Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Реферат

на тему: Интеллектуальные датчики и исполнительные устройства

Автор: Чикаров Николай Сергеевич

1. Интеллектуальные датчики

Интеллектуальные датчики - это датчики, в которые встроен микропроцессор. Такие датчики, помимо измерений, способны преобразовывать сигнал в типовые аналоговые и цифровые значения, проводить самодиагностику, дистанционную настройку диапазона измерения и первичную обработку информации. Можно сказать, что такие датчики включают в себя функции обычного датчика и некоторые функции контроллера.

Интеллектуальные датчики так же снабжены различными сетевыми интерфейсами, что дает возможность подключить их к любой системе автоматизации.

2. Структура интеллектуальных датчиков

Интеллектуальные датчики имеют блочное строение. В зависимости от того, какие задачи и измерения будут возложены на датчик, количество и тип блоков может меняться, но всегда будут иметься два основных блока - чувствительный элемент и преобразователь.

Чувствительный элемент имеет ряд вариантов исполнения, рассчитанных на различные особенности среды измерения и конструкцию объекта измерения:

· вариант исполнения чувствительного элемента под обычную, гигиеническую и взрывоопасную среды;

· вариант соединения чувствительного элемента с конструкцией объекта измерения;

· вариант исполнения корпуса чувствительного элемента для разных температур, давлений и помех;

· варианты материалов корпуса чувствительного элемента находящихся в различных (обычной, химически агрессивной, абразивной) измерительных средах.

Преобразователь в свою очередь так же состоит из определенного набора блоков. В первую очередь преобразователь включает в себя программируемый микропроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, аналого-цифрового преобразователя и сетевой контроллер. Так же, как и чувствительный элемент, имеет различные конструктивные вариации:

· варианты корпусов под различные внешние помехи и условия окружающей среды;

· варианты выходных сигналов по параметрам и по коммуникационным возможностям;

· варианты по наличию блока питания преобразователя в нем или питанию от его постороннего источника.

3. Функции выполняемыми интеллектуальными датчиками

Так как в интеллектуальных датчиках присутствует микропроцессор, то возможности такого датчика резко увеличиваются. В отличие от обычных датчиков, интеллектуальные датчики более точные, надежные, имеют возможность исключения ошибочных входных данных и прочее. Помимо этого наиболее «продвинутые» датчики имеют еще ряд функций, которые увеличивают возможности такого датчика.

Информационные функции. Поскольку информационные датчики имеют постоянную память, то они могут хранить в себе данные об измеряемых величинах и вычислениях за заданный интервал времени. По мимо этого в памяти датчика находится информация о его характеристиках и параметрах.

Функция конфигурирования. Данная функция позволяет пользователю дистанционно настроить датчик. К примеру: выбор диапазона измерения, установка нуля, фильтрация значений и выбор наименования единиц измерения, которые потом будут поступать на операторную панель или ПК.

Функции форматирования. Эта функция позволяет пользователю отследить, в каких диапазонах измерения находится датчик и не выходит ли измеряемая величина за диапазон измерения. При этом сам датчик будет выдавать сообщение на операторную панель, если измеряемая величина вышла за диапазон.

Функция самодиагностики и самоконтроля. В процессе работы датчик постоянно проводит самодиагностику и контроль выходного сигнала. При возникновении каких-либо сбоев, нарушений или неисправностей, датчик фиксирует место возникновения и причину. Помимо этого он так же может фиксировать выход погрешности за пределы нормы и рассматривать правильность учета факторов, влияющих на выходные показания.

Есть несколько способов метрологического самоконтроля. По сути, они делятся на структурные и методические.

К структурным методам можно отнести все методы связанные с изменением структуры датчика. К примеру, мы можем внести дополнительный преобразователь и ориентируясь на данные с дополнительного преобразователя, корректировать основной датчик.

Так же мы можем внести в конструкцию датчика дополнительные однотипные чувствительные элементы, близкие между собой по точности. Затем снимая показания с каждого сенсора, мы получим их среднее значение и отклонение от среднего значения. Данное значение отклонения мы будем считать как опорное значение и при изменении среднего отклонения сенсоров от опорного, можно определить метрологическую исправность датчика.

Минусом же структурных способов метрологического контроля является стоимость таких датчиков и их массогабаритные показатели.

К методическим способам можно отнести способ функциональной избыточности. Использование данного метода предполагает априорное знание детерминированной функциональной зависимости между коэффициентом преобразования датчика и другими известными физическими параметрами датчика.

Плюсом же такого метода является отсутствие необходимости введения в конструктив дополнительных элементов.

Обычно информация о неисправностях таких датчиков делятся на 2 категории:

· Не критическая информация, при которой датчик требует обслуживания, но информация с него достоверна и может использоваться в дальнейших узлах системы;

· Критическая информация, при которой датчик сообщает о неисправности, либо о том, что его данные неверны и необходимо вмешательство оператора.

Функции преобразования. Кроме преобразования измеряемой величины в величину пригодную для дальнейшего использования, датчик проводит её линеаризацию, фильтрацию, коррекцию, стандартизацию диапазонов выходных аналоговых сигналов, расчет выходных значений по заданным алгоритмам и аналого-цифровое преобразование.

4. Стандарты семейства IEEE 1451

С течением времени интеллектуальные датчики стали пользоваться спросом и активно разрабатываться. Вместе с этим возникла проблема согласования датчиков, как с измерительными системами, так и с сетями.

Ввиду этого в 1994 году в рамках института IEEE и Американского национального института стандартов и технологий началась работа по упрощению интеграции интеллектуальных преобразователей, в частности и датчиков.

Данный стандарт подразумевает собой единый для всех преобразователей набор интерфейсов. Но так как с течением времени возникают новые интерфейсы, то в данный стандарт могут входить и дополнительные интерфейсы, рассчитанные как на индивидуальную, так и на совместную работу.

Продолжается разработка двух новейших стандартов, предназначенных для аналоговых датчиков и высокоскоростных распределенных систем.

Рисунок 1 - Стандарт IEEE1451 определяет набор дополняющих интерфейсов для интеллектуальных датчиков

Близок к завершению проект стандарта IEEE P1451.1, определяющего способы обращения аналоговых преобразователей к самоописательной информации (в целях упрощения операций самонастройки).

Стандарт определяет смешанный интерфейс, в котором, наряду с обычным сигналом аналогового датчика, используется недорогой цифровой канал доступа к электронной спецификации TEDS (Transducer Electronic Data Sheet), встроенной в датчик в целях самоидентификации.

Сохраняя совместимость с аналоговыми системами предыдущего поколения, подобные самонастраивающиеся датчики обеспечивают такие преимущества, как упрощение конфигурирования и обслуживания всей системы, совершенствование учета использования датчиков и повышение степени целостности данных.

На практике концепции и методы стандарта IEEE P1451.4 уже используются в контрольно-измерительных системах с большим количеством датчиков (наподобие систем структурного тестирования).

Продолжаются работы над стандартом IEEE P1451.3, который определяет цифровую многоотводную шину преобразователя, рассчитанную на подключение большого числа физически разделенных датчиков. Спецификация IEEE P1451.3 будет поддерживать технологию TEDS, широкополосные датчики (с частотой до нескольких сотен кГц) и временную синхронизацию на шине.

Стандарты IEEE P1451.4 и P1451.3 являются последними членами семейства IEEE 1451 Smart Transducer Interface. Утверждено и опубликовано уже два стандарта из этого семейства.

Стандарт IEEE 1451.1-1999 "Network Capable Application Processor Information (NCAP) Model" определяет единую объектную модель для подключаемых к сети интеллектуальных преобразователей и содержит спецификации интерфейсов.

В стандарте IEEE 1451.2-1997 "Transducer to Microprocessor Communication Protocol and TEDS Formats" определен цифровой двухточечный интерфейс для подключения модуля интеллектуального преобразователя с цифровым выходом к микропроцессорному сетевому адаптеру.

Кроме того, в стандарте IEEE 1451.2 впервые появилась концепция TEDS. Обеспечивающие самоидентификацию встроенные спецификации TEDS, являются, пожалуй, наиболее популярными компонентами и ключевыми элементами всего семейства IEEE 1451.[5]

Кроме всего вышеперечисленного данный стандарт закрепляет и устоявшиеся понятия. В данном стандарте интеллектуальный датчик описывается как датчик, выполняющий функции для правильного представления измеряемой величины. В данные функции входят помимо измерения, нормализации и коррекции еще и, вышеуказанный, самоконтроль и цифровой интерфейс.

5. Интерфейсы, поддерживаемые интеллектуальными датчиками

Так как интеллектуальные датчики имеют возможность общаться по сети, то стоит поговорить и о поддерживаемых интерфейсах сети.

Один из способов передачи информации является использование токовой петли от 4 до 20 мА. Информация передается при помощи тока в диапазоне от 4 до 20 мА, по тем же проводам, что и питание датчика. Минусом же такого способа является то, что можно передавать только одну переменную. Протокол Скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (Highway Addressable Remote Transducer, HART) дает возможность передавать больше информации по той же двухпроводной системе.

Кроме HART-протокола используются еще и другие интерфейсы, такие как USB, IEEE-488, RS-232 и RS-485, а так же различные варианты промышленных сетей, таких как ProfiBus, Fieldbus, DeviceNet, Interbus, CANbus, Modbus, LIN.

6. Пример интеллектуального датчика

В качестве примера интеллектуального датчика разберем датчик Сапфир-22МПС компании «Теплоприбор». Данный датчик является датчиком давления. Имеет различные вариации для различных давлений. В качестве примера возьмем серию 2051-2351

Рисунок 2 - Схема преобразователей моделей 2051, 2151, 2161, 2171, 2351

Мембранный тензопреобразователь 4 размещен внутри корпуса 6. Измеряемое давление подается в камеру 5 и воздействует на мембрану тензопреобразователя. Полость 3 сообщена с окружающей атмосферой. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается в электронный блок 1.

В преобразователях модели 2051 полость 3 вакууммирована до остаточного давления 1·10-2 мм.рт.ст. и отделена от окружающей атмосферы гермовводом.

Электрический сигнал от тензопреобразователя из измерительного блока поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует выходное напряжение тензопреобразователя (ТП) в цифровой код. АЦП управляется микропроцессором (МП) и имеет встроенную систему автоматической коррекции погрешностей. Датчик температуры (Т) выдает сигнал, для автоматической коррекции температурных погрешностей измерительного блока. МП осуществляет управление работой всех узлов электронного блока с учетом индивидуальных характеристик измерительного блока, АЦП и ЦАП и производит коррекцию температурных погрешностей прибора. Калибровочные данные, зависящие от температуры, записываются и хранятся в запоминающем устройстве ЗУ.

Рисунок 3 - Блок схема электронного преобразователя

Записанные данные сохраняются при отключении энергопитания, поэтому при включении питания датчик сразу нормально функционирует. Скорректированный код передается в ЦАП, где преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал (I).[11]

Данный датчик работает с интерфейсами HART и RS-232.

7. Плюсы и минусы интеллектуальных датчиков

Пожалуй, начну с минусов, так как их, на мой взгляд, крайне мало и сводится только к одному - это его стоимость относительно обычного датчика.

Теперь перейдем к плюсам.

1. У таких датчиков значительно меньше искажений, чем у обычных, ввиду того, что вместо низковольтного аналогового сигнала, который сильно подвержен внешним воздействиям, идут цифровые сигналы, на которые помехи оказывают меньше воздействия.

2. В данных, снятых с таких датчиков, можно не сомневаться, так как в них реализован метрологический самоконтроль, который гарантирует на выходе с датчика правильный и точный сигнал. При этом в случае сбоя или поломки сообщает оператору, указывая на место поломки.

3. Простота установки и обслуживание датчика.

4. Возможность построения датчика, в котором могут быть однотипные или разнотипные чувствительные элементы, но при этом подключенные к одному преобразователю.

5. Возможность изменять измеряемый диапазон датчика прямо с операторной панели.

На мой взгляд, интеллектуальные датчики в скором времени вытеснят обычные датчики, так как цена на микропроцессоры постепенно падает, а, следовательно, и падает цена интеллектуальных датчиков. При этом возможности, которые дают нам такие датчики увеличиваются. И даже сейчас такие датчики в ходе их эксплуатации дают нам возможность сэкономить копеечку, так как обслуживание у таких датчиков дешевле, количество кабелей связи уменьшается, ввиду того, что к таким шинам можно подключить до 100 датчиков. К тому же благодаря таким датчикам уменьшаются потери на производстве.

8. Интеллектуальные исполнительные устройства

Интеллектуальные исполнительные устройства - это устройства, которые способны совершать сложные траекторные движения, контролировать собственное состояние и адаптироваться к изменению внешней среды. Такие устройства были придуманы для того, что бы избавить механические узлы от функциональной нагрузки и передать ее интеллектуальным узлам. Благодаря такому решению мы получаем возможность, при помощи программирования, настраивать исполнительный механизм под необходимые нам задачи.

9. Структура интеллектуальных исполнительных устройств

Интеллектуальные исполнительные устройства строятся по принципу модульности, но при этом в каждом таком устройстве есть стандартный набор модулей.

1. Двигатель - электрический двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую. Примером может служить асинхронный трехфазный двигатель.

2. Силовой преобразователь - это источник энергии для двигателя. Примером может служить преобразователь частоты.

3. Передаточное устройство - это устройство необходимо для того, что бы соединить вал двигателя и регулирующий орган объекта управления. Примером может служить муфта или кинематические устройства типа редукторов.

4. Датчик - необходим для того чтобы преобразовать механические величины в электрический сигнал для последующих узлов управления. Примером может служить тахогенератор.

5. Контроллер - необходим для того, чтобы управлять силовым преобразователем, для достижения необходимой нам работы двигателя. При этом связь контроллера с силовым преобразователем, датчиком и операторной панелью происходит с помощью сетевых интерфейсов.

10. Плюсы интеллектуальных исполнительных устройств

1. Упрощение кинематических устройств, улучшение точности и динамических показателей.

2. Уменьшенные массогабаритные показатели.

3. Низкая стоимость настройки и обслуживания.

4. Способность выполнять сложные движения.

К минусам так же можно отнести их стоимость, относительно обычных исполнительных устройств.

11. Пример интеллектуального исполнительного устройства

Интеллектуальный электропневматический позиционер SIPART PS2 компании «Siemens» используется для управления поворотными или линейными регулирующими клапанами. Прибор устанавливает регулирующий орган (например, МИМ) в положение, соответствующее электрическому входному управляющему сигналу. Дополнительные функциональные входы могут быть использованы для блокировки клапана или для установки в безопасное положение, они имеются в наличии в стандартной модели.

Рисунок 4 - Электропневматические позиционеры SIPART PS2 компании «Siemens»

Для применения во взрывоопасных зонах существуют варианты исполнения Exi и Exd. В позиционер могут быть встроены дополнительные модули: положения клапана (4..20мА), сигнализации конечных положений клапана (2 реле), дополнительных цифровых сигналов (ошибки, конечных положений), цифровой сигнал HART.

Электропневматический позиционер SIPART PS2 используется, например, в следующих отраслях:

· химия

· электростанции

· бумага и стекло

· пищевая и фармацевтическая промышленность

· оффшорные установки

Позиционеры SIPART PS2 поставляются:

· для приводов простого действия: в пластиковом корпусе, корпусе из нерж. стали или алюминия

· для приводов двойного действия: в пластиковом корпусе и корпусе из нерж. стали

· для взрывобезопасных приложений

· для взрывоопасных приложений в версиях

o как искробезопасный прибор (EEx ia/ib) или

o во взрывонепроницаемом корпусе (EEx d) или

o с типом взрывозащиты Ex n (non sparking)

и в трёх вариантах:

· с коммуникацией 0/4 ... 20 мА - техника управления через сигнал HART (опция)

· с коммуникационным интерфейсом PROFIBUS PA (EEx ia)

· с коммуникационным интерфейсом Foundation Fieldbus (FF).

Принцип работы. Сравнение заданной и действительной величин позиции привода осуществляется электронно в микроконтроллере. При фиксации микроконтроллером отклонения регулируемой величины он управляет пьезовентилями по методу 5-ти позиционного выключателя, через которые происходит дозировка воздуха в камеры пневматического привода. В соответствии с величиной и направлением рассогласования (отклонение заданное значение w - управляющее воздействие x) микроконтроллер подает на соответствующий пьезовентиль электрическую управляющую команду. Пьезовентиль преобразует управляющую команду в пневматическое приращение управляющего воздействия.

1. Интеллектуальные датчики, их сети и информационные системы © 2012 г. В.А. Васильев, П.С. Чернов

2. Интеллектуальные датчики в системах промышленной автоматизации О. В. Шишов

3. https://das-elektro.de/article3

4. https://www.compel.ru/lib/90230

5. https://helpiks.org/2-7775.html

6. https://www.nstu.ru/files/dissertations/dissertaciya_marchenkoio201501011_1421336671.pdf

7. https://helpiks.org/8-91288.html

8. https://elenergi.ru/nuzhny-li-intellektualnye-datchiki-sovremennym-promyshlennym-sistemam.html

9. https://cyberleninka.ru/article/n/metrologicheskiy-samokontrol-v-intellektualnom-akusticheskom-piezoelektricheskom-datchike/viewer

10. https://simatic-s7-1200.ru/g18593811-elektropnevmaticheskie-pozitsionery-sipart

11. http://теплоприбор.рф/catalog/sapfir-22mps/

12. https://cyberpedia.su/14xdbfc.html

Размещено на Allbest.ru