Глава 8 «интеллектуальные» датчики

8.1. Особенности «интеллектуальных» датчиков физических величин

Появление «интеллектуальных» датчиков [99] и их быстрое распространение на мировом рынке заставило провести детальный анализ рынка существующих изделий, выделить особенности и преимущества «интеллектуальных» устройств по отношению к традиционным. Современные датчики электрических величин представляет собой сложную систему разнородных компонентов – аналоговых и цифровых электронных схем, алгоритмов измерения и конструктивных элементов. Все чаще в них встраиваются микропроцессоры, позволяющие за счет математической обработки информации непосредственно в процессе измерения и активного управления измерением значительно повысить точность. Тенденция «интеллектуализации» датчиков физических величин приводит к чрезвычайному усложнению процесса проектирования, который носит системный характер и невозможен без использования средств автоматизации. В то же время микропроцессорные датчики, как объекты проектирования, имеют особенности, затрудняющие развитие и применение средств автоматизированного проектирования.

Особенности и преимущества, получаемые от использования «интеллектуальных» датчиков связаны с привлечением вычислительных ресурсов в сам датчик. Обработка данных производится в каждом индивидуальном датчике, в отличие от обработки в центральном контроллере системы, как в большинстве традиционных систем. При этом интеллектуальный датчик наряду с получением обычной полезной информации может быть динамически запрограммирован в зависимости от изменений в требованиях пользователя. Это уменьшает необходимость в дорогих, специально ориентированных на данное приложение датчиках, так как дешевые программируемые общецелевые датчики достаточны для большинства приложений.

Применение цифровых методов обработки информации позволяет повысить не только качество измерений, но и значительно расширить функции приборов. Кроме уже известных возможностей (настройка пределов измерения, фильтрация сигнала, корректировка погрешностей) появляются и другие функции (реализация функций регуляторов, задание допустимых значений, самодиагностика, увеличение объема передаваемой информации по полевым шинам и др.).

В настоящее время датчико-преобразующую аппаратуру (ДПА), имеющую цифровой выход, можно разделить на 3 группы:

1. Датчики, имеющие аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и интерфейс для связи с ПЭВМ типа RS–232, RS–422, RS–485. Устройства данного типа не имеют встроенного микроконтроллера и осуществляют только оцифровку аналогового сигнала с дальнейшей передачей на ПЭВМ.

2. Датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер и интерфейс связи. Такие устройства осуществляют внутреннюю коррекцию получаемого аналогового сигнала, а ряд из них уже используют протоколы связи типа Hart, Modbus и др. Настройка параметров данных датчиков осуществляется в основном локально (вручную с помощью коммуникаторов различных типов).

3. Датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер (или специализированный микропроцессор) и дуплексную связь с ПЭВМ. Подобные устройства имеют в основном интерфейс RS-485 и осуществляют связь с ПЭВМ по протоколам более высокого уровня: Profibus, Fieldbus Foundation и др. Данные приборы позволяют оператору непосредственно с пульта управления осуществлять настройку их параметров и режимов работы, проводить диагностику и калибровку. Это дает возможность исключить промежуточные звенья в цепи распределенных систем – программно-логические контроллеры, сократить расходы на проводку, контактные соединения и упростить техническое обслуживание за счет дистанционной диагностики и конфигурирования. Поэтому датчики этой группы можно называть «интеллектуальными».

Анализ отечественных и зарубежных средств измерений показал увеличение доли ДПА со встроенными микроконтроллерами. Например, датчики давления с микроконтроллерами выпускаются зарубежными компаниями Fisher–Rosemount, Honeywell, Endress & Hauser, Yokogawa, Valcom и рядом других. Из предприятий СНГ следует отметить Метран, Манометр и Элемер. Датчики температуры выпускаются компаниями Fisher–Rosemount, Yokogawa, Valcom. Основная погрешность большинства таких средств измерений не превышает 0,1%. В области измерения уровня выделяются уровнемеры фирм Fisher–Rosemount, Endress & Hauser, Kronhe, Vega. Их основная погрешность составляет около 0,1–0,25%. Однако, процент датчиков, относящихся к третьей группе, составляет не более 30–40%.

В настоящее время интенсивно создаются многофункциональные измерительные преобразователи, которые относятся только к «интеллектуальным» устройствам (группа 3). Примерами являются:

• кориолисовы расходомеры (в них осуществляется контроль температуры и измерение расхода);

• преобразователь 3095MV фирмы Fisher–Rosemount, который воспринимает разность температур, температуру и давление;

• расходомер Sitraus F фирмы Siemens, контролирующий расход по форме колебаний, температуру потока по амплитуде и детектирующий толщину отложений на стенках прибора.

Таким образом, переход от централизованной системы управления к распределенной [100], появление дешевых специализированных микропроцессоров [101] дает возможность выделить из общей автоматизированной системы управления отдельные локальные задачи, решение которых можно поручить «интеллектуальным» датчикам. Такое построение существенно увеличивает производительность, надежность и масштабы применения автоматических систем управления технологическими процессами.