 |
|
|
|
ARTYKUŁY Automatyka Inteligentne czujniki w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania |
|
Definicja inteligentnego czujnika (ang. intelligent sensor, smart sensor) została sformułowana w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku w odniesieniu do zintegrowanej konstrukcji układów zawierających czujniki półprzewodnikowe z obwodami elektronicznymi.
Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii, definicja czujników inteligentnych ewoluowała, w miarę rosnących wymagań i oczekiwań w stosunku do ilości i jakości informacji uzyskiwanych w systemach automatyki, pomiarów i sterowania. Procesy te są stymulowane coraz większymi nakładami finansowymi oraz wymaganiami dostawców i odbiorców nowych zastosowań urządzeń, wymagających coraz większej ilości danych i posiadania funkcji logicznych umożliwiających podejmowanie wielu niezależnych działań.
Czujniki inteligentne są nową klasą urządzeń, która zrewolucjonizowała pozyskiwanie informacji z otaczającego nas środowiska. Wbudowana w czujniki inteligencja umożliwia wyodrębnienie najbardziej użytecznych informacji pozyskanych w procesie pomiaru w sposób bardziej bezpieczny, precyzyjny, szybki oraz bardziej ekonomiczny niż to ma miejsce w przypadku stosowania czujników tradycyjnych.
Aby lepiej zrozumieć strukturę czujnika inteligentnego, na rysunku 1 pokazano schemat blokowy klasycznego, zintegrowanego czujnika, który przedstawia wyraźny podział na trzy elementy: element czujnikowy (np. rezystor, kondensator, element piezoelektryczny, tranzystor, fotodioda), układ kondycjonujący i przetwarzający (np. wzmacniacz, układy linearyzujące, kompensujące i filtrujące) oraz interfejs komunikacyjny (przewody, złącza itp.). Jak przedstawiono na rysunku 2, zasadniczą różnicą między czujnikiem zintegrowanym i inteligentnym jest obecność w czujniku inteligentnym mikrokontrolera/ mikroprocesora [1].
Nie wnikając w historyczne zmiany w zakresie definicji czujników inteligentnych, obecnie większość kadry inżynierskiej, niezależnie od reprezentowanej dziedziny, uznaje za czujniki inteligentne takie urządzenia, które w porównaniu z rozwiązaniami klasycznymi czujników zintegrowanych mają co najmniej jedną z przykładowych właściwości:
Mikrokontroler może również podejmować decyzję, kiedy dane z czujnika mogą być transmitowane do zewnętrznego systemu komputerowego. Coraz częściej czujniki inteligentne mają w swojej strukturze cztery ważne cechy: centralną jednostkę przetwarzającą, niewielkie wymiary, możliwość bezprzewodowej komunikacji oraz niski koszt.
Zastosowany w czujnikach inteligentnych układ przetwarzania nie jest najważniejszym elementem z punktu widzenia użytkownika, ma on jednak bardzo duże znaczenie dla projektantów i konstruktorów układów pomiarowych. Sygnałem wyjściowym czujnika inteligentnego jest najczęściej sygnał cyfrowy. Do tej grupy zaliczyć można nie tylko sygnały kodowane cyfrowo, ale także np. wyjścia częstotliwościowe, okresowe, z modulowaną szerokością impulsu (PWM) lub przesunięciem fazowym. Dalsze przetwarzanie sygnału częstotliwościowego jest niejednokrotnie łatwiejsze, a przede wszystkim tańsze niż bezpośrednie przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy z wykorzystaniem przetworników analogowo-cyfrowych.
Jednym z ważnych wymagań współczesnego przemysłu jest modułowość budowy wszystkich elementów odpowiedzialnych za produkcję. Dotyczy to również układów pomiarowych. Wymóg ten nakłada na producentów czujników konieczność standaryzacji komunikacji według przyjętych rozwiązań. Wymiana danych pomiędzy układem pomiarowym i urządzeniami wejścia/wyjścia odbywa się za pomocą transmisji równoległej albo szeregowej.
W ciągu ostatnich lat widać wyraźne odchodzenie od stosowania interfejsu równoległego w transmisji. Jest to związane z możliwością uzyskiwania coraz większych prędkości transmisji szeregowej. Dotąd główną zaletą rozwiązań równoległych była wysoka prędkość transmisji. Poważną wadą jest jednak konieczność prowadzenia wielożyłowych przewodów pomiędzy urządzeniami oraz ograniczony zasięg komunikacji, a wobec nowych wymagań (m.in. sieciowej transmisji bezprzewodowej) zasadniczą rolę spełniają interfejsy szeregowe.
Oferta dotycząca protokołów sieciowych oferowanych przez producentów jest bardzo bogata. Wybór konkretnego rozwiązania zależy najczęściej od rozwiązań stosowanych już wcześniej w danej gałęzi przemysłu. Do najczęściej stosowanych interfejsów w czujnikach inteligentnych należą: ogólne (I2C, SPI, SMBus, MicroLAN 1-wire), przemysłowe (CAN, Modbus, PROFIBus) oraz dedykowane (IS2, SSI).
Z punktu widzenia czujników inteligentnych, podstawowym interfejsem komunikacyjnym jest obecnie I2C (firmy Philips) [2]. Interfejs ten występuje w różnych odmianach. Podstawową jego zaletą są niewielkie wymagania sprzętowe konieczne do zastosowania tego interfejsu, natomiast jego poważną wadą jest skomplikowany protokół transmisji danych. Interfejs I2C korzysta z linii dwuprzewodowych, gdzie jedna służy jako linia zegara (SCL), druga jest linią danych (SDA). System – dzięki adresowaniu – potrafi obsłużyć do 128 czujników. Częstotliwość transmisji wynosi maksymalnie 400 kHz (w najnowszej wersji 1,7 MHz), dlatego służy głównie do obsługi urządzeń nie wymagających dużej prędkości transmisji.
Znaną odmianą I2C jest System Management Bus (SMBus) firmy Intel [3]. Wprowadza on dodatkowo system alarmów, obsługę przerwań oraz znacznie ogranicza wymagania co do mocy układów zasilających.
Konkurencyjnym standardem jest Serial Peripheral Interface (SPI) firmy Motorola [4]. W transmisji wykorzystywane są 4 linie sygnałowe: zegar (SCLK), dwie linie danych (MOSI, MISO) oraz sygnał sterujący (SS). W porównaniu z interfejsem I2C lepiej funkcjonuje z urządzeniami korzystającymi ze strumieni danych, ale brak adresowania utrudnia wykorzystanie go w trybie master – multi slave.
Wart uwagi jest również wprowadzony przez firmę Dallas Semiconductor standard MicroLAN, nazywany również 1-wire. Umożliwia komunikację w trybie jeden master – multi slave [4].
Standardem sieciowym w przemyśle jest Controller Area Network (CAN) wdrożony przez firmę Bosch [4]. Pierwotnie był on zaprojektowany dla przemysłu motoryzacyjnego i miał umożliwiać komunikację wielu urządzeń za pomocą jednej centralnej magistrali danych. Liczba komponentów sieci nie jest ograniczona, istnieje zatem możliwość dołączania i odłączania poszczególnych części bez wpływu na jej funkcjonowanie. Sprawiło to, że system CAN rozpowszechnił się również na inne dziedziny przemysłu, a także znalazł zastosowanie m.in. w automatyzacji budynków. Jest systemem bazowym dla wielu nowych standardów komunikacyjnych (np. Smart Distributed Systems firmy Honeywell).
Innymi popularnymi interfejsami stosowanymi w przemysłowych, rozproszonych systemach automatyki do sterowania i pomiaru są PROFIbus oraz Modbus firmy Modicon. Umożliwia podłączenie nawet ponad 250 urządzeń w ramach jednej sieci. Prędkość transmisji – do 12 Mb/s. Dodatkową zaletą jest współpraca z szeroką gamą urządzeń, m.in. ze sterownikami PLC. Oferowane są również kablowe sieci sensorowe o bardzo dużej niezawodności i odporności na zakłócenia, oparte na oryginalnych modułach czujników inteligentnych [5].
Rozległe systemy pomiarowe korzystają coraz częściej z transmisji bezprzewodowej. Do transmisji na duże odległości wykorzystuje się technologie znane z telefonii GSM – pakietową transmisję danych w wersjach podstawowej GPRS (ok. 50 kb/s) i rozszerzonej EDGE (ok. 250 kb/s) oraz najnowszą technologię UMTS (do 2 Mb/s). W transmisji na niewielkie odległości wykorzystuje się technologie Bluetooth (< 100 m i do 2 Mb/s) oraz IEEE802.11 (WLAN) o zasięgu do 1 km i prędkości transmisji sięgającej 108 Mb/s.
Nowe, innowacyjne systemy telemetryczne dotyczą rozproszonych sieci sensorowych bez ustalonej formalnej topologii, obejmującej dużą liczbę miniaturowych inteligentnych czujników, komunikujących się między sobą drogą radiową. Możliwości w zakresie monitorowania parametrów środowiskowych i kontroli procesów technologicznych stają się bardziej realne dla szerszego grona odbiorców. Twórcy tej koncepcji nadali nazwę roboczą tej technologii – smart dust (inteligentny kurz) [6].
Interfejsami specjalnie dedykowanymi dla czujników inteligentnych są: Integrated Smart Sensor Bus (IS2) oraz Simple Sensor Interface (SSI) [7]. Pierwszy powstał na bazie I2C i tak jak on, w transmisji korzysta z linii dwuprzewodowych, gdzie jedna służy jako linia zegara, druga jest linią danych. Zaletą interfejsu IS2 jest nieokreślona długość „słowa” danych, uproszczony protokół komunikacji oraz możliwość przerwania nadawania – zarówno przez urządzenie nadrzędne (komputer), jak i czujnik. Interfejs SSI zawiera prosty protokół komunikacyjny, zapewniający cykliczne „odpytywanie” i strumieniowanie danych z czujników. Wykorzystywany jest w komunikacji typu point-to-point w niesynchronicznej transmisji szeregowej (UART) oraz w systemach wbudowanych opartych na technologii nanoIP (ograniczona wersja TCP/IP).
Zasadne jest postawienie pytania, czy środowisko inżynierskie w Polsce jest przygotowane na ekspansję najnowszych rozwiązań czujników inteligentnych. Użytkownicy systemów automatyki przemysłowej, pomiarów i sterowania coraz częściej nie dopuszczają praktycznie występowania jakiejkolwiek tolerancji błędów sterowania. Powoduje to, że zastosowanie inteligentnych czujników bezprzewodowych jest w zasadzie przesądzone.
Najnowsze bezprzewodowe czujniki temperatury, ciśnienia, poziomu cieczy, przepływu oraz wielu innych wielkości pozwalają na prowadzenie pomiarów w znacznie bardziej krytycznych i mało dostępnych środowiskach i lokalizacjach. Funkcjonowanie układów pomiarowych opartych na czujnikach inteligentnych staje się coraz bardziej powszechne. Systematycznie rośnie też ich liczba. Użytkownicy i środowiska techniczne w krajach zachodnich przyjmują standardy technologii komunikacji bezprzewodowej. Fakt ten systemów telemetrycznych. Powstające coraz to nowe aplikacje są dużym wyzwaniem dla producentów oraz rynku potencjalnych odbiorców.
Idea zastosowania nieograniczonej, bezprzewodowej komunikacji wywołuje duże zainteresowanie wśród potencjalnych producentów, projektantów i użytkowników w zakresie automatyki, pomiarów i sterowania. W efekcie, na rynku pojawia się bardzo wiele standardów opisujących bezprzewodową transmisję danych. Jednak niekiedy krótki czas istnienia nowych rozwiązań nie sprzyja ich rozpowszechnieniu. Praktyczne aplikacje wymagają dużego doświadczenia.
Interdyscyplinarność zagadnień (np. metrologia, technika sensorowa, automatyka, informatyka, telekomunikacja) jest, niestety, pewnym utrudnieniem w szybkim wprowadzaniu tych technologii do praktyki inżynierskiej. Poza tym, często bardzo zindywidualizowane potrzeby, złożone problemy projektowe, duże koszty, brak własnych doświadczonych konstruktorów w zakresie techniki sensorowej czyni tą atrakcyjną technologię trudno dostępną dla wielu odbiorców.
Można odnieść wrażenie, że tworzone liczne nowe standardy mają w zasadzie na celu zabezpieczenie interesów dużych firm w zakresie koniecznych opłat licencyjnych przy wdrażaniu nowych systemów telemetrycznych. Konstruktorzy podejmują próby tworzenia własnych rozwiązań bez formalnego wiązania się z nowo tworzonymi standardami. Wymaga to dużej wiedzy, doświadczenia konstrukcyjnego i cierpliwości.
Rozwiązaniem kompromisowym jest propozycja wielu firm w zakresie oferowania tzw. systemów wbudowanych (embedded systems), zawierających telemetryczne moduły radiowe (tzw. transceivery) dedykowane do pracy w sieci. Sama sieć radiowa bazuje na algorytmach będących z reguły tajemnicą producenta. Użytkownik musi jedynie umiejętnie skorzystać z firmowych protokołów transmisji, aby je wkomponować do własnego projektu.
Pewne ograniczenia zastosowań czujników opartych na technice radiowej wynikają z faktu postępującej ich miniaturyzacji (dotyczy to np. rozmiarów terminali łączeniowych). Natomiast same czujniki są coraz mniejsze i tańsze. Popularność tej technologii można zaobserwować w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania w dużych koncernach o znacznym potencjale finansowym, np. w koncernach farmaceutycznych, energetycznych i petrochemicznych oraz w firmach zajmujących się integracją systemów automatyki.
Podstawowym wymogiem w technologii monitoringu jest niezawodność. W przemysłowych technologiach bezprzewodowych źródłem zakłóceń są m.in. linie zasilające, silniki, transformatory, styczniki, przekaźniki, generatory, oświetlenie fluoroscencyjne, nadajniki radiowe (w tym telefonia komórkowa), urządzenia spawalnicze itd. Ponadto zakłócenia elektrostatyczne (pochodzące m.in. od urządzeń wirujących) oraz warunki meteorologiczne (wyładowania) są powodem znacznych trudności w zapewnieniu pewności transmisji.
W niektórych sytuacjach dodatkowym źródłem zakłóceń są małe lokale gastronomiczne (rozmieszczone w pobliżu firm), w których często zainstalowane są punkty bezprzewodowego dostępu do Internetu (tzw. WiFi HotSpoots). W takich sytuacjach utrata łączności między niektórymi punktami sieci musi być automatycznie przejęta przez inne punkty. Sieć musi mieć właściwości tzw. samoorganizacji. Z czasem koniecznością będzie wyznaczenie przez stosowne instytucje państwowe (np. państwowa inspekcja radiowa) oddzielnych pasm częstotliwości dla systemów oraz infrastruktury, charakteryzujących się wymogiem wysokiego stopnia bezpieczeństwa transmisji, które nie będzie zajmowane przez inne podmioty i branże.
Współistnienie zróżnicowanych systemów transmisji radiowych w różnych rejonach firmy wykorzystującej inteligentne sieci sensorowe jest w najbliższym czasie koniecznością przy zastosowaniu odpowiednich uregulowań prawnych, w celu zachowania odpowiedniego stopnia niezawodności transmisji. Poza tym koniecznością będzie wyeliminowanie większości występujących zakłóceń oraz rozwój technologii nadajników małej mocy programowanych komputerowo. Takie rozwiązania są już dostępne. Pozwalają one na uzyskanie parametrów w zakresie sprawności i niezawodności transmisji nieporównywalnych z tradycyjnymi systemami przewodowymi. Pytanie, czy nasze polskie firmy są przygotowane na zastosowanie takich technologii w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania – pozostanie na razie chyba bez odpowiedzi. Ważnym czynnikiem w rozwoju tych technologii jest w dużej mierze praktyczna edukacja przyszłych inżynierów w zakresie stosowania nowoczesnych, interdyscyplinarnych metod nauczania w naukach technicznych.
Oferowane przez producentów czujniki nie zawsze można w prosty sposób wykorzystać do potrzeb systemów telemetrycznych. W szczególności dotyczy to zwłaszcza sieci rozproszonych, w których coraz częściej stosuje się zasilanie bateryjne. Stosowanie baterii jest często konieczne ze względu na niedostępność sieci zasilającej, szczególnie przy znacznej ilości czujników pracujących w miejscach trudno dostępnych i niekiedy niebezpiecznych w eksploatacji.
Energochłonność niektórych czujników znacząco skraca czas pracy baterii zasilających. Naturalnym sposobem pozwalającym na oszczędność baterii zasilających jest zmniejszenie okresów próbkowania oraz przechowywanie w pamięci czujnika inteligentnego małych zbiorów danych i ich okresowa transmisja do sieci telemetrycznej. Przy zastosowaniu małych częstotliwości próbkowania możliwe jest uzyskanie żywotności baterii rzędu kilku lat dla baterii o pojemności rzędu 1–2 amperogodzin, w zależności od częstotliwości transmisji danych. W czasie pomiędzy okresami transmisji urządzenie przechodzi w stan uśpienia (czuwania), co powoduje znaczne oszczędności energii. Zarządzanie energią baterii zasilających przejmuje na siebie odpowiednie oprogramowanie (będące też elementem inteligencji czujnika) oraz specjalizowane układy zasilające (z własną, sprzętowo wbudowaną inteligencją), przystosowane do pracy bateryjnej.
Bezspornym faktem jest jednak to, że baterie zasilające są bardzo istotnym problemem w dużych aplikacjach sieciowych. Projektanci muszą przewidzieć bieżące monitorowanie stanu naładowania baterii, których żywotność w dużym stopniu zależy od środowiska, w jakim pracują. Powinno się też uwzględnić koszty związane z ich funkcjonowaniem, składowaniem i wymianą. Oczywiste jest także to, że należy umożliwić ich wymianę – baterie są uważane za bardzo niebezpieczne odpady.
Omówione problemy o charakterze energetycznym są powodem do poszukiwania nowych, odnawialnych i wydajnych źródeł energii w zakresie wykorzystania takich potencjalnych źródeł, jak światło, drgania, różnice temperatur, ciśnień, ruch oraz zjawiska piezoelektryczne, które mogą występować w danym środowisku pracy zainstalowanych urządzeń. Perspektywa produkcji komercyjnych urządzeń energetycznie samowystarczalnych jest więc realna.
Telemetryczne systemy radiowe bazujące na inteligentnych czujnikach stają się coraz bardziej przyjazne dla projektantów. Filozofia taka jest o tyle uzasadniona, gdyż – jak wynika z doświadczeń producentów – opracowanie samych tylko modułów transmisyjnych (bez części sensorowej) jest niezwykle skomplikowane, czasochłonne i kosztowne. Producenci telemetrycznego sprzętu kontrolno-pomiarowego coraz częściej korzystają z takiego podejścia. Czas wejścia na rynek nowych rozwiązań bardzo gwałtownie spada, co jest oczywiście bardzo korzystne dla firm specjalizujących się w produkcji urządzeń do monitorowania parametrów środowiskowych i kontroli procesów technologicznych. Producenci wyrobów końcowych nie muszą również inwestować w bardzo kosztowny, specjalistyczny sprzęt w zakresie procesu projektowania i testowania radiowych układów wysokiej częstotliwości.
Projektowanie systemów automatyki, pomiarów i sterowania dla firm zdecydowanych na wprowadzenie technologii bezprzewodowych, powinno uwzględniać dwa zasadnicze wyzwania związane z oprogramowaniem inteligentnych czujników bezprzewodowych:
Najnowsze rozwiązania sprzętowe komercyjnie dostępnych inteligentnych czujników są już często dobrze zaprojektowane przez konstruktorów. Jednakże kwestia oprogramowania i zarządzania systemami czujników bezprzewodowych wciąż ma wiele braków. Właśnie z tego powodu firmy przemysłowe muszą zatrudniać specjalne zespoły programistów, niejednokrotnie z wyszukanymi zdolnościami, do tworzenia aplikacji systemów. Jednakże nawet w takich przypadkach głównym przedmiotem rozważań pozostają kwestie opracowania właściwych i użytecznych pakietów danych przesyłanych pomiędzy urządzeniami, nie zaś sam rozwój i opracowanie zaawansowanych funkcji wyższego poziomu dla całego systemu sterowania i monitoringu.
Zastosowanie inteligentnych czujników w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania – mimo różnych problemów – jest coraz bardziej powszechne, szczególnie przy wykorzystaniu techniki bezprzewodowej, w celu uzyskania parametrów technicznych i organizacyjnych nieporównywalnych z klasycznymi systemami przewodowymi. Należy oczekiwać wzrostu zastosowań tego typu urządzeń przez firmy zainteresowane dodatkowymi oszczędnościami w wyniku rezygnacji z kabli i przewodów oraz z powodu innych korzyści w funkcjonowaniu firmy i jej zarządzaniu.
Pojawiają się nowe obszary zastosowań inteligentnych czujników (np. zdalny monitoring stężenia gazów lub przesyłanie ważnych informacji o stanie urządzeń i obiektów inżynierskich), w których stosowane są już źródła energii oparte na ogniwach słonecznych, energii drgań, różnicy temperatur, różnicy ciśnień, ruchu oraz zjawiska piezoelektryczne itp.
W niedalekiej przyszłości projektanci systemów automatyki przemysłowej w większym stopniu będą wykorzystywać techniki przetwarzania i gromadzenia energii, przy jednoczesnym ograniczeniu zapotrzebowania na nią w układach elektronicznych zasilających bezprzewodowe sieci inteligentnych czujników. W dłuższej perspektywie czasu takie rozwiązania gwarantują uzyskanie dużej niezawodności pracy systemów monitorowania parametrów środowiskowych i kontroli procesów przemysłowych. Pozwala to na znaczne skrócenie czasu reakcji służb technicznych w stanach awaryjnych. Dodatkową zaletą systemów wykorzystujących czujniki inteligentne jest obniżenie kosztów eksploatacji procesów przemysłowych.
Jak dowodzi kilkuletnie doświadczenie autora, należy bazować na rozwiązaniach przystosowanych do konkretnych sytuacji (rodzaj monitoringu, topologia terenu, szybkość wymiany danych, warunki zasilania itp.). Należy też unikać tzw. rozwiązań uniwersalnych. System musi być zaprojektowany na miarę potrzeb. Nadmiarowość funkcji (zbyt inteligentnych) często może być źródłem znacznych problemów w eksploatacji całego systemu monitoringu. Nadmiar inteligencji – nie tylko samych czujników, ale także układów i systemów towarzyszących – wcale nie pomaga użytkownikom, a wręcz przeciwnie – może być powodem nieoczekiwanych i znacznych problemów – nie tylko natury technicznej, ale także organizacyjnej i finansowej.
[1] Kołłątaj J.: Smart sensors under electromagnetic interference influences- practical approach in design and evaluation of microelectromechanical systems in the precision engineering. XVI International Conference on EMD, 2009
[2] I2C-bus specification and user manual. NPX – Philips, 2007
[3] BS Implementers Forum: System Management Bus (SMBus) Specification. Intel
[4] Materiały katalogowe i noty aplikacyjne firm: Motorola, Dallas Semiconductor, Bosh
[5] Karolys A.: A Smart Network Sensor System for Distributed. Synchronous Data Acquisition. www.vipsensor.com
[6] Sammarco J.: A Technology of Smart Sensors with Wireless Networks for Applications in Hazardous Work Environments. DHHS (NIOSH) 2007 Publ. No 2007-114
[7] SSI protocol specification ver. 1.0, Nokia, 2005
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
