Лекция 27. Современные датчики и тенденции их развития

Выделяются новые свойства, появившиеся у датчиков при их ос­нащении микропроцессорами. Рассматриваются тенденции разви­тия этих свойств, превращающие датчики во все более развитые многофункциональные измерительные устройства.

Введение: становление понятия «интеллектуальные датчики»

В последние годы на предприяти­ях всех отраслей большое внимание уделяется дооснащению и переосна­щению производства современными измерительными средствами — датчиками. Это связано с рядом технических и экономических причин:

— существующий на предприятиях приборный парк устарел и не отвечает требованиям к точности измерений;

— ряд важных показателей работы агрегатов оперативно не измеряется, что сказывается на качестве и себестоимости продукции, а, следовательно, снижает конкурентоспособ­ность производства;

— значительный подъем цен на энергоносители заставляет повышать требования к их учету, что ведет к необходимости дооснащения измерительного парка датчиками высокой точности, стабильности, надежности;

— эффективность управления производством на всех уровнях зависит в первую очередь от полноты и точности оперативного контроля и учета производственных показателей, т. е. от достаточно полного оснаще­ния производства соответствующими датчиками;

— качество работы систем автоматизации технологических процессов в значительной степени определяется качеством работы их основного звена — существующих датчиков, а они нередко ограничивают точность и стабильность поддержания заданного режима процесса.

Из-за этого наблюдается устойчивый рост спроса на все типы датчиков общепромышленного назначения. Удовлетворяется этот спрос несколькими десятками приборостроительных предприятий России и значительным числом зарубежных производителей, работающих на отечественном рынке через свои представительства, партнеров и дилеров. Большое число и разно­образие предложений на данном секторе рынка позволяет заказчикам делать достаточно рациональный выбор, а производителей заставляет тщательно отслеживать конкурентоспособность своих изделий. Помощь может принести объективное осве­щение современного рынка датчиков и тенденций развития на ближайшие годы.

Структурно любые датчики состо­ят из двух взаимосвязанных блоков: чувствительного элемента (сенсора) и преобразователя.

Состав и конструкция сенсора определяются типом измеряемой вели чины и методом ее восприятия, осо­бенностями размещения сенсора в из­меряемой среде и имеющимися поме­хами измерению со стороны окружа­ющей среды. Из-за этого разнообразие сенсоров, даже предназначенных для измерения одной и той же вели­чины, велико.

Роль преобразователя заключается в восприятии выходной характе­ристики или выходного сигнала сенсора; его преобразования, если это требуется, в электрический сигнал; усиления до нужных для передачи на значительное расстояние значений; вычислительной обработки, если она требуется и может быть реализована в преобразователе. Указанные функ­ции преобразователя действительны для любых видов сенсоров, поэтому их разнообразие, по сравнению с раз­нообразием сенсоров, существенно меньше. До внедрения микропроцес­соров в средства автоматизации обработка сигналов сенсора в преобразо­вателях была минимальна, а элемен­ты преобразователей являлись аналоговыми устройствами; последние и сейчас еще используются в выпускаемых датчиках устаревшего типа.

Широкое внедрение микропроцес­сорной техники в средства автомати­зации и распространение микропро­цессорных контроллеров, с одной стороны, вызвало ряд трудностей, связанных с подключением их к дат­чикам, но с другой стороны — позво­лило революционно пересмотреть сам состав преобразователя и выполняе­мые им функции, скомплектовав пре­образователь из микропроцессорных элементов. Современный преобразо­ватель состоит из аналоге цифрового преобразователя, программируемого микропроцессора с оперативным и постоянным модулями памяти и сетевого контроллера для передачи выходных сигналов датчика другим средствам автоматики.

Таким образом, основная особенность современных датчиков — их оснащение микропроцессорным пре­образователем. За последние несколь­ко десятилетий стоимость микропро­цессорных элементов постоянно и значительно снижалась. Это позволи­ло непрерывно наращивать мощность применяемых микропроцессоров, сох­раняя разумную стоимость датчиков (удорожание не превышает 20%).

В настоящее время современным датчиком может считаться микропро­цессорное многофункциональное программируемое измерительное средство, поддерживающее связь с типовыми цифровыми сетями. Такое измерительное средство получило на­именование «интеллектуальный датчик».

Перспективное развитие датчиков напрямую обусловлено включением в них все более мощных и быстродей­ствующих микропроцессорных эле­ментов и расширение их функций.

ФОРМИРОВАНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫХОДОВ ДАТЧИКА

Коммуникационная открытость датчиков обеспечивается соответствием их выходных сигналов стандартам на аналоговые сигналы и протоколы цифровых сетей.

Следует подчеркнуть важное преи­мущество цифровой формы выходного сигнала датчика — резкое уменьшение искажений измерительной информа­ции, так как цифровой сигнал, в отли­чие от низковольтного аналогового, нес­равнимо меньше подвержен электричес­ким и магнитным промышленным помехам, наводимым в канале передачи.

Большинство выпускаемых интел­лектуальных датчиков поддерживают сетевой HART-протокол, который был разработан в середине 80-х годов и стандартизирован в Америке. Про­токол нацелен на связь контроллера с интеллектуальными датчиками и пре­дусматривает два варианта их связи.

В первом варианте реализуется связь каждого датчика с контроллером по отдельной паре проводов, по кото­рой может проходить как стандартный выходной аналоговый сигнал датчика (например, 4...20 мА), так и цифро­вые сигналы. Последние в этом слу­чае содержат дополнительную инфор­мацию о работе прибора.

Во втором варианте связи реали­зуется соединение ряда датчиков с контроллером по одной паре прово­дов; в этом случае по паре проводов проходят только цифровые сигналы, характеризующие как значение изме­ряемой величины, так и дополнитель­ную информацию о работе датчика.

Поскольку сеть разработана почти двадцать лет назад, основные ее характеристики несколько устарели: к сети может быть теоретически подк­лючено до 15 датчиков, но на практи­ке стабильная работа обеспечивается лишь при подключении не более чем 8 приборов; при этом длина сети не должна превышать 1,5 км, а скорость передачи данных — всего 1200 бит/с.

В последние несколько лет почти все разрабатываемые датчики снабже­ны сетевыми контроллерами, обеспе­чивающими интерфейс с одной из стандартизированных в 1999 году цифровых сетей: PROFIBUS или Foundation Fieldbus (международный стандарт IEC 6115).

Сеть PROFIBUS поддерживает два вида протоколов: протокол Profibus DP для быстрой коммуника­ции контроллеров с удаленными средствами (в том числе с интеллекту­альными датчиками) и протокол Profibus PA, который используется для тех же целей, но во взрывоопас­ных средах.

Сеть имеет достаточно современ­ные характеристики: физически пере­дача данных осуществляется по экра­нированной витой паре или оптоволо­конному кабелю; общее число датчи­ков на сети — порядка 100; скорость передачи данных на витой паре — от 9,6 Кбит/с до 1,5 Мбит/с; длина се­ти на витой паре — до 1,2 км или до 4,8 км с повторителями; на оптово­локне — до 23 км.

Сеть Foundation Fieldbus также является перспективной стандартной полевой сетью. Базовый вариант се­ти — Foundation Fieldbus HI (FF HI) обеспечивает работу приборов во взрывоопасной среде. В варианте Foundation Fieldbus H2, близком по характеристикам к варианту FF HI, специфика работы приборов во взры­воопасной среде не учитывается.

Основные характеристики сети FF HI: среда передачи данных — витая пара; скорость передачи данных — 31,25 Кбит/с; число подключаемых к сети датчиков — до 30; периодический цикл передачи информации с учетом отработки в датчиках вычислительных программ составляет 50 мс.

В ряде датчиков применяется комплектация их сетевым контролле­ром, обеспечивающим связь с любой из перечисленных сетей по требова­нию заказчика.

Основная коммуникационная перспектива датчиков — добавление к ним функции радиосвязи с другими средствами автоматики, т. е. создание беспроводных интеллектуальных дат­чиков. Техническая перспективность их использования для широкого кру­га промышленных объектов бесспор­на. Разработчики просматривают раз­ные стратегии разделения радиокана­лов: кодовое разделение, множественный доступ во времени или по часто­те. Начат выпуск некоторых видов датчиков, передающих выходной сиг­нал по беспроводной высокопроизводительной радиосети Bluetooth.