Inteligentní senzory Doplněná inovovaná přednáška Verze 1 Zpracoval: Vladimír Michna Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory První definice inteligentního snímače z roku 1978 (Beckenbridge a Husson): Inteligentní snímač obsahuje funkce pro zpracování měřených dat, automatickou korekci měřených dat, dokáže automaticky detekovat a eliminovat abnormální a nesprávné hodnoty. Obsahuje také sadu algoritmů, které umožňují reagovat na změnu vnějších podmínek. Nejedná se tedy o skutečnou inteligenci přístrojů, ale o snímače, které v současnosti splňují požadavky: programovatelné zesílení linearizace, filtrace a normalizace měřeného signálu (nastavení rozsahu, ...) možnost automatické korekce vlivu parazitních veličin (rušení, teplota, ...) potlačení šumu a verifikace platnosti naměřených dat autokalibrace a autodiagnostika statistické funkce hlídání mezí obousměrná číslicová komunikace (asi nejdůležitější vlastnost) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory V počátcích regulační techniky se skládal regulační řetězec: tedy pro jednu fyzikální veličinu a jeden rozsah: jedno čidlo (někdy dvojité – regulace a registrace) jeden regulátor NEZÁMĚNNÝ s jiným (třeba i pro stejné čidlo, ale JINÝ ROZSAH nebo s JINÝM VÝSTUPEM) použitý regulátor na KONSTANTNÍ (nastavenou) hodnotu omezená vzdálenost (rušení) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Pro složitější regulace (zónová rafinační pec pro tavení Si)  pro každou zónu nutný celý regulační řetězec, v nejlepším případě vlečná, případně programová regulace Proto unifikované (standardizované) signály (regulační vstupní i výstupní): pneumatické: 20 až 100 kPa elektrické – napěťové: 0 až 10 VDC - 10 až +10 VDC - 5 až + 5 VDC - proudové: 0 až 20 mADC 4 až 20 mADC 20 až 4 mADC (reverzní) Výhody: menší sortiment regulátorů (přístrojů obecně) možnost zapojit více přístrojů na jeden signál Nevýhody: nutnost převodníku(ů) přirozeného na unifikovaný (případně číslicový) signál Převodník – buď součást čidla  senzor - nebo separátní, umístěný u čidla nebo u regulátoru (nutnost napájení, kabeláž ...) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Vývoj signálových standardů INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Stále musí být pro jednu fyzikální veličinu celý řetězec. Je-li k dispozici ČÍSLICOVÝ SIGNÁL  ČÍSLICOVÉ MĚŘÍCÍ (řídící) SYSTÉMY Číslicový měřící systém představuje takovou sestavu přístrojů a zařízení, která umožňuje komplexní řešení měřící úlohy a její automatické provedení (od jednoduchého příkazu ke změření veličiny ke komplexnímu měřícímu postupu, včetně na př. nastavování měřícího rozsahu přístroje, alarmů ...) Řídící i funkční jednotky použité v měřícím systému musí být vybaveny odpovídajícím ROZHRANÍM (interface)  KOMUNIKACE Pro komunikaci (přenos nejen naměřených dat, ale i instrukcí, příkazů ...  obousměrný přenos) musí být technické prostředky  SBĚRNICE (BUS) Tedy pro měření více (mnoha) veličin není potřeba pro každou zvlášť celý měřící řetězec  průmyslové DISTRIBUOVANÉ (rozlehlé) systémy Protože bylo v průmyslových provozech množství měřících (i regulačních, registračních ...) přístrojů, zpracovávajících unifikovaný proudový signál 4 až 20 mA, které nebylo možno najednou vyměnit za číslicové (zlikvidovat), vyvstala potřeba „hybridního“ (dovolujícího současný přenos analogového i číslicového signálu) způsobu přenosu dat (informací)  INTELIGENTNÍ (SMART) přístroje s protokolem HART INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory POZNÁMKA: přístroje SMART s protokolem HART jsou pouze jednou, i když zajímavou skupinou inteligentních přístrojů. Obecnou a snad hlavní vlastností inteligentních přístrojů je obousměrná komunikace, jejíž pomocí získaly vlastnosti popsané v dalším textu. Blokové schéma nejjednoduššího měřícího řetězce: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Blokové schéma inteligentního měřícího řetězce: ČS – čidlo senzoru MOZ – měřící obvod a zesilovač OZS – obvody zpracování signálu A / Č – analogově číslicový převodník MP – mikropočítač (mikrokontroler)  jednočip nebo sběrnicový systém R – rozhraní (pro komunikaci) P – nadřazený výpočetní systém (měřící nebo sběr dat...) 1 – přirozený signál 2 – zesílený el. signál (na př. i unifikovaný) 3 – zpracovaný el. signál (na př. unifikovaný, linearizovaný, integrovaný...) 4 – číslicový signál 5 – komunikace INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Funkce jednotlivých bloků (nelze striktně rozdělit): vstupní část (ČS, MOZ, OZS) převod neelektrické veličiny na elektrickou, zesílení a filtrace signálu, linearizace převodní charakteristiky, normování signálu, ochrana proti působení parazitních vlivů, atd. Může také zajišťovat přepínání více vstupních veličin (pokud je senzor snímá), hlavní veličina tak může být korigována vzhledem k rušivým veličinám, např. teplotě. vnitřní část (A/Č, MP) A/Č převod, autokalibrace elektrické části měřicího řetězce, autodiagnostika, aritmetické operace, číslicová linearizace, statistické vyhodnocování naměřených dat, hlídání mezí, možnost přidání umělé inteligence. výstupní část (MP, R) unifikace analogových výstupních signálů, číslicově – analogový převod, signalizace vlastní funkce a stavu, komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, apod. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory INTELIGENTNÍ (SMART) přístroje s protokolem HART inteligentní ? ANO: na rozdíl od přístrojů, zpracovávajících spojitý (přirozený nebo unifikovaný) JEDNOSMĚRNÝ signál, dovoluje protokol HART: použít spojitý jednosměrný proudový signál 4 až 20 mA a tedy ponechat původně osazené analogové přístroje (ukazovací, registrační, regulační...) SOUČASNĚ s analogovou komunikací komunikovat OBOUSMĚRNĚ digitálně, aniž se po dobu číslicové komunikace přeruší nebo ztratí analogový signál Popsaný (simultánní) přenos umožňuje, mimo přenosu naměřených hodnot, také: ověření funkčnosti všech částí inteligentního přístroje diagnostiku přístroje dálkové (programové) nebo lokální (hardwarové) nastavení pracovního rozsahu nebo kalibraci přístroje přenos více naměřených hodnot (až 4 v jedné zprávě) s větší přesností než analogový signál nastavení alarmu v případě poruchy nebo překročení nastavených mezí INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Výhody přístrojů SMART s protokolem HART: vyšší SPOLEHLIVOST udávaná střední doba do poruchy u snímače tlaku 114 51 (ZPA (JSP, s.r.o.) Nová Paka) je 200 roků konfigurační a korekční data o snímači zůstanou nedotčena i po vypnutí napájení mikroprocesorová elektronika technologií povrchové montáže (SMD) vyšší PŘESNOST měření provádí se autokalibrace snímače (elektronika obsahuje procesor) měřená veličina z čidla je nejprve počítačově korigována, pak převedena na výstupní analogový proudový signál 4 až 20 mA jednodušší a přesnější KALIBRACE snímače; nastavení počátku a konce rozsahu (nuly a plného rozsahu) lze: dvěma tlačítky pod víkem elektroniky (hardwarově – lokálně) po datové lince buď komunikátorem („kalkulačkou“), nebo z PC s příslušným softwarem Poznámka: během komunikace se NEPŘERUŠÍ výstupní analogový signál INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory nižší PROVOZNÍ NÁKLADY na jednu přenosovou linku je možno připojit až 15 přístrojů SMART. V tomto případě je komunikace POUZE digitální (viz. dále Provoz přístrojů SMART). V případě poruchy některého z přístrojů SMART probíhá číslicová komunikace ostatních přístrojů bez přerušení. Pomocí komunikátoru lze nastavit snímač tak, aby generoval speciální výstupní signál pro testování celého napájecího obvodu Blokové schéma elektroniky SMART snímače tlaku 114 51 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Vedle výhod uvedených u SMART snímačů s protokolem HART se za výhody inteligentních senzorů považují ještě na př.: omezení a kompenzace rušivých vlivů pomocí digitálního přenosu informace dálková diagnostika senzorů pomocí obousměrné komunikace po sběrnicích; ta usnadňuje rozšíření SMART senzorů na těžko přístupných místech možnost zapojení do sítě. Umožněním adresace senzorů lze jednotlivé senzory centrálně nastavovat a testovat možnost decentralizovaného zpracování naměřených hodnot. V rozsáhlých měřících systémech dochází k výraznému snížení zátěže centrálního subsystému, uvolněný výkon centra lze využít na jiné účely kontrola integrity údajů (např. vyloučením z fyzikálního hlediska rozporných výsledků). K verifikaci dat se využívá informací z vestavěných testovacích senzorů Nevýhody inteligentních senzorů: cena omezené použití v těžkých podmínkách (agresivní prostředí, vysoké teploty, magnetické pole...) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Princip funkce přístrojů SMART s protokolem HART Protokol HART pracuje s technikou přepínání frekvence (FSK, t.j. Frequency Shift Keying) a je založen na komunikačním standardu Bell 202. Digitální komunikace se uskutečňuje namodulováním frekvenčního sinusového signálu na analogový proudový signál 4 až 20 mA. Digitální signál je tvořen z kmitočtů 1200 a 2200 Hz, které představují bitové informace „1“ (H), resp. „0“ (L). Jelikož je STŘEDNÍ HODNOTA namodulovaného střídavého sinusového signálu rovna 0, neovlivní digitální komunikace analogový signál a jde tedy o skutečnou současnou analogovou i číslicovou komunikaci INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Způsoby seriové číslicové komunikace INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Způsob provozu přístrojů SMART s protokolem HART „z bodu do bodu“ (peer-to-peer) pouze pro JEDEN přístroj SMART připojený k jednomu NEBO dvěma řídícím (zobrazovacím) přístrojům. Adresa přístroje SMART je 0  je funkční analogová i číslicová komunikace. Jsou dva režimy digitální komunikace: „dotaz – odpověď“  řídící přístroj (MASTER) si od inteligentního přístroje informace vždy vyžádá rychlost komunikace: 2 dotazy/sek pro jednu proměnnou (jeden přístroj může předávat až 4 naměřené údaje v jedné zprávě) periodický režim („burst“)  přístroj SMART údaje o procesu (naměřené hodnoty) průběžně vysílá, aniž by je MASTER musel žádat rychlost komunikace: 3,7 aktualizací/sek pro jednu proměnnou INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Protokol HART podporuje až dva digitální komunikační řídící přístroje. Inteligentní senzory Protokol HART podporuje až dva digitální komunikační řídící přístroje. Pokud řídící systém nevyužívá komunikační schopnost protokolu HART, lze např. používat současně ruční komunikátor a PC s komunikačním rozhraním INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory síť „Multidrop“ více inteligentních přístrojů na jedné komunikační lince, ale komunikace pouze digitální. Přístroje SMART mají adresy nenulové (adresy  0)  analogové výstupy všech přístrojů se nastaví na 4 mA a komunikace je pouze digitální režim komunikace je pouze „dotaz – odpověď“ Počet přístrojů SMART na jedné komunikační lince: jsou-li přístroje napájeny ze společného napájecího zdroje (pasivní proudový signál 4 až 20 mA)  max 15 přístrojů jsou-li přístroje napájeny odděleně od komunikace (každý přístroj má svůj napáječ)  počet přístrojů bez omezení INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Protokol HART umožňuje funkci Multidrop Inteligentní senzory Protokol HART umožňuje funkci Multidrop u více inteligentních přístrojů INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inteligentní senzory Technické parametry protokolu HART: Způsob přenosu dat: kódování změnou frekvence (FSK) Přenosová rychlost: 1200 Bd (bit/s) Frekvence pro bit „0“ : 2200 Hz Frekvence pro bit „1“ : 1200 Hz Přenosová rychlost u jedné proměnné: režim „dotaz – odpověď“ : 2,0 /s periodický režim „burst“ : 3,7 /s Maximální počet přístrojů v síti „Multidrop“: napájení smyčkou: 15 individuální napájení: bez omezení Specifikace pro více proměnných: max. počet proměnných pro jeden polní přístroj: 256 Max. počet řídících přístrojů (Masterů): 2 Ruční komunikátor HART INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ