Проектирование беспроводных датчиков для систем управления промышленными электроприводами ф.Ф. Хусаинов (маэ02-12-01), м.И. Хакимьянов

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа)

Технологические процессы в топливно-энергетическом комплексе промышленности, такие как добыча, транспортировка и переработка нефти и газа, требуют глубокого внедрения автоматических систем контроля и управления. Современные системы контроля и управления представляют собой многоуровневые комплексы, назначение которых – обеспечение максимальной производительности и надежности работы технологических установок во время всего цикла работы.

К оборудованиюавтоматических систем контроля и управления относят датчики, различные контроллеры, станции управлении и телеметрические каналы передачи информации, которые могут быть проводными, оптическими, радиомодемными, сотовыми и спутниковыми.

С недавнего времени при проектировании таких систем наметилась тенденция к использованию беспроводных технологий, так как применение датчиков с проводным интерфейсом часто вызывает определенные трудности, связанные с монтажем датчиков на подвижных и вращающихся объектах, где кабель быстро изнашивается и обрывается, а также с установкой в труднодоступных и удаленных местах. Также необходимо отметить, что организация беспроводных каналов передачи информации в большинстве случаев обходится значительно дешевле, чем прокладка специальных кабельных сетей.

Однако применение беспроводных датчиков связано с некоторыми эксплуатационными неудобствами, такими как необходимость регулярной замены элементов питания, дальность передачи радиосигнала и ограниченное применение из-за климатических условий.

Решением перечисленных выше неудобств может быть использование новых типов химических элементов питания (литиевых,серебряно-цинковых и других), которые имеют высокую емкость (до 10 А·ч и выше) и сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур (при температурах до минус 30…40ºС и ниже), а также появление новых малопотребляющих электронных компонентов и радиоинтерфейсов, позволяющих проектировать датчики, обеспечивающие длительный ресурс работы без замены элементов питания [1].

Одним из перспективных направлений решения описанных выше проблем является использование альтернативных источников энергии: солнечных батарей, тепла, измеряемого электрического напряжения в датчиках электрических величин, напряжения, вырабатываемого пьезогенераторами в датчиках веса и силы.

На рисунке 1 представлена предложенная авторами структурная схема датчика усилияс беспроводным интерфейсом, питание которого осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой пьезогенератором. Устройство может использоваться в системах динамометрирования штанговых глубиннонасосных установок, где прикладываемые к датчику усилия достаточно велики (до 100 кН), не требуется обеспечение высоких метрологических характеристик и высокой частоты измерений.

Датчикустанавливается в узле канатной подвески станка-качалки и измеряет усилие, возникающее между траверсами при возвратно-поступательном движении штока. Датчик содержит чувствительные элементы ЧЭ, измерительную цепь ИЦ, аналогово-цифровой преобразователь АЦП, микроконтроллер МК и радиопередатчик РП. Питание всех элементов датчика осуществляется от аккумуляторной батареи АКБ, которая подзаряжается электроэнергией, вырабатываемой пьезогенератором ПГ при его циклическом непрерывном нагружении.

Рисунок 1 – Структурная схема беспроводного датчика усилия с пьезогенератором для систем динамометрирования

Все электронные компоненты такого датчика должны иметь малое энергопотребление, а также в перерывах между измерениями переключаться в «спящий режим». Современные микроконтроллеры, построенные по «нановаттной» технологии, обладаютдостаточно низким энергопотреблением. В «спящем режиме» обеспечивается потребление до 100 нА, встроенные часы потребляют 800 нА. Характеристики некоторых из таких микроконтроллеров приведены в таблице 1.

Таблица 1  Сравнение характеристик микроконтроллеров

	MSP430F21X1	PIC16LF72X	PIC18F14K50	PIC24F16KA102
Количество выводов	20/24	28/44	20	20/28
Flashпамять программ	4-8	3.5-14	8-16	8-16
Объем энергонезависимой памяти данных EEPROM, байт			256	512
ОЗУ, байт	256	368	768	1536
Потребление в режиме «глубокого сна», нА				20
Потребление в режиме «сна», нА	100	20	24	25
Время выхода из режима «сна», мкс	3	5	5	1
Потребление WDT, нА	700	500	450	420
Потребление RTC, нА	700	500	790	520
Потребление при работе на частоте 1MГц, мкA	250	110	170	195

В качестве радиоинтерфейса целесообразно использовать протокол «ZigBee», обладающий рядом существенных достоинств, таких как низкое энергопотребление и гибкие возможности построения сетей передачи данных [2, 3].

Следует отметить, что при снижении уровня энергопотребления датчика разработчики ограничивают быстродействие и метрологические характеристики устройства. Так, использование всевозможных программных алгоритмов цифровой обработки сигналов, фильтрации и интегрирования способны значительно увеличить потребляемый микроконтроллером ток.

Таким образом, могут быть сделаны следующие выводы:

1 Преимуществом беспроводных датчиков является возможность установки в труднодоступных и удаленных местах, на подвижных и вращающихся объектах, где применение устройств с проводным интерфейсом затруднительно.

2 Современная микроэлектронная элементная база позволяет проектировать устройства с низким энергопотреблением, которые способны обеспечить длительную работу с автономным питанием.

3 При использовании альтернативных возобновляемых источников энергии можно значительно увеличить ресурс непрерывной работы беспроводных датчиков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 М.И. Хакимьянов.Беспроводные технологии в промышленных датчиках // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов: межвузовский сборник научных трудов / редкол.: В.А. Шабанов и др.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. – С. 189-198.

2 Алексеев В. Полностью законченные ZigBee–модули фирмы Radiocrafts // Компоненты и технологии, №3, 2006.

3 Байчаров С. Выбор технологии беспроводного обмена данными для решения задач автоматизации систем жизнеобеспечения офиснопроизводственных помещений // Беспроводные технологии, №2, 2007.

УДК 681.568.5