أجهزة الاستشعار الذكية واستخدامها
وفقًا لـ GOST R 8.673-2009 GSI "المستشعرات الذكية وأنظمة القياس الذكية. المصطلحات والتعريفات الأساسية "، أجهزة الاستشعار الذكية عبارة عن أجهزة استشعار تكيفية تحتوي على خوارزميات العمل والمعلمات المتغيرة من الإشارات الخارجية ، والتي يتم فيها أيضًا تنفيذ وظيفة ضبط النفس المترولوجي.
السمة المميزة لأجهزة الاستشعار الذكية هي القدرة على الشفاء الذاتي والتعلم الذاتي بعد فشل واحد. في أدبيات اللغة الإنجليزية ، تسمى أجهزة الاستشعار من هذا النوع "أجهزة الاستشعار الذكية". المصطلح عالق في منتصف الثمانينيات.
اليوم ، المستشعر الذكي عبارة عن مستشعر يحتوي على إلكترونيات مدمجة ، بما في ذلك: ADC ، والمعالج الدقيق ، ومعالج الإشارات الرقمية ، والنظام على الرقاقة ، وما إلى ذلك ، وواجهة رقمية تدعم بروتوكولات الاتصال بالشبكة. بهذه الطريقة ، يمكن تضمين المستشعر الذكي في شبكة مستشعر لاسلكية أو سلكية ، وذلك بفضل وظيفة التعريف الذاتي في الشبكة جنبًا إلى جنب مع الأجهزة الأخرى.
لا تسمح لك واجهة الشبكة الخاصة بالمستشعر الذكي بتوصيله بالشبكة فحسب ، بل تتيح لك أيضًا تكوينها وتكوينها وتحديد وضع التشغيل وتشخيص المستشعر. القدرة على أداء هذه العمليات عن بعد هي ميزة من المستشعرات الذكية ، فهي أسهل في التشغيل والصيانة.
يوضح الشكل مخططًا للكتل يوضح الكتل الأساسية لجهاز الاستشعار الذكي ، وهو الحد الأدنى الضروري حتى يتم اعتبار المستشعر على هذا النحو. يتم تضخيم الإشارة التناظرية الواردة (واحدة أو أكثر) ، ثم تحويلها إلى إشارة رقمية لمزيد من المعالجة.
يحتوي ROM على بيانات المعايرة ، ويربط المعالج الدقيق البيانات المستلمة ببيانات المعايرة ، ويصححها ويحولها إلى وحدات القياس الضرورية - وبالتالي فإن الخطأ المرتبط بتأثير العوامل المختلفة (الانجراف الصفري ، وتأثير درجة الحرارة ، وما إلى ذلك) هو يتم تعويضه ويتم تقييم الحالة في وقت واحد مع محول الطاقة الأساسي ، مما قد يؤثر على موثوقية النتيجة.
يتم نقل المعلومات التي يتم الحصول عليها نتيجة للمعالجة من خلال واجهة اتصال رقمية باستخدام بروتوكول المستخدم. يمكن للمستخدم ضبط حدود القياس والمعلمات الأخرى لجهاز الاستشعار ، وكذلك الحصول على معلومات حول الحالة الحالية للمستشعر ونتائج القياسات.
تشمل الدوائر المتكاملة الحديثة (الأنظمة الموجودة على شريحة) ، بالإضافة إلى المعالجات الدقيقة ، الذاكرة والأجهزة الطرفية مثل المحولات الدقيقة من الرقمية إلى التناظرية ومن التناظرية إلى الرقمية ، وأجهزة ضبط الوقت ، وشبكة إيثرنت ، ووحدات تحكم USB والمتسلسلة. تتضمن أمثلة هذه الدوائر المتكاملة ADuC8xx من الأجهزة التناظرية ، و AT91RM9200 من Atmel ، و MSC12xx من Texas Instruments.
تتيح الشبكات الموزعة لأجهزة الاستشعار الذكية إمكانية المراقبة والتحكم في الوقت الفعلي لمعلمات المعدات الصناعية المعقدة ، حيث تغير العمليات التكنولوجية حالتها ديناميكيًا طوال الوقت.
لا يوجد معيار شبكة واحد لأجهزة الاستشعار الذكية وهذا نوع من العوائق أمام التطوير النشط لشبكات الاستشعار اللاسلكية والسلكية. ومع ذلك ، يتم استخدام العديد من الواجهات اليوم: RS-485 ، 4-20 مللي أمبير ، HART ، IEEE-488 ، USB ؛ أعمال الشبكات الصناعية: ProfiBus و CANbus و Fieldbus و LIN و DeviceNet و Modbus و Interbus.
أثار هذا الوضع مسألة اختيار مصنعي أجهزة الاستشعار ، حيث أنه ليس من المجدي اقتصاديًا أن ينتج كل بروتوكول شبكة مستشعرًا منفصلاً بنفس التعديل. وفي الوقت نفسه ، أدى ظهور مجموعة معايير IEEE 1451 "معايير واجهة المحول الذكي" إلى تخفيف الظروف ، وتم توحيد الواجهة بين المستشعر والشبكة. تم تصميم المعايير لتسريع التكيف - من أجهزة الاستشعار الفردية إلى شبكات الاستشعار ، تحدد عدة مجموعات فرعية طرق البرامج والأجهزة لتوصيل أجهزة الاستشعار بالشبكة.
وبالتالي ، تم وصف فئتين من الأجهزة في معايير IEEE 1451.1 و IEEE 1451.2. يحدد المعيار الأول واجهة موحدة لتوصيل أجهزة الاستشعار الذكية بالشبكة ؛ هذه هي مواصفات وحدة NCAP ، وهي نوع من الجسور بين وحدة STIM الخاصة بالمستشعر نفسه والشبكة الخارجية.
يحدد المعيار الثاني واجهة رقمية لتوصيل وحدة المحول الذكي STIM بمحول الشبكة. ينطوي مفهوم TEDS على جواز سفر إلكتروني لجهاز الاستشعار ، لإمكانية التعريف الذاتي له في الشبكة.يشمل TEDS: تاريخ الصنع ، رمز الطراز ، الرقم التسلسلي ، بيانات المعايرة ، تاريخ المعايرة ، وحدات القياس. والنتيجة هي التوصيل والتشغيل التناظري لأجهزة الاستشعار والشبكات ، والتشغيل السهل والاستبدال مضمون. يدعم العديد من مصنعي أجهزة الاستشعار الذكية هذه المعايير بالفعل.
الشيء الرئيسي الذي يوفره تكامل المستشعرات في الشبكة هو إمكانية الوصول إلى معلومات القياس من خلال البرنامج ، بغض النظر عن نوع المستشعر وكيفية تنظيم شبكة معينة. اتضح أنها شبكة تعمل كجسر بين المستشعرات والمستخدم (الكمبيوتر) ، مما يساعد على حل المشكلات التكنولوجية.
وبالتالي ، يمكن تمثيل نظام القياس الذكي بثلاثة مستويات: مستوى المستشعر ومستوى الشبكة ومستوى البرنامج. المستوى الأول هو مستوى المستشعر نفسه ، جهاز استشعار مع بروتوكول اتصال. المستوى الثاني هو مستوى شبكة المستشعر ، وهو الجسر بين كائن المستشعر وعملية حل المشكلة.
المستوى الثالث هو مستوى البرنامج ، والذي يعني بالفعل تفاعل النظام مع المستخدم. يمكن أن يكون البرنامج هنا مختلفًا تمامًا لأنه لم يعد مرتبطًا مباشرة بالواجهة الرقمية لأجهزة الاستشعار. المستويات الفرعية المتعلقة بالأنظمة الفرعية ممكنة أيضًا داخل النظام.
في السنوات الأخيرة ، اتخذ تطوير أجهزة الاستشعار الذكية عدة اتجاهات.
1. طرق قياس جديدة تتطلب حوسبة قوية داخل المستشعر. سيمكن ذلك من وضع أجهزة الاستشعار خارج البيئة المقاسة ، وبالتالي زيادة استقرار القراءات وتقليل الخسائر التشغيلية. لا تحتوي المستشعرات على أجزاء متحركة ، مما يحسن الموثوقية ويبسط الصيانة.لا يؤثر تصميم جسم القياس على تشغيل المستشعر ويصبح التثبيت أرخص.
2. أجهزة الاستشعار اللاسلكية واعدة بلا شك. تتطلب الأجسام المتحركة الموزعة في الفضاء اتصالاً لاسلكيًا بوسائل التشغيل الآلي مع وحدات التحكم. أصبحت الأجهزة التقنية اللاسلكية أرخص ، وتتزايد جودتها ، وغالبًا ما يكون الاتصال اللاسلكي أكثر اقتصادا من الكابلات. يمكن لكل مستشعر إرسال المعلومات على الفتحة الزمنية الخاصة به (TDMA) ، أو على تردده الخاص (FDMA) أو مع الترميز الخاص به (CDMA) ، وأخيرًا Bluetooth.
3. يمكن دمج أجهزة الاستشعار المصغرة في المعدات الصناعية ، وستصبح معدات الأتمتة جزءًا لا يتجزأ من المعدات التي تؤدي العملية التكنولوجية ، وليس إضافة خارجية. سيقيس جهاز استشعار بحجم عدة مليمترات مكعبة درجة الحرارة والضغط والرطوبة وما إلى ذلك ، ومعالجة البيانات ونقل المعلومات عبر الشبكة. ستزداد دقة وجودة الأدوات.
4. ميزة أجهزة الاستشعار المتعددة واضحة. سيقوم المحول الشائع بمقارنة البيانات من عدة مستشعرات ومعالجتها ، أي ليس عدة مستشعرات منفصلة ، بل مستشعر واحد ، ولكنه متعدد الوظائف.
5. أخيرًا ، سيزداد ذكاء أجهزة الاستشعار. التنبؤ بالقيمة ، معالجة البيانات القوية وتحليلها ، التشخيص الذاتي الكامل ، التنبؤ بالأخطاء ، نصائح الصيانة ، التحكم المنطقي والتنظيم.
بمرور الوقت ، ستصبح المستشعرات الذكية أدوات أتمتة متعددة الوظائف أكثر فأكثر ، والتي حتى مصطلح "المستشعر" نفسه سيصبح غير مكتمل ومشروط فقط.