スマートセンサーとその使用法
GOST R 8.673-2009 GSI によると、「インテリジェント センサーとインテリジェント測定システム。基本用語と定義」にあるように、インテリジェント センサーは、外部信号から変化する作業アルゴリズムとパラメーターを含む適応センサーであり、計測自己制御機能も実装されています。
スマート センサーの特徴は、1 回の障害後に自己修復および自己学習する機能です。英語の文献では、このタイプのセンサーは「スマート センサー」と呼ばれています。この用語は 1980 年代半ばに定着しました。
現在、スマート センサーは、ADC、マイクロプロセッサ、デジタル シグナル プロセッサ、システム オン チップなどの電子機器と、ネットワーク通信プロトコルをサポートするデジタル インターフェイスが組み込まれたセンサーです。このように、スマート センサーは、他のデバイスとともにネットワーク内での自己識別機能のおかげで、無線または有線のセンサー ネットワークに含めることができます。
スマート センサーのネットワーク インターフェイスを使用すると、ネットワークに接続するだけでなく、センサーの設定、構成、動作モードの選択、センサーの診断も行うことができます。これらの操作をリモートで実行できることはスマート センサーの利点であり、操作と保守が簡単です。
この図は、スマート センサーの基本ブロックを示すブロック図であり、センサーをスマート センサーとして考えるために必要な最小限のものです。入力アナログ信号 (1 つ以上) は増幅され、その後、さらなる処理のためにデジタル信号に変換されます。
ROM には校正データが含まれており、マイクロプロセッサは受信したデータと校正データを関連付け、修正して必要な測定単位に変換します。したがって、さまざまな要因 (ゼロドリフト、温度の影響など) の影響に関連する誤差は、補償され、状態は主トランスデューサと同時に評価されるため、結果の信頼性に影響を与える可能性があります。
処理の結果得られた情報は、ユーザーのプロトコルを使用したデジタル通信インターフェースを介して送信されます。ユーザーは、センサーの測定限界やその他のパラメーターを設定できるだけでなく、センサーの現在の状態や測定結果に関する情報を取得することもできます。
最新の集積回路 (システム オン チップ) には、マイクロプロセッサに加えて、メモリや、高精度のデジタル/アナログおよびアナログ/デジタル コンバータ、タイマー、イーサネット、USB、シリアル コントローラーなどの周辺機器が含まれています。このような集積回路の例には、Analog Devices の ADuC8xx、Atmel の AT91RM9200、Texas Instruments の MSC12xx が含まれます。
インテリジェント センサーの分散ネットワークにより、技術プロセスによって状態が常に動的に変化する複雑な産業機器のパラメーターのリアルタイムの監視と制御が可能になります。
スマート センサーには単一のネットワーク標準が存在せず、これが無線および有線センサー ネットワークの積極的な開発にとって一種の障害となっています。それにもかかわらず、今日では RS-485、4 ～ 20 mA、HART、IEEE-488、USB などの多くのインターフェイスが使用されています。産業用ネットワークの動作: ProfiBus、CANbus、Fieldbus、LIN、DeviceNet、Modbus、Interbus。
この状況により、ネットワーク プロトコルごとに同じ変更を加えた個別のセンサーを製造することは経済的に実行可能ではないため、センサー メーカーの選択に関する問題が生じました。一方、IEEE 1451規格群「インテリジェントトランスデューサインターフェース規格」の登場により条件が緩和され、センサーとネットワーク間のインターフェースが統一されました。この規格は、個々のセンサーからセンサー ネットワークに至るまで、適応を加速するように設計されており、センサーをネットワークに接続するためのソフトウェアおよびハードウェアの方法をいくつかのサブグループで定義しています。
したがって、IEEE 1451.1 および IEEE 1451.2 標準では、2 つのクラスのデバイスが記述されています。最初の標準は、スマート センサーをネットワークに接続するための統一インターフェイスを定義します。これは、センサー自体の STIM モジュールと外部ネットワーク間の一種のブリッジである NCAP モジュールの仕様です。
2 番目の標準は、STIM スマート コンバータ モジュールをネットワーク アダプタに接続するためのデジタル インターフェイスを指定します。 TEDS の概念は、ネットワーク内でのセンサーの自己識別の可能性のために、センサーの電子パスポートを意味します。TEDS には、製造日、モデルコード、シリアル番号、校正データ、校正日、測定単位が含まれます。その結果、センサーとネットワーク用のプラグ アンド プレイのアナログが実現し、簡単な操作と交換が保証されます。多くのスマート センサー メーカーはすでにこれらの標準をサポートしています。
ネットワークへのセンサーの統合によって得られる主な点は、センサーの種類や特定のネットワークの構成に関係なく、ソフトウェアを通じて測定情報にアクセスできる可能性があることです。それは、センサーとユーザー (コンピューター) の間の橋渡しとして機能し、技術的問題の解決に役立つネットワークであることが判明しました。
したがって、スマート メーター システムは、センサー レベル、ネットワーク レベル、ソフトウェア レベルの 3 つのレベルで表すことができます。最初のレベルはセンサー自体のレベルであり、通信プロトコルを備えたセンサーです。 2 番目のレベルはセンサー ネットワーク レベルで、センサー オブジェクトと問題解決プロセスの間のブリッジです。
3 番目のレベルはソフトウェア レベルで、システムとユーザーの対話がすでに暗示されています。ここでのソフトウェアは、センサーのデジタル インターフェイスに直接結び付けられていないため、完全に異なるものになる可能性があります。システム内では、サブシステムに関連するサブレベルも可能です。
近年、スマート センサーの開発はさまざまな方向に進んでいます。
1. センサー内部の強力なコンピューティングを必要とする新しい測定方法。これにより、センサーを測定環境の外に配置できるようになり、読み取り値の安定性が向上し、運用上の損失が軽減されます。センサーには可動部品がないため、信頼性が向上し、メンテナンスが簡素化されます。測定対象物の設計がセンサーの動作に影響を与えず、設置費用も安価になります。
2. ワイヤレスセンサーは間違いなく有望です。空間に分散された移動物体には、自動化手段であるコントローラーとの無線通信が必要です。無線技術機器は安価になり、品質も向上しており、多くの場合、無線通信はケーブルよりも経済的です。各センサーは、独自のタイムスロット (TDMA)、独自の周波数 (FDMA)、または独自のコーディング (CDMA)、最後に Bluetooth で情報を送信できます。
3. 小型センサーは産業機器に組み込むことができ、オートメーション機器は外付けではなく、技術プロセスを実行する機器の不可欠な部分になります。数立方ミリメートルのセンサーが温度、圧力、湿度などを測定し、データを処理してネットワーク経由で情報を送信します。機器の精度と品質が向上します。
4. マルチセンサーセンサーの利点は明らかです。一般的なコンバータは、複数のセンサー、つまり複数の個別のセンサーではなく 1 つの多機能センサーからのデータを比較して処理します。
5. 最後に、センサーの知能が向上します。価値の予測、強力なデータ処理と分析、完全な自己診断、障害予測、メンテナンスのアドバイス、ロジック制御と調整。
時間の経過とともに、スマート センサーはますます多機能な自動化ツールになり、「センサー」という用語自体が不完全で単なる条件付きのものになるでしょう。