Přenos informace Systémy pro sběr a přenos dat • centralizované a distribuované systémy • pojem „inteligentní senzor“ • standard IEEE 1451
Centralizované a distribuované systémy I
Centralizovaný systém Krokový motor
Modem Kamera Řidicí počítač systému
Sensor výšky hladiny
Senzor vzdálenosti Snímač tlaku Termočlánek
Centralizované a distribuované systémy I
Centralizovaný systém – hvězdicovité propojení senzorů a akčních členů s řídicím uzlem • řídicí uzel zpracovává data ze senzorů a vyhodnocuje akční zásahy – vyhrazený komunikační kanál • komunikace s kterýmkoli senzorem či akčním členem je možná kdykoliv • pro přenos informace je obvykle využito napětí nebo proud – citlivé na rušivé vlivy – omezená přenosová kapacita, jednosměrná komunikace
– senzory i akční členy jsou obvykle „hloupá“ zařízení • bez lokální inteligence, ale levnější – nízká flexibilita – totální závislost na centrálním uzlu
Centralizované a distribuované systémy I
Distribuovaný systém – vzhledem k dále uvedeným přednostem se stále více využívají v praxi Sensor polohy Snímač tlaku
T
Modem
Krokový motor
Bus
T
Termočlánek
Sensor výšky hladiny Kamera
Řídicí počítač systému
Centralizované a distribuované systémy I
Distribuovaný systém – rozlehlé systémy byly téměř vždy realizovány jako distribuované • toto dělení je zajímavé především pro oblast průmyslové automatizace a vozidel – číslicový přenos dat • vysoká odolnost vůči vnějšímu rušení, detekce chyb • možnost přenosu více různých hodnot a parametrů • dostupnost dat pouze v časově diskrétních okamžicích • typicky obousměrná komunikace – vyšší flexibilita • jednodušší rozšiřování fyzické infrastruktury – uzly systému jsou inteligentní senzory a akční členy – lze budovat systémy nezávislé na centrálním uzlu • zcela distribuované aplikace • zálohovaný centrální uzel
Inteligentní senzor (akční člen) I
Kromě vlastní funkce (tj. převod měřené fyzikální veličiny na veličinu elektrickou) implementuje celou řadu dalších funkcí, umožňujících: – – – – –
zvýšení linearity a přesnosti snížení vlivu jiných fyzikálních veličin omezení vlivu vnějšího rušení autodiagnostiku lokální zpracování a vyhodnocení vybraných parametrů • průměrná hodnota, překročení maxima či minima • dočasná archivace dat – číslicová komunikace • vzdálená parametrizace • přenos různých hodnot měřené veličiny – lokální uživatelské rozhraní
Inteligentní senzor I
Blokové schéma – ne všechny bloky musí být implementovány ! Klasický senzor Komunikační rozhraní
Buzení
Senzor/ Převodník
Pomocné senzory
Úprava signálu
A/D převod
analogová část
On-line zpracování dat & řízení
číslicová část
Off-line zpracování dat
Uživatelské rozhraní
Inteligentní senzor I
Funkce bloků – senzor/převodník • vlastní snímač fyzikální veličiny (termočlánek, fotodioda …) • různé formy elektrického výstupu (napětí, proud, náboj, odpor …)
– blok úpravy signálu • • • •
zesílení a konverze signálu (obvykle na napětí) galvanická izolace, filtrace, detekce korekce nelinearity korekce vlivu jiných fyzikálních veličin
– buzení senzoru • napájení ss. nebo st. proudem nebo napětím • elektromechanické buzení apod.
Inteligentní senzor I
Funkce bloků – A/D převod • různé typy převodníků dle požadavků na rychlost a rozlišení – s postupnou aproximací – se sigma-delta modulací – komparační (flash) převodníky
– on-line zpracování dat • součást úpravy signálu, ale již v digitální doméně • linearizace, korekce vlivu jiných fyzikálních veličin • řízení buzení senzoru
– off-line zpracování dat • vyhodnocení požadovaných parametrů (např. extrémy) • lokální uložení dat, odhad trendu, diagnostika …
Inteligentní senzor I
Funkce bloků – uživatelské rozhraní (HMI – Human Machine Interface) • není příliš časté, pouze tam, kde se předpokládá lokální přítomnost či zásahy uživatele • display, klávesnice • obvykle poskytuje přístup pouze k základním funkcím
– komunikační rozhraní • implementuje technické a programové prostředky nezbytné pro začlenění do distribuovaného systému požadovaného typu • existuje mnoho desítek různých standardů těchto systémů, ať již otevřených nebo proprietárních • pokusem o modulární konstrukci senzorů umožňující relativně snadné připojení do libovolného systému je standard IEEE1451
Standard IEEE1451 I
standard dělí inteligentní senzor na 2 části, komunikující prostřednictvím definovaného rozhraní – NCAP (Network Capable Application Processor) • blok zajišťující přístup k síti – vlastní senzor vybavený popisem ve formě TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) • TEDS obsahuje popis samotného senzoru, jednotlivých kanálů pro načítání dat a také kalibrační data – standard definuje příkazy a protokoly pro komunikaci mezi těmito bloky nezávisle na fyzické vrstvě – existuje několik variant připojení NCAP bloku k samotným senzorům • TII (Transducer Independent Interface) • TBIM (Transducer Bus Interface Module) • rádiový přenos (WiFi, ZigBee) • CANopen
Standard IEEE1451 struktura standardu Distribuovaný systém
1451.1, P1451.0 NCAP or Instrument
1451.1, P1451.0 NCAP
1451.1, P1451.0 NCAP or Access Point
1451.3 TBIM S
P1451.2 STIM S
A
A 1451.3 TBIM
S
A
MMI (Mixed Mode Interface)
WiFi 1451.4 MMX S
1451.1, P1451.0 NCAP CANopen
1451.1, P1451.0 NCAP
TII/UART
I
ZigBee P1451.5
A
S
P1451.6
A S
Bluetooth 1451.4 MMX S
A
A
P1451.5
S
- senzor
S
A
- akční člen
A
Příklady inteligentních senzorů I
Micronas HAL805 – programovatelná Hallova sonda – měření vzdálenosti či úhlu natočení – lze programovat: • citlivost • polohu nuly • rozsah výstupního napětí
– lze kompenzovat vliv charakteristiky magnetického materiálu – výstup je buď analogový (viz následující blokové schéma) nebo PWM – programování se děje číslicově prostřednictvím napájecího pinu, odezvy jsou na výstupním pinu
Příklady inteligentních senzorů I
Blokové schéma Hallovy sondy HAL805 firmy Micronas VCC
supply circuits
temperature compensation
switched Hall probe
A/D converter
supply level decoding GND
circuit protection
oscillator
DSP
EEPROM parameters lock
D/A converter
digital output
100
OUT
Příklady inteligentních senzorů I
Yokogawa EJA510 – – – –
rezonanční senzor tlaku měření tlaku kapalin v potrubích je kompenzován vliv okolní teploty lze programovat: • hodnotu nuly snímače • rozsah výstupních číslicových hodnot • maximální a minimální hodnoty alarmu
– senzor je vybaven autodiagnostikou – senzor lze připojit prostřednictvím sběrnic HART nebo Foundation Fieldbus
Příklady inteligentních senzorů I
Blokové schéma snímače tlaku EJA510 firmy Yokogawa sensor parameters (EEPROM)
setup parameters (EEPROM)
Microprocessor Signal processing, computing, self-diagnostics, communication control
excitation circuit
lowpressure side
highpressure side
clock generator
MAU
external zero adjust
Converter block
LCD display (optiona)
Capsule
communication controller
fieldbus communication
