Standard interfejsu czujników ? raz jeszcze

Prostsze praktyczne zastosowania zaaprobowanej ostatnio 4. sekcji standardu IEEE 1451.4 ożywiły prace nad ?inteligentnymi przetwornikami?. Z drugiej strony możliwości plug-and-play pojawiające się przy stosowaniu arkuszy TEDS i transferu analogowo-cyfrowego informacji inicjują opracowanie nowych rozwiązań.
Doniesienia o odrzuceniu standardu IEEE 1451 dotyczącego Interfejsu Małych Przetworników były bardzo przesadzone ? tak można by sparafrazować Marka Twaina. Standard  wprowadzony był z opóźnieniem, w momencie, gdy projektanci zaczęli stosować jego część ? IEEE 1451.4. W tej części standardu dodano komponent pamięci, aby czujniki były bardziej inteligentne, oraz autoidentyfikację poprzez zastosowanie Arkuszy Danych Elektronicznych Przetworników (transducer electronic data sheets ? TEDS). Takie prostsze podejście umożliwia zastosowanie TEDS w wielu istniejących interfejsach czujników analogowych; dodaje im funkcje automatyzacji konfiguracji, plug-and-play (włącz i pracuj), a także zapewnia bardziej precyzyjne i ekonomiczne rozwiązania oraz aplikacje. W skrócie: P1451 to już nie jest ?rozwiązanie szukające problemu? (oznaczenie ?P? dotyczy ogólnego statusu proponowanego standardu).
To spełnia nadzieje producentów małych i średnich czujników oraz przetworników, którzy poszukiwali wspólnego interfejsu dla czujników, ale byli historycznie obciążeni istniejącymi różnicami sieci, protokołów oraz innych wymagań. Początkowa koncepcja standardu 1451 polegała na tym, że w powłoce przetwornika miało znaleźć się miejsce na układ sterujący, co umożliwiłoby włączenie przetwornika do sterownika zgodnego z P1451, a w konsekwencji zniwelowało potrzebę posiadania osobnego sterownika i prawdopodobnie pozwoliło zaoszczędzić 90?95% czasu, jaki wcześniej potrzebny był do opracowania oprogramowania.


Według Watlow oraz National Instruments inteligentne termopary mogąbyć obecnie bardziej precyzyjne niż rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) w większooeci zakresów temperatur, a inteligentne RTD mogą osiągnąć precyzję wymaganą dla źródeł odniesienia
Trochę historii
Opublikowany w roku 1994, przez IEEE (Institute of Electric and Electronics Engineers) ? Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników, Stowarzyszenie Oprzyrządowania i Pomiarów (Instrumentation and Measurement Society ? IMS) oraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii (National Institute of Standards and Technology ? NIST) w celu rozwiązania tradycyjnych problemów związanych z integracją czujników poprzez zastosowanie interfejsów komunikacyjnych, proponowany standard P1451 rozrósł się, obejmując siedem grup roboczych i aktywnych sekcji, z których cztery zostały formalnie zaaprobowane (patrz: ramka z aktualnymi informacjami dotyczącymi wszystkich siedmiu sekcji).
Grupa robocza P1451.3 zdefiniowała ostatnio standard dla aplikacji z grupą czujników oraz do zapewnienia szybkiego, zsynchronizowanego przesyłania danych. W międzyczasie grupa P1451.4 zajęła się zastosowaniami  komunikacji w trybie mieszanym dla przetworników analogowych, takich jak cyfrowe TEDS wraz z sygnalizowaniem analogowym. Około dwóch lat temu National Instruments uznała potencjalne korzyści wynikające z 1451.4 i rozpoczęła bardziej aktywną współpracę z grupą roboczą IEEE. Aprobata NI oraz IEEE przyspieszyła prace nad 1451.4.
1451.4 startuje
Dzięki dodaniu funkcjonalności plug-and-play do przetworników analogowych w sieciach używanych przez cyfrowe systemy oprzyrządowania i pomiarów IEEE 1451.4 ma obecnie większe szanse na przyczynienie się do przyspieszenia adaptacji pracujących w sieci czujników, dzięki uproszczeniu instalowania przetworników, tworzenia sieci, jak również utrzymania i modernizacji systemów. 1451.4 wykonuje to poprzez utworzenie uniwersalnego systemu, który był potrzebny cyfrowym sieciom informacyjnym do identyfikowania, charakteryzowania, komunikowania się oraz używania sygnałów pochodzących od czujników analogowych.
David Potter, wiceprezes grupy roboczej 1451.4 oraz menedżer platformy NI wyjaśnia, że 1451.4 to praktyczny standard, który sprawia, że TEDS są kompatybilne z pomiarami analogowymi. ? Poprzez dodanie autoidentyfikacji w analogowym interfejsie przetwornika standard ma obecnie możliwość ułatwienia ustawiania, konfiguracji i utrzymania każdego systemu pomiarowego, analogowego bądź cyfrowego. Kiedy czujnik zostaje podłączony do urządzenia pobierającego dane lub do tablicy przyrządów, istnieje potrzeba wykonania dużej liczby ustawień ? zakresów, filtrów czy innych parametrów. Jeśli te informacje są już przechowywane w chipie pamięci, wtedy ustawienia i kalibrację można wykonać automatycznie.
W 1451.4 zastosowano również wymazywalne elektrycznie, programowalne chipy pamięci (EEPROM) tylko do odczytu, wbudowane w obudowę czujnika i zawierające parametry do obsługi plug-and-play. Producenci mogą pobrać identyfikatory dla chipów z Internetu. Kompletny TEDS może zawierać sekcje danych do identyfikowania właściwości danego rodzaju czujnika, jak miernik przyspieszenia, mikrofon, tensometr, termopara, termistor i wiele, wiele innych. TEDS może również zawierać kompletne dane kalibracyjne dla czujnika. W przypadku specjalnych zastosowań czujników można opublikować w Internecie pliki opisujące szablony. Standard pozwala również na użycie wirtualnych plików TEDS, które są przechowywane w Internecie, do zastosowania w sytuacjach, w których wbudowana pamięć EEPROM nie jest dostępna, co ma miejsce zazwyczaj w przypadku czujników odziedziczonych. NI i partnerzy utrzymują dużą bibliotekę wirtualnych TEDS, które można za darmo lub za opłatą skopiować ze strony www.ni.com/sensors. Około 25 firm produkuje obecnie czujniki zgodne z 1451.4 w ramach programu partnerskiej współpracy z NI.
Czujniki Watlow
Jednym ze sposobów, w jaki 1451.4 pomaga użytkownikom wykonującym testy i pomiary, jest znaczne zwiększenie precyzji termopary. Na przykład termopary typu J zazwyczaj zawierają dwa rodzaje metalu o różnych klasach i różnej precyzji, ale odkryto ostatnio (firma Watlow Electric Manufacturing), że dodanie do termopary jednoprzewodowego urządzenia pamięci zgodnego ze standardem 1451.4 zwiększyło indywidualną kalibrację oraz krzywą linearyzacji, a trzykrotnie zmniejszyło mierzalny błąd z 1,5°C do 0,5°C, co sprawia, że termopara jest bardziej dokładna od termopary ANSI.
Według Chrisa Seymoura, menedżera marketingu strategicznego w firmie Watlow typowa termopara typu K może pracować w temperaturze 600°C z dokładnością do ?2,6°C, ale dodanie inteligentnego czujnika 1451.4 oraz lepszych materiałów może obniżyć ten zakres do 0,6°C przy 600°C. Tymczasem oporowy czujnik temperatury klasyA (resistance thermal device ? RTD) pracujący w 600°C zazwyczaj ma dokładność wynoszącą ?1,4°C, a 1451.4 może go zamienić w inteligentny RTD, który jest w stanie osiągnąć precyzję 0,2°C ? dodaje Chris Seymour.
Podczas pokazu ISA Expo 2004 Murphy zademonstrował, w jaki sposób produkty firmy Watlow ? termopara Infosense-P plug-and-play, RTD oraz termistory mogą być używane z chipem i TEDS 1451.4 do własnej kalibracji, dzięki czemu będą bardziej precyzyjne od tradycyjnego czujnika temperatury.

Chris Seymour demonstruje na ISA Expo 2004 jak termopary plug-and-play Infosense-P firmy Watlow, termorezystory i termistory zgodne ze standardem 1451.4, zawierające stosowny mikrochip i posiadające elektroniczny arkusz informacyjny w standardzie TEDS mogą kalibrować się same i być dokładniejsze niż klasyczne czujniki temperatury

? Produkujemy głównie dla tych producentów OEM, którzy domagają się precyzji i powtarzalności, a którzy wcześniej musieli kupować czujniki z zakresem tolerancji wynoszącym 0,5?1,0%. Obecnie możemy zawrzeć wszystkie informacje o kalibracji w jednym urządzeniu pamięci i uzyskać dokładne cyfrowe pliki kalibracyjne ? mówi Seymour. ? Nie jesteśmy już ograniczeni zakresem tolerancji. Teraz wiemy, co robi czujnik w czasie rzeczywistym, ponieważ jego cyfrowy komponent mówi nam, co robi część analogowa. Mamy partnera OEM, który może teraz produkować termopary w wyższych temperaturach bardziej precyzyjne (i w dodatku tańsze) niż termorezystory (RTD).
Seymour dodaje, że zastosowanie chipów 1451.4 oznacza, iż Watlow może również stosować nowe połączenia materiałów, takich jak stopy wysoko temperaturowe, co daje termoparom jeszcze większą precyzję, wydłuża ich żywotność a zmniejsza odchylenia. Obecnie chip posiada wszystkie tablice zależności  napięcia/oporu i informuje oprzyrządowanie, jakiego rodzaju czujnikiem ma być. ? Użytkownicy musieli wcześniej kupować arkusze kalibracyjne, które mogły się zagubić. Obecnie mamy TEDS, a informacji od chipa oddzielić się nie da ? dodaje Seymour.
? Oprócz tego oryginalny standard zakładał, że czujnik musi pracować liniowo. Zmiany musiały być liniowe, więc całe oprzyrządowanie było analogowe. Obecnie mamy elektronikę cyfrową i możemy monitorować każdą funkcję, łącznie ze zbieraniem informacji dotyczących tego, w jaki sposób czujniki w przyszłości mogą ulec awarii. www.sensotec.com www.ieee.org www.go-intech.com www.ni.com/poland www.watlow.com
IEEE P1451 ? części standardu

  • P1451.0  ? Funkcje typowe, protokoły komunikacyjne oraz formaty Arkuszy Danych Elektronicznych Przetworników (Transducer Electronic Data Sheet ? TEDS)

    Funkcja: Projekt standardu mający na celu opracowanie zestawu typowych funkcji, poleceń oraz TEDS przeznaczonych dla standardów inteligentnych przetworników IEEE 1451.

    Status: Projekt standardu w trakcie opracowywania; głosowanie ma się odbyć w roku 2005.

  • 1451.1 ? Procesor Aplikacji Sieciowych (Network-Capable Application Processor ? NCAP), model informacyjny.

    Status: Przyjęty jako standard w czerwcu 1999 r.; obecnie jest przeglądany.

  • 1451.2 ? Protokoły komunikacyjne przetwornik-do-mikroprocesora i formatów TEDS.

    Status: Przyjęty jako standard w roku 1997; obecnie jest przeglądany pod kątem dołączenia interfejsu UART.

  • 1451.3 ? Komunikacja cyfrowa oraz formaty TEDS dla rozproszonych systemów wielopunktowych. Status: Przyjęty jako standard w listopadzie 2003 r.
  • 1451.4 ? Protokoły komunikacyjne w trybie mieszanym oraz formaty TEDS.

    Funkcja: Definiowanie komunikacji w trybie mieszanym, która posługuje się odwróconą biegunowością w celu umożliwienia cyfrowej transmisji danych TEDS, po czym wysyła analogowy sygnał przekaźnika przez te same dwa przewody.

    Status: Przyjęty jako standard w maju 2004 r.; ma zostać opublikowany w listopadzie 2004 r.

  • P1451.5 ? Bezprzewodowa komunikacja pomiędzy czujnikami i formatami TEDS.

    Funkcja: Zredukowanie kosztu kabli i kosztów instalacji; zmniejszenie spadków sygnałów w kablach/LAN; udoskonalenie zbierania danych poprzez monitorowanie warunków; pomoc w wykonywaniu konserwacji prognozowanej.

    Status: Projekt standardu w trakcie opracowywania; głosowanie ma się odbyć w roku 2005.

  • P1451.6 ? Szybki przetwornikowy interfejs sieciowy oparty na CANopen, przeznaczony dla aplikacji z wbudowanym zabezpieczeniem oraz bez wbudowanego  zabezpieczenia.

    Status: Projekt standardu w trakcie opracowywania.