowanie szumu elektrycznego, jaki zazwyczaj generują w środowisku linie sygnałowe, jak również zachowanie integralności układu. Po zdefiniowaniu formatu dopasowanych danych w czujniku oraz standardu komunikacji pomiędzy czujnikami, parametry fizyczne mierzone przy użyciu czujników mają charakter uniwersalnych zmiennych sieciowych.
<—newpage—>Inteligentne czujniki
Czujniki wyposażonew ?inteligencję? ułatwiają projektowanie, wykorzystywanie i serwisowanie układów gromadzenia danych. Można je traktować jako elementy dyskretne, takie jak inteligentne termopary lub przyspieszeniomierze ze zintegrowaną elektroniką. W szerszym kontekście widać jednak, że inteligentne czujniki i inteligentne przetwarzanie sygnałów na poziomie układu przechodzą wraz z postępem elektroniki gwałtowną ewolucję. Do tej pory układy gromadzenia danych bazowały na złożonych narzędziach programowych i obliczeniach wykonywanych przez nadrzędne oprogramowanie w bazie danych pomiarowych. Obecnie moduły wejścia/wyjścia dopasowania poszczególnych sygnałów zapewniają zazwyczaj interfejs dla od 1 do 32 czujników i realizują funkcję przetwarzania sygnałów w sposób zdalny, sterowany komputerem nadrzędnym host.
Sygnały można monitorować lokalnie w celu wykrycia stanów alarmowych i podjęcia zaprogramowanych działań w przypadku osiągnięcia wartości granicznych. Wydajne kondycjonery sygnałów gwarantują izolację sygnału z czujnika, niezbędną w wymagającym środowisku przemysłowym, oraz zabezpieczają przed zdarzeniami przejściowymi, takimi jak wyładowania elektrostatyczne lub wtórne wyładowania atmosferyczne czy też przepięcia.
Mikrokontrolery i mikroprocesory SoC, stosowane w układach gromadzenia danych, są wyposażone w elementy peryferyjne w celu komunikacji poprzez Ethernet, USB, CAN lub inne magistrale komunikacyjne poziomu obiektowego. Szybkie procesory, wsparcie funkcji matematycznych oraz pamięć lokalna zapewniają realizację funkcji kontrolnych ? takich jak algorytmy regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (regulatora PID) ? w celu umożliwienia działania modułu sterowania, jak również pracy równolegle z komunikacją z poszczególnymi modułami wejścia/wyjścia i oprogramowaniem użytkowym komputera host. Wiele modułów w tego typu systemach dąży do uzyskania pełnej samodzielności, tak aby oprogramowanie mogło pracować bez komputera host. Funkcje gromadzenia danych i kontroli są w pełni autonomiczne w ramach układu gromadzenia danych z oprogramowaniem, a interfejs użytkownika realizowany jest poprzez standardową przeglądarkę internetową z dowolnego miejsca na świecie.
Inteligentne czujniki nie są pozbawione wad. Integracja elektroniki z czujnikami powoduje wzrost kosztów. W czasie modernizacji istniejących instalacji koszty zmiany oprzewodowania mogą być wysokie. Nowy sprzęt i układy wymagają przejścia fazy uczenia się w celu ustalenia warunków optymalnej eksploatacji. Aspekty bezpieczeństwa i kwestie zgodności z obowiązującymi normami mogą wykluczyć użycie inteligentnego czujnika. Każdy przypadek należy jednak analizować osobno, zestawiając koszty i ewentualne komplikacje z korzyściami. Zasadniczo należy uznać, że inteligentne czujniki i systemy zmieniają podejście organizacyjne i metody gromadzenia danych oraz obszary ich praktycznego zastosowania.
Konieczność gromadzenia większej ilości danych widać wyraźnie, zwłaszcza w kontekście zastosowań przemysłowych, w produkcji, laboratoriach, medycynie oraz branży mieszkaniowej. Dane służą do automatyzacji procesów i zwiększenia wydajności. Analiza danych określa stan podzespołów układu, wydajność procesów i warunki awaryjności.
<—newpage—>Integralność sygnału
Inteligentne czujniki umożliwiają gromadzenie dokładnych danych w sposób skuteczny i zakrojony na szeroką skalę. Ponadto, wraz z odpowiednimi technologiami, są przyszłością sektora gromadzenia i przetwarzania danych. Rozwiązania bazujące na inteligentnych czujnikach pozwalają na utrzymanie integralności w środowisku przemysłowym oraz oferują klientom szybkie i proste rozwiązania w zakresie badań i pomiarów oraz innych zastosowań wymagających gromadzenia znacznej ilości danych. Produkty te ułatwiają wykorzystanie modułów dopasowania sygnału, systemów gromadzenia i kontroli danych oraz produktów przesyłu (komunikacji) danych. Niwelują problemy występujące w rozwiązaniach projektowych systemów analogowych oraz zapewniają większą satysfakcję użytkownika w obsłudze systemów akwizycji danych i sterowania.
Autor: John Lehman, inżynier i menedżer w firmie Dataforth
Tekst pochodzi z nr 3/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
