Inteligentne czujniki w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania

Zastosowanie czujników inteligentnych w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania

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.