Sensores inteligentes y su uso
Según GOST R 8.673-2009 GSI "Sensores inteligentes y sistemas de medición inteligentes. Términos básicos y definiciones”, los sensores inteligentes son sensores adaptativos que contienen algoritmos de trabajo y parámetros que cambian a partir de señales externas, y en los que también se implementa la función de autocontrol metrológico.
Una característica distintiva de los sensores inteligentes es la capacidad de autocuración y autoaprendizaje después de una sola falla. En la literatura en idioma inglés, los sensores de este tipo se denominan "sensor inteligente". El término se quedó a mediados de la década de 1980.
Hoy en día, un sensor inteligente es un sensor con electrónica integrada, que incluye: ADC, microprocesador, procesador de señal digital, sistema en chip, etc., y una interfaz digital compatible con protocolos de comunicación de red. De esta forma, el sensor inteligente se puede incluir en una red de sensores inalámbricos o cableados, gracias a la función de autoidentificación en la red junto con otros dispositivos.
La interfaz de red de un sensor inteligente le permite no solo conectarlo a la red, sino también configurarlo, configurarlo, seleccionar un modo de funcionamiento y diagnosticar el sensor. La capacidad de realizar estas operaciones de forma remota es una ventaja de los sensores inteligentes, son más fáciles de operar y mantener.
La figura muestra un diagrama de bloques que muestra los bloques básicos de un sensor inteligente, los mínimos necesarios para que el sensor sea considerado como tal. La señal analógica entrante (una o más) se amplifica y luego se convierte en una señal digital para su posterior procesamiento.
La ROM contiene datos de calibración, el microprocesador correlaciona los datos recibidos con los datos de calibración, los corrige y los convierte a las unidades de medida necesarias; por lo tanto, el error asociado con la influencia de varios factores (desviación del cero, influencia de la temperatura, etc.) es compensado y la condición se evalúa simultáneamente con el transductor primario, lo que puede afectar la confiabilidad del resultado.
La información obtenida como resultado del procesamiento se transmite a través de una interfaz de comunicación digital utilizando el protocolo del usuario. El usuario puede establecer los límites de medición y otros parámetros del sensor, así como obtener información sobre el estado actual del sensor y los resultados de las mediciones.
Los circuitos integrados modernos (sistemas en un chip) incluyen, además de un microprocesador, memoria y periféricos como convertidores de precisión de digital a analógico y de analógico a digital, temporizadores, Ethernet, USB y controladores seriales. Los ejemplos de tales circuitos integrados incluyen ADuC8xx de Analog Devices, AT91RM9200 de Atmel, MSC12xx de Texas Instruments.
Las redes distribuidas de sensores inteligentes permiten monitorear y controlar en tiempo real los parámetros de equipos industriales complejos, donde los procesos tecnológicos cambian dinámicamente su estado todo el tiempo.
No existe un estándar de red único para sensores inteligentes y esto es una especie de obstáculo para el desarrollo activo de redes de sensores inalámbricas y cableadas. Sin embargo, hoy en día se utilizan muchas interfaces: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; Trabajo en redes industriales: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.
Este estado de cosas planteó la cuestión de la elección de los fabricantes de sensores, ya que no es económicamente viable que cada protocolo de red produzca un sensor separado con la misma modificación. Mientras tanto, la aparición del grupo de estándares IEEE 1451 "Estándares de interfaz de transductor inteligente" facilitó las condiciones, la interfaz entre el sensor y la red está unificada. Los estándares están diseñados para acelerar la adaptación: desde sensores individuales hasta redes de sensores, varios subgrupos definen métodos de software y hardware para conectar sensores a una red.
Por lo tanto, se describen dos clases de dispositivos en los estándares IEEE 1451.1 e IEEE 1451.2. El primer estándar define una interfaz unificada para conectar sensores inteligentes a la red; esta es la especificación del módulo NCAP, que es una especie de puente entre el módulo STIM del propio sensor y la red externa.
El segundo estándar especifica una interfaz digital para conectar un módulo convertidor inteligente STIM a un adaptador de red. El concepto TEDS implica un pasaporte electrónico del sensor, por la posibilidad de su autoidentificación en la red.TEDS incluye: fecha de fabricación, código de modelo, número de serie, datos de calibración, fecha de calibración, unidades de medida. El resultado es un análogo plug and play para sensores y redes, fácil operación y reemplazo garantizado. Muchos fabricantes de sensores inteligentes ya admiten estos estándares.
Lo principal que da la integración de sensores en una red es la posibilidad de acceder a la información de medición a través de un software, independientemente del tipo de sensor y de cómo esté organizada una determinada red. Resulta ser una red que sirve de puente entre los sensores y el usuario (computadora), ayudando a resolver problemas tecnológicos.
Por lo tanto, un sistema de medición inteligente se puede representar mediante tres niveles: nivel de sensor, nivel de red, nivel de software. El primer nivel es el nivel del propio sensor, un sensor con un protocolo de comunicación. El segundo nivel es el nivel de red de sensores, el puente entre el objeto sensor y el proceso de resolución de problemas.
El tercer nivel es el nivel de software, que ya implica la interacción del sistema con el usuario. El software aquí puede ser completamente diferente ya que ya no está vinculado directamente a la interfaz digital de los sensores. Los subniveles relacionados con los subsistemas también son posibles dentro del sistema.
En los últimos años, el desarrollo de sensores inteligentes ha tomado varias direcciones.
1. Nuevos métodos de medición que requieren computación poderosa dentro del sensor. Esto permitirá que los sensores se ubiquen fuera del entorno medido, lo que aumentará la estabilidad de las lecturas y reducirá las pérdidas operativas. Los sensores no tienen partes móviles, lo que mejora la confiabilidad y simplifica el mantenimiento.El diseño del objeto de medición no afecta el funcionamiento del sensor y la instalación se vuelve más económica.
2. Los sensores inalámbricos son innegablemente prometedores. Los objetos en movimiento distribuidos en el espacio requieren comunicación inalámbrica con los medios de su automatización, con controladores. Los dispositivos técnicos de radio son cada vez más baratos, su calidad aumenta, la comunicación inalámbrica suele ser más económica que el cable. Cada sensor puede transmitir información en su propia franja horaria (TDMA), en su propia frecuencia (FDMA) o con su propia codificación (CDMA), finalmente Bluetooth.
3. Los sensores en miniatura se pueden integrar en equipos industriales y los equipos de automatización se convertirán en una parte integral del equipo que realiza el proceso tecnológico, no en una adición externa. Un sensor con un volumen de varios milímetros cúbicos medirá temperatura, presión, humedad, etc., procesará los datos y transmitirá la información a través de la red. La precisión y la calidad de los instrumentos aumentarán.
4. La ventaja de los sensores multisensor es obvia. Un convertidor común comparará y procesará datos de varios sensores, es decir, no varios sensores separados, sino uno, pero multifuncional.
5. Finalmente, aumentará la inteligencia de los sensores. Predicción de valor, potente procesamiento y análisis de datos, autodiagnóstico completo, predicción de fallas, consejos de mantenimiento, control y regulación lógicos.
Con el tiempo, los sensores inteligentes se convertirán cada vez más en herramientas de automatización multifuncionales, para las cuales incluso el término "sensor" en sí mismo se volverá incompleto y meramente condicional.