Les capteurs intelligents et leur utilisation

Selon GOST R 8.673-2009 GSI "Capteurs intelligents et systèmes de mesure intelligents. Termes et définitions de base ", les capteurs intelligents sont des capteurs adaptatifs contenant des algorithmes de travail et des paramètres changeant à partir de signaux externes, et dans lesquels la fonction d'autocontrôle métrologique est également implémentée.

Une caractéristique distinctive des capteurs intelligents est la capacité à s'auto-réparer et à s'auto-apprendre après une seule panne. Dans la littérature anglo-saxonne, les capteurs de ce type sont appelés « smart sensor ». Le terme est resté au milieu des années 1980.

Aujourd'hui, un capteur intelligent est un capteur avec une électronique embarquée, comprenant : ADC, microprocesseur, processeur de signal numérique, système sur puce, etc., et une interface numérique prenant en charge les protocoles de communication réseau. De cette manière, le capteur intelligent peut être inclus dans un réseau de capteurs sans fil ou filaire, grâce à la fonction d'auto-identification dans le réseau avec d'autres appareils.

L'interface réseau d'un capteur intelligent permet non seulement de le connecter au réseau, mais également de le configurer, de le configurer, de sélectionner un mode de fonctionnement et de diagnostiquer le capteur. La possibilité d'effectuer ces opérations à distance est un avantage des capteurs intelligents, ils sont plus faciles à exploiter et à entretenir.

La figure montre un schéma de principe montrant les blocs de base d'un capteur intelligent, le minimum nécessaire pour que le capteur soit considéré comme tel. Le signal analogique entrant (un ou plusieurs) est amplifié, puis converti en un signal numérique pour un traitement ultérieur.

La ROM contient des données d'étalonnage, le microprocesseur corrèle les données reçues avec les données d'étalonnage, les corrige et les convertit dans les unités de mesure nécessaires - ainsi l'erreur associée à l'influence de divers facteurs (dérive du zéro, influence de la température, etc.) est compensée et la condition est évaluée simultanément avec le transducteur primaire, ce qui peut affecter la fiabilité du résultat.

Les informations obtenues à la suite du traitement sont transmises via une interface de communication numérique utilisant le protocole de l'utilisateur. L'utilisateur peut définir les limites de mesure et d'autres paramètres du capteur, ainsi qu'obtenir des informations sur l'état actuel du capteur et les résultats des mesures.

Les circuits intégrés modernes (systèmes sur puce) comprennent, en plus d'un microprocesseur, de la mémoire et des périphériques tels que des convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique de précision, des minuteries, des contrôleurs Ethernet, USB et série. Des exemples de tels circuits intégrés comprennent ADuC8xx d'Analog Devices, AT91RM9200 d'Atmel, MSC12xx de Texas Instruments.

Les réseaux distribués de capteurs intelligents permettent la surveillance et le contrôle en temps réel des paramètres d'équipements industriels complexes, où les processus technologiques changent dynamiquement leur état tout le temps.

Il n'existe pas de norme de réseau unique pour les capteurs intelligents, ce qui constitue une sorte d'obstacle au développement actif des réseaux de capteurs sans fil et filaires. Néanmoins, de nombreuses interfaces sont aujourd'hui utilisées : RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB ; les réseaux industriels fonctionnent : ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Cet état de fait a posé la question du choix des fabricants de capteurs, car il n'est pas économiquement viable que chaque protocole réseau produise un capteur séparé avec la même modification. Parallèlement, l'émergence du groupe de normes IEEE 1451 "Intelligent Transducer Interface Standards" a assoupli les conditions, l'interface entre le capteur et le réseau est unifiée. Les normes sont conçues pour accélérer l'adaptation - des capteurs individuels aux réseaux de capteurs, plusieurs sous-groupes définissent des méthodes logicielles et matérielles pour connecter des capteurs à un réseau.

Ainsi, deux classes de dispositifs sont décrites dans les normes IEEE 1451.1 et IEEE 1451.2. La première norme définit une interface unifiée pour connecter des capteurs intelligents au réseau ; c'est la spécification du module NCAP, qui est une sorte de pont entre le module STIM du capteur lui-même et le réseau externe.

La deuxième norme spécifie une interface numérique pour connecter un module convertisseur intelligent STIM à un adaptateur réseau. Le concept TEDS implique un passeport électronique du capteur, pour la possibilité de son auto-identification dans le réseau.Le TEDS comprend : la date de fabrication, le code du modèle, le numéro de série, les données d'étalonnage, la date d'étalonnage, les unités de mesure. Le résultat est un plug and play analogique pour les capteurs et les réseaux, une utilisation et un remplacement faciles garantis. De nombreux fabricants de capteurs intelligents prennent déjà en charge ces normes.

L'intégration de capteurs dans un réseau offre principalement la possibilité d'accéder aux informations de mesure via un logiciel, quel que soit le type de capteur et l'organisation d'un réseau donné. Il s'avère être un réseau qui sert de pont entre les capteurs et l'utilisateur (ordinateur), aidant à résoudre les problèmes technologiques.

Ainsi, un système de comptage intelligent peut être représenté par trois niveaux : niveau capteur, niveau réseau, niveau logiciel. Le premier niveau est le niveau du capteur lui-même, un capteur avec un protocole de communication. Le deuxième niveau est le niveau du réseau de capteurs, le pont entre l'objet capteur et le processus de résolution de problèmes.

Le troisième niveau est le niveau logiciel, qui implique déjà l'interaction du système avec l'utilisateur. Le logiciel ici peut être complètement différent car il n'est plus directement lié à l'interface numérique des capteurs. Des sous-niveaux liés à des sous-systèmes sont également possibles au sein du système.

Ces dernières années, le développement des capteurs intelligents a pris plusieurs directions.

1. Nouvelles méthodes de mesure nécessitant un calcul puissant à l'intérieur du capteur. Cela permettra aux capteurs d'être situés en dehors de l'environnement mesuré, augmentant ainsi la stabilité des lectures et réduisant les pertes opérationnelles. Les capteurs ne comportent aucune pièce mobile, ce qui améliore la fiabilité et simplifie la maintenance.La conception de l'objet de mesure n'affecte pas le fonctionnement du capteur et l'installation devient moins chère.

2. Les capteurs sans fil sont indéniablement prometteurs. Les objets en mouvement répartis dans l'espace nécessitent une communication sans fil avec les moyens de leur automatisation, avec des contrôleurs. Les appareils techniques radio deviennent moins chers, leur qualité augmente, la communication sans fil est souvent plus économique que le câble. Chaque capteur peut transmettre des informations sur son propre créneau temporel (TDMA), sur sa propre fréquence (FDMA) ou avec son propre codage (CDMA), enfin Bluetooth.

3. Des capteurs miniatures peuvent être intégrés dans des équipements industriels, et les équipements d'automatisation deviendront une partie intégrante de l'équipement qui exécute le processus technologique, et non un ajout externe. Un capteur d'un volume de plusieurs millimètres cubes va mesurer la température, la pression, l'humidité, etc., traiter les données et transmettre les informations sur le réseau. La précision et la qualité des instruments augmenteront.

4. L'avantage des capteurs multi-capteurs est évident. Un convertisseur commun comparera et traitera les données de plusieurs capteurs, c'est-à-dire non pas plusieurs capteurs séparés, mais un seul, mais multifonctionnel.

5. Enfin, l'intelligence des capteurs augmentera. Prédiction de la valeur, traitement et analyse puissants des données, autodiagnostic complet, prédiction des pannes, conseils de maintenance, commande logique et régulation.

Au fil du temps, les capteurs intelligents deviendront de plus en plus des outils d'automatisation multifonctionnels, pour lesquels même le terme "capteur" lui-même deviendra incomplet et simplement conditionnel.