Интеллектуальные датчики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одной из наиболее важных проблем, возникающих при создании и эксплуатации судовых технических систем, является обеспечение требуемого качества и надежности управления в условиях возмущающих факторов, к которым относятся изменения параметров регулируемого процесса и среды функционирования системы.

Для управления сложными динамическими объектами используются методы и технологии искусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешней среды.

Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиально новых измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, содержащих в одном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте ее возникновения.

Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность по-новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, в частности освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.

ИД позволяет обеспечить выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатов отдельных, относительно недостоверных измерителей.

ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.

Можно дать следующее определение интеллектуального датчика: это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среды, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений.

Интеллектуальный датчик представляет собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.

Использование микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиков обеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик.

Одним из основных принципов интеллектуального подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи.

Для реализации интеллектуальных ИМ используются четыре основных функциональных блока:

информационно-электрический функциональный преобразователь (ФП), включающий в себя контроллер управления движением и силовой электрический преобразователь;

электромеханический ФП, включающий в себя электродвигатель и механическое передаточное устройство;

электро-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики напряжения и тока силового преобразователя;

механико-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики перемещения, частоты вращения, момента, силы.

Из выше сказанного следует, что при использовании новых технологий и методов обработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики со значительно лучшими свойствами.

Раздел 1. Понятие интеллектуального датчика. Принцип работы. Требования PC к интеллектуальным датчикам

1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках

Новейшие средства микроэлектроники позволили помимо измерительных и подстроечных элементов интегрировать в датчики аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, по-новому подойдя к проблеме распределения функций между элементами систем контроля и управления.

Объединение цифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве позволяет производить не только усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике.

Такие интегральные датчики могут не только контролировать измеряемые величины, но и осуществлять их оценку, коррекцию по определенным критериям, контролировать свои собственные характеристики, работать в режиме диалога с центральной системой управления, принимать команды, передавать измеренные значения в цифровой форме, а также аварийные сообщения.

В отличие от интегральных датчиков, в которых на базе новых технологий осуществляется объединение чувствительных элементов со схемами их включения, а также линеаризация характеристик и термокомпенсация, датчики с встроенными вычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитывая многообразие их функций, возможности самоконтроля и двустороннего обмена информацией с системой управления.

Интеллектуальный датчик в силу особенностей своей структуры и расширенных функциональных возможностей позволяет обеспечить либо выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала до необходимого уровня, либо формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого количества результатов отдельных, относительно недостоверных измерений. В результате реальные метрологические характеристики интеллектуальных ИП оказываются существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении. Это связано с тем, что интеллектуальный датчик (ИД) является не просто датчиком, а представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительного элемента по определенному алгоритму.

Помещение технических средств обработки информации непосредственно к датчику логически оправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместно заметить, что, интеллектуальный датчик имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он адаптирует свои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматический самоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки, производит коррекцию погрешностей.

В автоматических системах управления и контроля интеллектуальные датчики выполняют следующие основные функциональные задачи:

-преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними;

-преобразование полученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи;

-избирательную регистрацию и предварительную обработку выходного сигнала;

-подавление существенных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий);

-реагирование на изменяющиеся условия в точках контроля;

-обеспечение и контроль собственного функционирования.

Эти задачи предопределяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик, а именно: -способность к самонастройке , т.е. изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходной величины, а также подавлению помех; -адаптивность к условиям окружающей среды;

Способность датчика или системы датчиков к самодиагностике, включая коррекцию ошибок. Исходя из этого можно дать следующее определение интеллектуального датчика- это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений, и представляющий собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники».

Интеллектуальный датчик представляет конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного компьютера, размещенную в зоне действия измеряемых величин, воспринимающую заключенную в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическое согласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственного функционирования и компенсацию отдельных составляющий погрешностей.

Структурные схемы интеллектуальных датчиков.

Структурная схема ИД зависит от структурных схем измерительных преобразователей, входящих в сосшв .датчика,

Ни рисЛ .ia представлено функциональная схема ИД, соотие-иггвующая структурной схеме датчика прямого преобразования. На рис. 1-1 а введенм следующие обозначения:

· первичный измерительный преобразователь с неэлектрическим входным сигналом

· промежуточный измерительный преобразователь.;

· электронный блок подготовки и первичной обработки измерительного преобразователя;

· аналого-цифровой преобразователь;

· источник питания;

· микро-ЭВМ:

· интерфейс.

Выходной сигнал первичного МП может непосрсдствено преобразоваться в цифровую форму. Перличиый ИП может быть объединен с аналого-цифровым преобразователем.

Соответствующая структура ИД представлена на рис. 1.1б, где 1 - первичный ИП; 2 -аналого-цифровой преобразователь; 3 - устройство выборки и храпения; 4 - кодирующее устройство; 5-источник питания; 6- микро-ЭВМ; 7 - интерфейс.

Для дискретных измерительных сигналов обычно применяетется более простая структура ИД, которая отличается несколько меньшими аппаратными затратами (см. Рис. 1.1 в, где 1 - чувствительный элемент; 2 - преобразователь и формировитнль счетного сигнала; 3 - блок формировании нормированных электрических импульсов; 4 -счетчик; 5 - микро-ЭВМ;

6 - интерфейс). Для связи ИД, реал читанных согласно структурным схемам на рис. 1.1 с внешними блоками и управляющей ЭВМ обычно используются последовательные стандартные интерфейсы различных типов.

Развернутая структурная схема ИД представлена на рис.1.2, где 1 - первый и второй преобразователи с фильтрами; 2 - источник питания ячеек помята и электронных блоков; 3 - мультиплексор; 4 - блок управления маршрутами пересылки данных; 5 - блок определения отношения сигнал/шум; 6 - блок регулирования отношения сигнал/шум; 7 -усилитель; 8 - блок управления усилением (АРУ); 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); Ю - внутренняя шина датчика; 11 - программируемое постоянное запоминающее устройство (ПШУ) для хранения данных идентификации, коэффициентов калибровки, предыстории изменения операций во времени и др.; 12 - ППЗУ для хранения пр01рамм и другой информации; 13 - память с произвольной выборкой; 14 - микропроцессор; 15 -связной интерфейс (последовательный или параллельный); 16 - портативный пульт управления; 17 - коммуникационная шина или сеть.

Метрологические характеристики интеллектуальных датчиков

Можно указать на следующие особенности использования ИД по сравнению с традиционными датчиками.

Точность измерений зависит от внутренних погрешностей ИП (нелинейности, гистерезиса, недостаточной повторяемости), внешних условий, точности калибровки, степени воспроизводимости результатов, местоположения значения измеряемой величины в диапазоне измерения, точности, обеспечиваемой линиями передачи, приема и обработки сигнала.

Влияние этих фактором приводит к тому, что точность датчики класса 0,25% в реальных условиях составляет всею 1%. Однако точность измерений существенно повышается за счет внутренних вычислений, которые может выполнять ИД. Алгоритмы улучшения статических характеристик ВД позволяют производить коррекцию начального смещения и крутизны для строи» линейных статических характеристик, корректировку масштаба измерительного тракта, линеаризацию статических характеристик табличным методом, аппроксимацию с помошью полиномов, интерполяцию и т.д.

Благодаря возможностям самонастройки датчик выбирает наилучший диапазон измерения и посылает соответствующую информацию на верхний иерархический уровень. В случае выхода за границы диапазона измерений подается аварийный или предупредительный сигнал.

В ИД возможна коррекция влияния помех и различных возмущений за счет реализации дифференциальных методов измерений программными способами, использования итерационных методов обработки для нелинейных зависимостей, применения адаптивных методов коррекции с формированием скорректированною :шачении по результатам последнего измерения.

Интслпектушп.ный датчик надежней традиционных, так как они позволяют:

· упростить измерительный преобразователь, используя возможности его характеристик с помощью программного обеспечения, в том числе корректируя масштабы и внося поправки на температуру с помощью вычислительного устройспиц

· увеличить количество однотипных смертельных ячеек; свести к минимуму аналоговую часть - источник неисправности _и искажений;

· ввести системы автоматическою контроля старения комитентов, повышающие надежность датчика в целом (обнаружение перенапряжений, разогрева, избыточного статическою давления и т.п.);

· контролировать состояние окружающей среды для обнаружения отклонений и исключения работы датчика нне установленных пределов; - контролировать работоспособность отдельных элементов и узлов, в том числе напряжения питания ни прецизионных элементах, уровни срабатывания, токи и напряжения смещения; * осуществлять автоматическую само калибровку по внешним или встроенным эталонным источникам.

Программное обеспечение позволяет антоматически управлять процессом измерений: включением/выключением, сменой диапазонов, переключением каналов измерений, частотой калибровки, порядком адресования. Выбор алгоритма, тест-сигналов, точек и времени измерений и др., а также выбор фильтров в соответствии с параметрами помех осуществляется в сооветствии с задачами измерений или по командам управляющей ЭВМ. Связь ИД с управляющей ЭВМ и другими периферийными устройствами реализуется программными способами по общей шине; передача сигналов осуществляется в режимах квитирования, с прерыванием и контролем программных средств, с последовательным и параллельным опросом, п режиме передачи и приема сигналом управления. ИД позволяет обрабатывать результаты измерений с целью сжатия пересылаемой информации, реализуя контроль предельных значений, а также выполняя заданные математические и логические операции в соответствии с поставленной задачей измерения.

Интеллектуальные датчики обеспечивают доступ к внутренней информации, которая может быть использована в цепях диагностики и профилактического обслуживания. Датчик через портативный пульт или посредством дистанционного управления с верхнего иерархического уровня дает оператору сведения о:

1. мгновенных значениях напряжений питания, промежуточных величинах, результатах вторичных измерений;

2.совокупности параметров, 'занесенных и намять перед возникновением неисправности;

3.дате последнего контроля, (калибровки, проверки нуля и т.п.);

4.причинах устраненных отказов;

5.вторичных параметрах, превмеишних допустимые пределы (внутренней температуре, абсолютном давлении и др.).

Интеллектуальные датчики, объединенные микропроцессорами, позволяют поднять на новый качественный уровень возможности создаваемых средств измерений. Идеальным уровнем «интеллектуалыикггн» датчика является интеграция его функций, которая не приводит к увеличению общих материальных затрат на разработку и создание средств измерений.

1.2 Обработка сигнала датчика

Несмотря на то, что сигнал на выходе чувствительного элемента может быть слабым, передаваемый сигнал должен иметь высокий уровень и, по возможности, лежать в подходящем диашпоне значений для того, чтобы дойти до основных устройств в неискаженном виде и упростить вычисление измеряемой неличины. Поэтому, в общем случае, сигнал сенсора должен пройти предварительную обработку, которая позволяет осуществи! ь многие важные задачи (рис.1.3), такие как:

· специальные меры обеспечения безопасности;

· соединение с другими компонентами последовательно, параллельно или в замкнутом контуре;

· усиление сигнала;

· масштабирование,

· линеризация

· преобразование сигнала

В настоящее время вошло в практику преобразование сигнала датчики п цифровую форму в самом датчике. В силу возрастающего применения распределенных систем с шинной архитектурой это становится нее более необходимым. В дополнение к ран рузке системы в целом достоинством янляется и то, что данные измерения могут передаваться без потери точности иезинисимо от расстояния между датчиком и устройствами обработки данных более высокою уровня. Перенос функций обработки сигналов с аппаратуры на программное обеспечение упрощает повышение точности измерений. Производственные отклонения можно учитывать путем простой параметризации вместо того, чтобы проводим, механическую или электрическую подстройку. Используя физические или Mint магические модели, описывающие поведение датчика, можно проводить более точные измерении, учитывая влияние различных факторов. В зависимости от физической природы измеряемой величины датчики делятся на две группы: датчики плекзрических величин, и датчики неэлетричюских величин, К первой группе относятся датчики, реагирующие на изменение напряжения, тока, частоты, мощности, ко иторой- дзршки, реагирующие на изменение температуры, давления, крутящего момент, частоты вращения и т.д. По роду выходной величины датчики делятся на электрические и неэлектрические. Электрические н зависимости от характера выходной величины подразделяют на два типа- параметрические и генераторные. Параметрические датчики преобразуют неэлектричсские измеряемые величины в параметры электрических цепей L, С, R. Такие преобразователи включаются в различные измертильные схемы, которые имеют дополнительный источник питания. В генераторных происходи! преобразование энергии измеряемой неличины в ЭДС постоянного или переменною тока Системы, состоящие из одного датчика, могут давать лишь частичную информацию о состоянии внешней среды, тогда как системы с множеством датчиков объединяют связанные данные от нескольких одинаковых и/или разных датчиком. Смысл применения многосенсорных систем состоит в создании синергстичсских эффектом, понышанпцих качество и доступность информации о состоянии измеряемого объекта. Цель обработки сигналов в многосенсорной системе - получить определенную информацию, используя необходимую совокупность данных измерения. В общем, требуется достичь определенного уровня, например, точности или надежности, коицют нельзя достичь, имея лишь один датчик. Например, для обнаружения присутствия используют ультразвуковые датчики с высокой чувствительностью к шуму, турбулентности воздуха из-за тепловых воздействий и колебаний штор и растений. Микроволновые датчики могут обнаружили, движение объектов вне наблюдаемою помещения или быть введены в заблуждение другими электромагнитными полями (от мобильных телефонов и т.п.). Комбинация обоих типов датчиков и применение специальных процедур обработки сигналов позволяет дост ичь более высокой надежности обнаружения за счет различия зависимостей да пиков от внешних воздействий. Результат свидетельствует о более качественной работе системы из нескольких датчиков по сравнению с системой с одним датчиком Сложная обработка сигналов, осиоваинаи на методах слияния данных может- повысит ь точность измерения более, чем используемый обычно простой пороговый алгоритм. Процесс слияния данных, поступающих от многих датчиков, должна просктироватт^и специально для каждого конкретного случая с учетом специфики применения для тою, чтобы обеспечить правильное определение всех требуемых измеряемых величин или решений (рис.1.4). Типичными подходами тдесь являются теория статистических решении, методы усреднения, калмановская фильтрация - -для слияния неточных данных датчиков; нечеткая логика - для сформулированных на качественном уровне задач и нейронные сети - для задач, где ожидаемому повелению можно обучить, используя набор характеризующих параметров.

Например, при измерениях концентрации шчои, н го время как отдельные датчики не обеспечивают достаточной точности, использование высококачественных аналитических устройств дорого и поэтому во многих случаях неприемлемо. Испил ьгмжание системы, включающей а себя несколько недорогих датчиков, позволяет существенно повысить надежность и точность измерений концентрации Газа. Существенными обстоятельствами при слиянии данных в этом случае яшоптим взаимная чувствительность датчиков и влияние таких факторов, как температура, книжность и давление. Значимые- влияющие факторы должны измеряться ранним и датчиками. В процессе калиброаки н|н>веряется реакция системы из нескольких датчиков на различные основные газы. К зависимости от этой реакции комбинация датчиков для слияния данных определяется блоком управления датчиками таким образом, чтобы в результате стало возможным проведение точных измерений концентрации, несмотря на недостатки отдельных датчиков.

Сегодня многосенсорные системы незаменимы в задач аварийного предупреждена, таких как охрана свободною пространства путем оценивания видеосигнала, обнаружение лежащего человека или ранее обнаружение пожара, и:ни фебуемого высокого уровня надежности. Например, для раннего обнаружения пожара предложены матрицы датчиков, включшощие в себя оптические детекторы рассеянного света и датчики концентрации газа. В пом случае обработка сигнала должна позволить различить ситуации пожара, отсутствия пожара и беспокоящего события путем идентификации характерных признаков пожара по измерениям выходных сигналов длчикин.

Блок выделения признаков необходим для понижения размерности измерительною пространства и извлечения соответствующей информации, характеризующей ситуации, связанные с возникновением пожара. Выделенные признаки далее классифицируются с помощью нейронных сетей с целью оценить к какому классу относятся данные измерения и следует ли посылать пожарной команде сигнал тревоги..

1.3 Разработка требований правил PC к интеллектуальным датчикам, как элементам повышенной надежности, предназначенным для реализации ответственных функций

Интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы и регуляторы относится к м и к ^процессорным средствам автоматизации судовых технических средств, по лому предлшявмме любовании Правил PC соответствуют раздел}' 7 части XV Правил PC.

1.Для ответственных судовых устройств: сланные двигатели, балластные, топливные и осушительные устройства, подруливающие, устройства и т.п.; интеллектуальные средства автоматизации должны иметь избыточную конфигурацию.

2.Функции управления, аварийной сигнализации и безопасной остановки должны быть выполнены таким образом, чтобы одиночные неисправности или нарушения в работе электронной» оборудования не должны влиять более чем на одну из этих функций. Это может быть достигнуто выбором специального оборудования для выполнения каждой из этих функций, или обеспечением резервною оборудования, или другими эффективными средствами.

3. Неиспрпппости н интеллектуальных средствах автоматизации не должны приводить к аварийному состоянию обслуживаемого судового оборудования или всего судна в целом.

4. Для поддержания безопасной работы судил электронные регуляторы (ИР) главных дизелей должны обладать избыточностью с помощью резервирования.

5.При наличии резервного оборудования переключающие устройства должны быть такими, чтобы предотвратить нарушения в работе резервной электронной сиоемы и механизмов при их управлении.

6. Переключения между избыточными интеллектуальными средствами автоматизации должны происходить автоматически и не приводить к нарушению постоянного функционирования в случае неисправности. Требования переключения к пользователю должны быть простыми и легко выполнимы без затраты времени.

7.Электронные рмупяторы должны иметь энергонезависимый исшчник питания.

8.Для избежания возможной потери или искажения данных в результате отключения источника питания, программы и соответствующие запоминающие устройства, ответственные за работу ИР. должны иметь энергонезависимую память или Miepi«зависимую память с обеспечением бесперебойного источника питания.

9.Работа бесперебойного источника питания должна контролироваться. Неисправности должны индицироваться с сопровождением аварийного сигнала.

10. Интеллектуальные регуляторы (ИР) должны работать в режиме реальною времени. Время in клика должно соответствовать постоянным времени судового оборудования.

11. ИР совместно с исполнительными механизмами должны быть сконструированы 1иким образом, чтобы эффекты от неисправностей и сбоев в работе приводили к расчетному состоянию технических средств с наименьшими критическими последствиями.

12. Средства безопасности при неисправностях или сбоев в работе компонентов интеллектуальных устройств должны автоматически возвращать выходную величину в предопределенное расчетом состояние с наименьшими критическими последствиями.

13. Интеллектуальные регуляторы, обеспечивающие постоянное функционирование при постоянной готовности (работоспособности) не позволяют прерывать функционирование как при нормальных режимах работы, так и в случае одиночной неисправности системы.

14. Самоконтролирующие интеллектуальные устройства должны обнаруживать неисправности следующих типов:

· неиепраипосги;

· неисправности дитчикон и исполнительных элементов:

· неисправности компьютерною аппаратного обеспечения;

· нарушение ныполнеиия программного обеспечения;

· нарушение логических действий программного обеспечения.

15. Устройства, с помощью которых пользователь может ныходть на вход ИР, включая ручки, кнопки, выключатели, клавиши, джойстики и т.д., должны быть рассчитаны и устроены таким образом, чтобы избежать небрежных действий. Для ответственного оборудования должны использоваться специальные клавиши.

16.Интсллектупльные устройства должны быть рассчитаны таким образом, чтобы неисправности электронных компонентой не нызывали опасных действий устройства.

17. Системы программною и аппаратного обеспечения должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при восстановлении питания после неиепраипосги источника питания возможность автоматического или дистанционного управления и контроль наступили немедленно.

18. Изменение параметров должно быть возможно при выполнении средств, ограничивающих доступность не подготовленному персоналу. В качестве таких средств могут использоваться кнопочные переключатели, перфокарты, пароли и г.п. Аналогично изменения программы и конфигурации системы должны выполняться только подготовленным персоналом.

19. В устройствах ввода-вывода должны использоваться стандартизированные устройства сопряжения с объектом.

20. Конструкция аппаратного обеспечения должна быть простой. Должен быть обеспечен доступ к «вменяемым частям для ремонта и обслуживания.

21. Разъемы в платах и соединениях должны иметь специальную конструкцию для шщитм от неумышленной перестановки, установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться и вызывать нарушения в работе, которые могут привести к опасности.

22. Разьемы в платах и соединениях должны иметь специальную конструкцию для зашиты от неумышленной перестановки, установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться и вызывать нарушения в работе, которые могут привести к опасности

23. Интеллектуальны с устройства должны быть защищены против неумышленных или неправильных модификаций программ и данных. Требуемые меры зависят от конфигурации устройства

Вид готовности	Максиамальное время
Постоянная	0
Высокая	30 сек
С ручным восстановлением	10 мин
Ремонтопригодных систем	3 час

24. Максимальное время восстановления, необходимое для приведения интеллектуальных устройств в рабочее состояние после неисправности определяется требованиями к их избыточности.

Раздел 2. Обзор интеллектуальных датчиков

2.1 Описание современных интеллектуальных датчиков

В литературе под термином « интеллектуальные датчики» понимают разные по возможности классы датчиков, часто любой датчик, имеющий в своем составе микропроцессор называют интеллектуальным датчиком независимо o r функций, выполняемых микропроцессором.

Структура ИД состоит из двух взаимосвязиiiimx блоков: элемента (сенсора) и прсобрамнипеля. Последний комплектуется из программируемою микропроцессора с оперитиипым и постоянным модулем памяти, аналого- цифрового преобразователя, сетевого контроллера связи с типовыми полевыми сетями. Как сенсор, так и преобразователь дотчика, обычно, имеют ряд вариантов исполнения, рассчитанных на различные свойства измеряемой и окружающей среды.

Варианты исполнения сенсора: различные методы восприятия измеряемых величин: разное соединение сенсора с конструкцией объекта измерения; разный тип корпуса сенсора, определяемый давлением, температурой, помехами в месте измерения: разный материал корпуса сенсора (под обычную, химически агресеиипую, активную, взрывоопасную, гишеническую среды).

Варианты исполнения преобразователя: питание от внутреннею или внешнего источника; разные виды выходных сигналов и коммутационных свя зей с полевыми сетями, разное защитное исполнение от возможных помех и свойств окружающей среды.

Большинство производителей комплектуют датчики из сочетания разных нариантов сенсоров с разными вариантами преобразователей,

рассчитанных на работу с данной серией сенсором, благодаря этому удается наиболее точки и полно удовлетворить отдельным конкретным требоианиям к прибору.

К последнее время получают распространение мулы исенсорные датчики, когда к одному преобразователю подключается ряд сенсоров, воспринимающих различные или однотиш!ые неличины.

Кроме обычных функций восприятия искомой неличины и преобразовать сигнала, современные интеллектуальные датчики выполняют ряд других функций, сущест ненно расширяющих их возможности и улучшающих их технические хорнктеристики.

В ИД проводятся необходимые преобразования измерительной информации: усиление сигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов, линеаризация и фильтрация, расчет выходных значений но заданным алгоритмам, аналого-цифровое преобразование значений измеряемой неличины.

В процессе работы датчики выполняют анализ своей работы: при возникновении различных сбоин, нарушений и неисправностей фиксируют их место возникновения и причину, определяют выход погрешности прибора за установленное значение, анализируют работу балы данных датчика, рассматривают правильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика. Датчик может выдавать оператору до 30-ти различных сообщений, конкретизирующих текущие особенности его работы и речко облегчающих и ускоряющих его обслуживание. Обычно информация, выдаваемая датчиком об отдельных его неисправностях, подразделяется на два типа:

1- некритическая информация, когда датчик требует определенного обслуживания, нпоо измеряемым им значения могут использоваться для управления;

2- критическая информация, когда выходные данные датчики неверны и либо требуется немедленное вмешательство оператора по приостановке использования его показаний, либо сям датчик переводит свой выход в постоянное безопасное для управления процессом значение, и сообщает о необходимости срочного обслуживания прибора.

Датчики хранят в своей памяти и по дистанционному запросу пользователя ныданп нее данные; определяющие свойства, характеристики, параметры данного конкретного прибора: его тип, заводской номер, технические показатели, возможные диапазоны измерения, устаможенную шкалу, заданные параметры настройки сенсора, работающую версию программной» обеспечения, архив проведенных метрологических поверок, срок проведения следующей поверки датчика и т.п. Кроме того датчики могут иметь архив текущих измеряемых и вычисляемых ими значений величин за заданный интервал времени.

В ИД осуществляется дистанционное формирование или модификация пользователем основных настроечных параметров датчики: установка нуля прибора, выбор заданного диапазона измерения, фильтрация текущих значений, выбор наименования единиц измерения, в которых датчик должен выдавать информацию и т.п. действия.

ИД выполняет автоматический анализ изменений измеряемой величины и текущего состояния срсды измерения: определение кыходов значений измеряемой величины за заданные нормы, выдача различных сообщений об изменениях значений измеряемой величины, проверка нахождения в допустимых диапазонах параметров измеряемой среды. Все эти функции дистанционно настраиваются пользователем.

В последнее время на ИД возлагают упршшяющие функции (особенно при их использовании с полевой сетью Foundation Ficldbus).

Для реализации этих функций в память микропроцессора датчика прошивается соответствующий набор типовых программных модулей, а их инициация и параметризация проводится дистанционно оиеритром с помощью простейшего графического конфигуратора. В качестве типовых программных модулей используются простейшие арифметические и логические операции, таймер, элемент чистою запаздывания, mnei-parop, варианты регуляторов: Р, 1, PI, PD, PED и т.п. функции, из которых легко набираются конкретные алгоритмы регулирований разных видов, блокировочные эазисимости, алгоритмы смешивания и другие алгоритмы управления технологическими процессами.

Коммуникационно современные интеллектуальные датчики поддерживают три стандарта полевых сетей: сеть с HART-протоколом, сеть Frofibus, Foundation Fieldbus. Протокол HAST основан на аналоговой 4-20 мА технологии и имеет два варианта связи.

При первом варианте реализуется связь каждого прибора с контроллером по отдельной паре проводов, по которой могут проходить как аналоговый (например, 4...20 мА), так и цифровые сигналы,

Последние содержаг дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы измерения, дату калибровки, результаты самодиагностики и т.д.

При повторном варианте связи реализуется соединение ряда приборов с контроллером по одной паре проводов, в этом случае по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Питание прибора осуществляется от блока питания контроллера по пой же паре проводов.

Основные характеристики сети: метод доступа - ведущий/ведомый (в сети может быть до двух ведущих узлов); физическая среда передач - последовательный порт RS-232C и витая кара; топология сети - зиезда (при соединении к контроллеру датчиков с аналоговыми выходными сигналами или шина (при цифровых выходных сигналах датчиков); режимы работы - асинхронный (кодирующий узел посылает зал tpoc, а ведомый - ответ или синхронный (когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу); при шинной архитектуре к сети может быть подключены 15 ведомых узлов (обычно подключают до восьми приборов); длила линии связи до 1500 м; скорость передачи данных 1200 бит/с; протокол HART реализует по общей модели числа, наименования и состава уровней любого протокола - модели OSI первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; команды от аедущих узлов могут быть трех видов: универсальные на лее ведомые узлы, типовые на многие узлы специфические на конкретные ведомые узлы.

Каждое сообщение от прибора может содержать информацию двух типов: текущие данные, статус прибора. Статус определяет оперативное состояние прибора: так называемый «нормальный последовательный статус», когда данные от него могут быть использованы для вычисления, управления; нормальный непоследовательный статус, когда данные от него корректны, но с прибором связана какая-то тревога; «неопределенный статус», когда данные не полностью корректны, но все же могут быть использованы; «плохой статус», когда данные не могут быть использованы.

Стандартная сеть PROFIBUS. Данная сеть (международный стандарт 1ЕС 6115S) получает все более широкое распространение среди европейских производителей средств автоматизации.

На полевом уровне сеть поддерживает два вида протоколов: протокол Profibus DP для быстрой коммуникации контроллеров с удаленными блоками вода/вывода и с интеллектуальными приборами; протокол Profibus РА, который используется для тех же делей" во взрывоопасных средах. Последний имеет иную физическую реализацию: безопасное низковольтное исполнение. По сети может передаваться цитание от контроллера к приборам, подключенным к сети.

Основные характеристики сети PROFIBUS: физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-4S5 и экранированную витую пару, либо через оптоволоконный кабель; сеть обеспечивает любые виды соединений (шина, дерево, звезда, кольцо); метод доступа к сети - ведущий/ведомый: в сети возможно наличие нескольких веяуших устройств, общающихся между собою с помощью маркера; но модели OSI протокол сети использует первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; общее число устройств на сети до 126- из которых 32 узла могу! быть аедущими: скорость передачи данных на витой паре варьируется от 9.6 Кбиг/с до 1.5 Мбита/с (при протоколе Profibus РА скорость передачи данных на витой паре до 31 Кбит/с): длина сети на витой паре до 1.2 км или до 4.В км с повторителями, на оптоволокне - до 23 км.

Передаваемые устройствами диагностические сообщения имеют три уровня иерархии; диагностика всего устройства (например, упало напряжение литания), диагностика модуля устройства (например, отказал восьмикаъалыгай цифровой модуль выходных сигналов), диагностика канала (например, а канале А модуля Б не проходит сигнал). В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных три ошибочных бита будут обнаружены, а один ошибочный бит может быть восстановлен.

Стандартная сеть Foundation Fieldbus. В нее «ходят порядка 90% производителей средств и услуг в области автоматизации. Сейчас зга сеть включена в международный стандарт EEC 63158, принятый в 1999 г. И по многим далее перечисленным ее свойствам может считаться наиболее перспективной стандартной полевой сетью.

Сеть обеспечивает связь контроллеров с выносными блоками вводе/вывода и с интеллектуальными приборами при учете специфики работы приборов во взрывоопасной среде. По сети передается питание от контроллера к приборам, подключенным к сети.

Для более полного и рационального использования все возрастающей мощности микропроцессоров, встраиваемых в кшеллекгуальные приборы, применительно к сети Foundation Fieldbus, разработка специальная идеология Fieldbus Foundation, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линеаризации и т.п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т.п.), логического управления пуска, остановка, блокировки группы механизмов в т.п.) на самый нижний уровень управления: уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. В соответствии с этой идеологией и стандарт Foundation Fcldbus внесены специальные правила работы и обмена информацией между интеллектуальными таборами в сети при учете, что каждый прибор в сети, кроме обычных функций аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования может реализовывать типовые функции контроля и управления.

Базовый вариант сети - Foundation Fieldbus HI (FT HI); он реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Кроме него существует вариант Foundation fieldbus Н2 (FF Н2); близкий по характеристикам к варианту FF Ю, в котором специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.

Основные характеристики сет» FF HI: топология сети - шина или дерево; физически передача данных в сети осуществляется через «орт RS-485 и экранированную витую пару; длина линии передачи - 1,9 км; скорость передачи данных - 31,25 Кбита/с; число подключаем их к сети устройств до 32; протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый (физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой (прикладной уровень), а также добавочный пользовательский уровень, на котором фиксируется ряд важных функций и правил; метод доступа к сети - маркет; управление сетью может быть распределено между несколькими активными планировщиками связей, которые могут резервировать Друг друга; периодический цикл передачи информации с учетом отработки в приборах контуров управления составляет 50 мс; аналогично HART протоколу здесь используется понятие «статус», которое каждый цикл может передаваться каждым прибором по сети вместе с его данными.

В стандарт FF HI введен пользовательский уровень. Оп определяет связи, с помощью которых оператор может взаимодействовать с приборами либо через, так называемую, серию блоков, либо через описатели приборов.

Современные интеллектуальные датчики обеспечивают;

· резкое уменьшение искажений измерительной информации на пути от датчика к контроллеру, т.к. вместо низковольтного аналогового сигнала по кабелю, соединяющему датчики с контроллером, идут цифровые сигналы, на которые электрические и магнитные промышленные помехи оказывают несравнимо меньшее влияние;

· увеличение надежности измерения благодаря самодиагностике датчиков, тле. каждый датчик сам оперативно сообщает оператору факт и тип возникающего нарушения, тем самым, исключая использование дня управления некачественных и/или недостоверных измерении;

· возможность использования принципов измерения, требующих достаточно сложной вычислительной обработки выходных сигналов сенсора, но имеющий рад и ре имущее тв перед традиционно используемыми принципами измерения по точности, стабильности показаний, простота установки и обслуживания датчика в процессе его эксплуатации;

· возможность построения мулътисенсорных датчиков, в которых преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных или разнотипных чувствительных элементов;

· возможность проведения всей необходимой первичной переработки измерительной информации в датчике и выдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицах измерения;

· возможность передачи в систему автоматизации не только текущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм, а также возможность передачи

· посети не каждого текущего измеряемого значении, а только изменившегося по сравнению с предыдущим значения, или вышедшего за пределы заданных норм значения, или значения, требующего управляющего воздействия;

· наличие в датчике базы данных для хранения значений измеряемой величины за заданный длительный интервал времени;

· возможность дистанционно с пульта оператора а оперативном режиме выбирать диапазон измерения датчика, устанавливать ноль прибора;

· возможность, путем программирования работы датчика на достаточно простом технологическом языке, реализовать в нем простые алгоритмы регулирования, программного у правлении, блокировок механизмов;

· возможность строить достаточно простые цепи регулирования, программного управления, блокировок на самом нижнем уровне управления из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, полевой сети и интеллектуальных исполнительных механизмов, не загружая память вычислительными операциями контроллеры, что позволяет использовать мощность контроллеров для реализации в них достаточно сложных и совершенных алгоритмов управления.

В настоящее время наблюдаются следующие тенденции развития ИД. Развитие многофункциональных свойств датчика. Перспективные разработки ведутся по реализации в датчике функции прогнозирования значения измеряемой величины, по углублению текущей самодиагностики датчика и на ее базе по прогнозированию в самом датчике возможной некорректной его работы и по составлению рекомендаций по его обслуживанию, a также по адаптации шкалы датчика к диапазону изменения измеряемой величины. Кроме того, все больший объем задач по расчету показателей, по обнаружению заданных событий.

По реализации задач управления перекладываете я с контроллера на датчик. Ввиду этого сам термин «датчик» становится все более неполным и условным.

Миниатюризация датчика. Создание миниатюрных датчиков на базе ряда известных и частично новых методов измерения с использованием миниатюрных по размерам микропроцессоров позволяет выпускать промышленное оборудование с встроенными в него датчиками и создавать системы автоматического мониторинга работы машин и механизмов, кттгорые определяют текущий износ отдельных узлов оборудования и, следовательно, повышают надежность его работы и совершенствуют имеющуюся на предприятиях систему обслуживания н ремонта оборудования.

Расширение видов связи датчика с контроллером. В настоящее время датчик связывается с контроллером либо через самостоятельный проводной канал аналоговых сигналов, либо через общую для ряда датчиков цифровую проводную сеть. В случае значительною удаления датчиков от основных средств системы автоматизации датчик с помощью отдельных специальных средств телемеханики может общаться с контроллером по радиоканалу. В ряде фирм сейчас ведутся работы по созданию беспроводных датчиков, в которые встраиваются блоки коротковолновой радиосвязи (аналогичными блоками оснащаются и контролеры). Предпосылками развития указанных типов датчиков служат с одной стороны наблюдающееся снижение стоимости средств коротковолновой радиосвязи и повышение надежности работы этих средств, а с другой стороны возникающая экономия затрат на проводную связь, упрощение монтажа системы и расширение возможных мест установки датчиков.

Часто материалы, процессы изготовления или отдельные операции сенсорных технологам несовместимы с материалами, производственными процессами или эксплуатационными требованиями технологий, обеспечивающих «интеллектуальные» способности на основе микроэлектроники. Процесс тесной интеграции интеллекта а датчиках требует сочетания сметанных технологий изготовления интегральных схем с производственной технологией, применяемой при создании соответствующих датчиков.

При изготовлении ИД может возникнуть технологическая несовместимость в процессе интеграции.

Очевидный пример подобной технологической несовместимости -случай термопары. Рассчитанной' на работу в температурном диапазоне 300...500 "С. Не говоря уже о том, что большинство микроэлектронных устройств не могут работать при температурах выше 150 'С, материалы, используемые для создания термопар, как правило, несовместимы с материалами тщательно контролируемой высокой чистоты, используемыми в процессах создания кремниевой микроэлектроники. Ничтожные количества металлов, используемых обычно и термопарах, таких как хром, никель, железо, платина, медь и алюминий, могут сыграть роль легирующих примесей в полупроводниках. Присутствие микроскопических количеств этих металлов на некоторых стадиях изготовления микроэлектроники может испортить весь процесс.

В некоторых случаях интеллектуальные интерфейсы могут поддерживать желаемые сетевые возможности, не требуя от технологии изготовления датчиков технической совместимости.

Интеллектуальный интерфейс объединяет функциональные возможности схем обработки сигналов и сетевых схем в единый интерфейс ИД. который служит промежуточным звеном между сетью и датчиком.

Микросенсорные кластеры.

Одиночные интеллектуальные датчики весьма полезны во многих ситуациях. Однако очень часто для реализации некоторых функции

требуется множество датчиков, В таких случаях необходима интеграция группы датчиков с несколькими вспомогательными компонентами. В результате появляется микропроцессорный кластер. Компоненты микропроцессорный кластера изображены на рис,2.1.Необходимы семь составляющих: несколько сенсоров, интерфейсная электроника, микроконтроллер или другие средства вычисления, (с ассоциированной памятью), средства передачи информации и, возможно, получения команд или новых программ, источник питания, печатная плата и корпус. Наряду с концепцией микропроцессорного кластера имеет место и другой распространенный подход к многосеннсорным системам. Многие серийные системы имеют узлы, включающие большинство означенных функций, но сенсоры связаны между собой, а не интегрированы

В ближайшем будущем сети датчиков будут развиваться по двум, направлениям. Во-первых, появятся сенсорные кластеры с большими функциональными возможностями, более компактные и с меньшим энергопотреблением. Во-вторых, станут доступными усовершенствованные средства беспроводной передачи данных.

Сверхзадача искусственного интеллекта датч1ош - увеличение сю срока службы в метрологическом исправном состоянии

В качестве определяющего признака ИД предполагают принять наличие избыточности, обеспечивающей восприятие и переработку дополнительной информации и на этой основе выполнение функций метрологического самоконтроля.

Способность метрологическому самоконтролю позволяет ИД осуществлять функции самокоррекций и обеспечения живучести.

Одним из определяющих признаков ИД состоит в выполнении им, помимо основной функции, функции автоматического метрологического самоконтроля - контроля метрологической исправности.

Для повышения эффективности проектирования интеллектуальных датчиков необходимо создание баз данных, касающихся:

1. физических и химических процессов в чувствительных элементах датчиков, порождающих рост опасных составляющих погрешности;

2. динамики изменения погрешности датчиков на многолетнем интервале с учетом условий их эксплуатации;

3.методов испытаний, позволяющих выявлять производственные источники роста погрешности датчика

4. методов организации метрологического диагностического самоконтроля.

Интеллектуальные датчики - стратегическое направление в измерительной технике, гарантирующее значительный экономический эффект.

2.2 Устройство и работа некоторых современных датчиков

Устройство и работа датчиков «Сапфир-22МП»

Электронный блок ЭБ датчика смонтирован на одной плате, размещенной в корпусе прибора. Структурная схема электронного блока представлена на рис. 2.3.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует выходное напряжение тензопреобразователя ТП в цифровой код. При этом обеспечивается исключение влияния тока питания ТП на результат преобразования и осуществляется эффективное подавление помех (в первую очередь промышленной частоты). АЦП управляется микропроцессором МП и имеет встроенную систему автоматической коррекции погрешностей. Кроме того, АЦП преобразует в код сигнал с ТП, несущий информацию о температуре. Этот код используется для автоматической цифровой коррекции температурных погрешностей измерительного блока, АЦП и цифроаналогового преобразователя ЦАП.

Микропроцессор МП управляет работой всех узлов электронного блока с учетом индивидуальных характеристик измерительного блока. Он производит коррекцию нелинейности функции преобразования и коррекцию температурных погрешностей всех звеньев датчика. Индивидуальные параметры звеньев, а также параметры требуемой функции преобразования датчика записываются и хранятся в запоминающем устройстве ЗУ. Записанные данные сохраняются при отключении энергопитания, поэтому при включении питания датчик сразу готов к работе. Скорректированный код передается в ЦАП, где преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.