Obr. 1 Stavebné bloky inteligentných snímačov (© Premier Farnell Ltd.)

Snímače sú jedným z kľúčových faktorov úspechu internetu vecí – nie sú to však konvenčné typy, ktoré jednoducho prevádzajú fyzikálne veličiny na elektrické signály. Museli sa vyvinúť do niečoho sofistikovanejšieho, aby vykonávali technicky a ekonomicky životaschopnú úlohu v prostredí internetu vecí.

V úvode tohto príspevku sa pozrieme na to, čo očakáva IoT od snímačov – čo treba spraviť, aby sa vytvorili veľké polia snímačov charakteristické pre IoT. Potom ukážeme, ako výrobcovia reagovali zlepšením výroby, väčšou integráciou a zabudovanou inteligenciou, ktorá vyvrcholila do podoby snímačov používaných v súčasnosti.

Zistíme, že inteligencia snímačov, okrem uľahčenia pripojenia internetu vecí, prináša aj mnoho ďalších výhod súvisiacich s prediktívnou údržbou, flexibilnejšou výrobou a zlepšenou produktivitou.

Čo IoT očakáva od svojich snímačov?

Snímače sú tradične funkčne jednoduché zariadenia, ktoré prevádzajú fyzikálne premenné na elektrické signály alebo zmeny z hľadiska elektrických vlastností. Aj keď je táto funkcia nevyhnutným východiskovým bodom, snímače musia podporovať aj ďalšie vlastnosti, aby fungovali ako komponenty internetu vecí:

  • cenovo dostupné, aby sa dali ekonomicky nasadiť vo veľkom počte,
  • fyzicky malé, aby „nenápadne“ zmizli v akomkoľvek prostredí,
  • bezdrôtové pripojenie, pretože káblové pripojenie zvyčajne nie je možné,
  • sebaidentifikácia a samovalidácia,
  • veľmi nízka spotreba energie, takže môže prežiť roky bez výmeny batérie alebo musí zvládnuť získavanie energie z okolia,
  • odolné, aby sa minimalizovala alebo eliminovala údržba,
  • autodiagnostika a samoliečba,
  • samokalibrácia alebo schopnosť prijať príkazy na kalibráciu prostredníctvom bezdrôtového spojenia,
  • predbežné spracovanie údajov na zníženie zaťaženia brán, PLC a cloudových zdrojov.

Pokročilejšie funkcie

Informácie z viacerých senzorov možno kombinovať a korelovať, aby sa mohli vyvodiť závery o latentných problémoch. Napríklad údaje zo snímačov teploty a vibrácií sa môžu použiť na detekciu začiatku mechanickej poruchy. V niektorých prípadoch sú dve funkcie snímača dostupné v jednom zariadení, v iných sú funkcie kombinované v softvéri na vytvorenie tzv. soft snímača.

Odpoveď výrobcov – inteligentné riešenie snímačov

V tejto časti sa zameriame na inteligentné snímače, ktoré boli vyvinuté pre aplikácie IoT, a to z pohľadu ich stavebných blokov aj ich výroby. Potom preskúmame niektoré z výhod, ktoré vyplývajú zo inteligencie zabudovanej do snímačov, najmä možnosti autodiagnostiky a opravy.

Čo obsahuje inteligentný snímač a čo dokáže?

Uviedli sme, čo očakáva internet vecí od inteligentného snímača, ale ako na to priemysel reagoval? Čo je zabudované do moderného inteligentného snímača a čo dokáže?

Inteligentné snímače sú skonštruované ako komponenty internetu vecí, ktoré prevádzajú meranú premennú z reálnej aplikácie na digitálny reťazec údajov a posielajú ho do komunikačnej brány (obr. 1). V zabudovanom mikroprocesore (MPU) sa spúšťajú aplikačné algoritmy. Môžu spustiť filtrovanie, kompenzáciu a akékoľvek ďalšie úlohy súvisiace so spracovaním signálu špecifické pre daný proces.

Aby sa znížilo zaťaženie centrálnejších zdrojov IoT, možno inteligenciu MPU využiť aj na mnoho ďalších funkcií. Do MPU sa môžu napríklad posielať kalibračné údaje, vďaka čomu je snímač automaticky nastavený na akékoľvek zmeny vo výrobe. MPU môže tiež zistiť akékoľvek výrobné parametre, ktoré sa začínajú posúvať za definované hraničné hodnoty, a podľa toho generovať varovania; operátori potom môžu prijať preventívne opatrenia skôr, ako dôjde k závažnej poruche.

V prípade potreby by senzor mohol pracovať v režime „report na vyžiadanie“, v ktorom prenáša údaje iba vtedy, ak sa nameraná hodnota premennej výrazne líši od predchádzajúcich hodnôt. Znižuje sa tak zaťaženie centrálneho výpočtového zdroja, ako aj požiadavky na výkon inteligentného snímača – zvyčajne je to dôležitá výhoda, pretože pri absencii napájania sa snímač musí spoliehať na napájanie z batérie alebo získavanie energie z okolia.

Ak inteligentný snímač obsahuje v sonde dva meracie prvky, možno zabudovať autodiagnostiku senzora. Okamžite sa dá zistiť akýkoľvek vývoj posunu (nepresnosti merania) na jednom z výstupov snímača. Okrem toho ak snímač úplne zlyhá, napríklad v dôsledku skratu, proces môže pokračovať s druhým meracím prvkom. Alternatívne môže sonda obsahovať dva snímače, ktoré spolupracujú s cieľom zlepšiť spätnú väzbu pri meraní.

Vyhotovenie

Aby sa využil plný potenciál IoT, metódy výroby snímačov sa musia uberať cestou znižovania veľkosti a hmotnosti súčastí a systému snímača, ako aj spotreby energie a nákladov (SWaP-C). Rovnaký trend sa musí vzťahovať aj na balenie snímačov, ktoré v súčasnosti predstavuje až 80 % z celkových nákladov.

Inteligentné snímače vznikajú vtedy, keď sú prvky mikroelektromechanického systému snímača (MEMS) úzko prepojené s integrovanými obvodmi CMOS. Tieto integrované obvody zabezpečujú napájanie zariadenia, zosilnenie signálu a ďalšie funkcie spracovania signálu. Pôvodne používaná technológia skladania vrstiev vo vákuu (WLVP) zahŕňala iba diskrétne snímače a inteligentné senzory sa vytvárali pripojením diskrétnych čipov MEMS k integrovaným obvodom cez naskladané vrstvy alebo substrát dosky prístupom nazývaným integrácia viacerých čipov.

Vylepšený prístup spája integrované obvody CMOS a prvky snímača priamo bez použitia smerovacích vrstiev v naskladanom prvku alebo doske, čo poznáme pod názvom systém na čipe (SoC). V porovnaní s diskrétnym prístupom na báze viacerých čipov je SoC zvyčajne zložitejší, ale vedie k zníženiu parazitických javov, menším rozmerom, vyššej hustote prepojenia a nižším nákladom na skladanie vrstiev.

Ďalšie výhody inteligencie snímača

Inteligentné fotoelektrické snímače dokážu detegovať vzory v štruktúre objektov a akékoľvek zmeny v nich. To sa deje autonómne v snímači, nie v žiadnom externom výpočtovom prvku. Zvyšuje sa tak priepustnosť spracovania a znižuje zaťaženie centrálneho procesora alebo miestneho PLC.

Zvyšuje sa flexibilita výroby, čo je dôležitá výhoda v dnešnom konkurenčnom prostredí. Inteligentné snímače možno diaľkovo programovať pomocou vhodných parametrov vždy, keď to aplikácia vyžaduje. Výrobu, kontrolu, balenie a expedíciu možno nastaviť pre jednotkové veľkosti šarží a za cenu hromadnej výroby, takže každý spotrebiteľ môže dostať produkt podľa svojej predstavy.

Spätnú väzbu od lineárnych snímačov polohy tradične brzdili problémy týkajúce sa šumu systému, útlmu signálu a dynamiky odozvy. Každý snímač potreboval na prekonanie týchto problémov vyladenie.

Inteligentné snímače so schopnosťou autodiagnostiky a opráv

Inteligentné snímače sa môžu tiež dobre hodiť do aplikácií kritických z hľadiska bezpečnosti, ako je detekcia úniku nebezpečného plynu, ohňa alebo prítomnosti nežiaducich osôb. Podmienky v týchto prostrediach môžu byť náročné a prístup k snímačom z dôvodu údržby alebo výmeny batérie môže byť tiež komplikovaný. Avšak na prvom mieste je vysoká spoľahlivosť.

Tím z University of South-Brittany pôsobiaci v rámci výskumného centra Lab-STICC vyvíja riešenie zvyšujúce spoľahlivosť pomocou duálnych sond a hardvéru, ktorý sa dokáže sám diagnostikovať a opraviť. Konečným cieľom projektu je integrovať všetky prvky do jedného samostatného zariadenia, ktoré je vhodné pre aplikácie, ako je detekcia nebezpečného plynu v prístavoch, skladoch a pod.

Článok s názvom On-line autodiagnostika založená na meraní výkonu pre bezdrôtový senzorový uzol opisuje uzol, ktorý dokáže určiť internú poruchu a prijať nápravné opatrenia na zlepšenie spoľahlivosti a energetickej účinnosti. Takýto prístup znižuje zraniteľnosť uzla a náklady na údržbu. Konštrukčné vyhotovenie takýchto senzorov má aj svoje nevýhody – obmedzená autonómia batérií, zber energie z okolia ovplyvnený nespoľahlivým správaním tohto zdroja, obmedzené zdroje spracovania a ukladania a potreba bezdrôtovej komunikácie. Uzol je vybavený dvoma snímačmi; počas normálnej prevádzky prvý zbiera údaje o okolitom prostredí, zatiaľ čo druhý aktivujú iba používatelia na overenie získaných údajov. Ak by prvý senzor zlyhal, spoľahlivosť uzla sa zníži, pričom napájanie nefunkčného senzora zbytočne vybíja batériu. Ak však uzol odpojí prvý snímač a prepne sa na druhý, neplytvá energiou a spoľahlivosť uzla sa zachová. Cieľom projektu bolo preto vyvinúť novú autodiagnostiku založenú na funkčných a fyzikálnych testoch na detekciu zlyhania hardvéru v akejkoľvek súčasti uzla bezdrôtového snímača. Táto metóda môže presne identifikovať, ktorý komponent uzla zlyhal, a navrhnúť vhodné nápravné opatrenie.

Na obr. 2 vidno hardvérové usporiadanie samokonfigurovateľného senzorového uzla. Medzi jeho súčasti patrí procesor, pamäť RAM/FLASH, rozhranie pre akčný člen, snímače (IAS) na kontakt s prostredím, modul rádiového vysielača a prijímača (RTM) na prenos a príjem údajov a batéria s výkonovými spínačmi (DC-DC prevodníky). Uzol tiež obsahuje správcu napájania a dostupnosti (PAM) kombinovaný s konfigurovateľnou zónou FPGA. Prvý z nich sa považuje za inteligentnú súčasť, aby sa čo najlepšie využila energia, autodiagnostika a odolnosť proti chybám, zatiaľ čo druhý zvyšuje dostupnosť uzla snímača.

Záver

V tomto článku sme videli, ako výrobcovia čipov a vedci reagujú na potrebu inteligentných senzorov pre IoT. Čiastočne to bolo záležitosťou pridávania inteligencie a komunikačných schopností k základnej funkcii snímača, ale dôraz treba klásť aj na zdokonalenú výrobu. Integráciou snímacích prvkov MEMS a výpočtových komponentov CMOS do jednej vrstvy môžu byť inteligentné snímače implementované do malých lacných balíkov, ktoré môžu byť zabudované do aplikácií s obmedzeným priestorom a s odolnosťou proti okolitým podmienkam. Vďaka tomu môžu návrhári IoT získať také snímače, aké potrebujú: malé, lacné, odolné a dostatočne výkonné na nasadenie kdekoľvek, pričom inteligencia musí poskytovať užitočné informácie aj surové údaje. Uľahčujú tiež tvorbu flexibilnejšej automatizácie, pretože môžu prijímať príkazy na rekalibráciu, čo im umožní prispôsobiť sa zmenám vo výrobe.

Cliff Ortmeyer
globálny vedúci technického marketingu
Farnell
www.farnell.com