Главный pедактоp — д^ техн. наук, пpоф. В. Ю. Кнеллеp
УДК 681.586:57.024
ПОВЫШЕНИЕ СТРУКТУРНОГО ИНТЕЛЛЕКТА КЛАСТЕРОВ ДАТЧИКОВ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ1
С. Мекид (Великобритания)
По мере усложнения задач восприятия и организации воздействий на промышленных предприятиях все больше расширяется применение кластеров интеллектуальных датчиков в гибридных сетях. Они играют доминирующую роль во многих областях: от макро- до микроразмеров. Для приложений высокого уровня ожидаемы глобальный контроль объекта и способность к самоорганизации в отказоустойчивые и масштабируемые системы. В работе представлены новые структурные концепции интеллектуальных датчиков и сетей с новыми интеллектуальными агентами. Встраивание новых возможностей динамического управления взаимодействующими агентами для автономных машин — это интересная и перспективная технология, в наибольшей степени востребованная обрабатывающей промышленностью для создания бездефектных производств.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
ВВЕДЕНИЕ
Интеллектуальные датчики (ИД) известны уже более 20 лет. Они сложнее традиционных, поскольку собирают, анализируют и передают данные. Обзоры состояния в области ИД, охватывающие достижения последних двух десятилетий, представлены в работах [1, 2]. В соответствии с определениями стандарта IEEE 1451.2 ИД — это один из видов интеллектуального измерительного преобразователя, обеспечивающий дополнительные функции в сравнении с теми, которые необходимы для создания правильного отображения воспринимаемой или контролируемой величины. Эти функциональные возможности обычно упрощают интеграцию преобразователя в сети.
Существенно, что сложности ИД должны быть скрыты внутри и он должен быть прозрачен для центральной системы сбора данных. ИД конструируют так, чтобы центральная система могла легко общаться с ними через цифровой интерфейс; в результате вся сложность будет присуща
1 Mekid S. Further Structural Intelligence for Sensors Cluster Technology in Manufacturing // Sensors (MDPI). — 2005. — Vol. 6. — P. 557—577. http://www.mdpi.org. Пер. с англ.
лишь датчику, а не системе централизованной обработки сигналов [3]. Точного определения ИД на сегодня не существует. Тем не менее, в соответствии с работой [4] можно описать общую концепцию ИД: "Датчик принято считать интеллектуальным, если в месте расположения измерительного преобразователя имеется микропроцессорное устройство, осуществляющее фильтрацию и другие простые операции по предварительной обработке данных непосредственно там, где установлен датчик." В дополнение к предыдущему определению в [5] описывается ИД, "модифицирующий свое внутреннее поведение в целях оптимизации своих возможностей сбора данных из внешнего мира и подконтрольной передачи их в центральную систему". Эта концепция аналогична сформулированной в работе [6]. Конечная цель разработки ИД заключается в имитации человеческих способностей, таких как множественные функциональные возможности одновременного восприятия объектов, обучение с возможностями адаптации, принятие решений [7].
В основе разработки ИД лежат достижения в развитии технических средств (т. е. измерительной техники) и программного обеспечения (т. е. в технологии обработки данных). Развитие микро-
Процесс обработки
График работ
Контроль в процессе обработки
Контроль качества
Связь
Приводы
Мониторинг параметров
Динамические погрешности
Параметры обработки
Эффекты второго порядка
Контроль неисправностей
Упреждающее техобслуживание
Рис. 1. Места возможных погрешностей в автоматизированных станочных системах
электронных, микрокомпьютерных и промышленных технологий обеспечивает возможность интеграции элементов восприятия и обработки сигналов в одной микросхеме, как например, в микроэлектромеханических системах (МЭМС). Для множественных измерений в работе [8] было введено понятие "кластера": объединение нескольких различных воспринимающих элементов использует общие средства вычислений и коммуникации, а также общее питание для имитации человеческих способностей. Постоянное совершенствование технологии МЭМС может упростить создание таких систем. Использование подобных датчиков весьма перспективно в обрабатывающей промышленности, где налицо явная тенденция к модульному построению будущих целостных интеллектуальных станков с ЧПУ, ПЛК и роботов с распределенным управлением, которая открывает возможности для гибкой конфигурации управления и адаптации систем. Такие системы управляются интеллектуальными системами управления на основе иерархической структуры с уровнями управления: всем производством, станками и приводами, в которой должны быть реализованы открытые интерфейсы, механизмы самонастройки и сложные средства прогнозирования на основе модели в целях, например, обеспечения безошибочной машинной обработки. Можно предположить, что будущий автономный станок для нескольких технологических процессов будет оснащен мультиагентным кластером датчиков для обеспечения полного контроля различных переменных, таких как параметры обработки резанием, линейные и угловые размеры в процессе обработки, дефекты геометрии и формы (рис. 1).
После статического, динамического и теплового анализа первостепенное значение для обеспечения непрерывной и точной обратной связи
имеет стратегия расположения датчиков на станке. Например, различные беспроводные датчики располагаются в местах больших амплитуд основных видов вибраций, тогда как тепловые — в критических местах, подверженных значительным расширениям. При таком расположении датчиков планируется осуществить компенсацию погрешностей и сил в ходе машинной обработки, чтобы обеспечить создание бездефектного изделия в автономном режиме.
При использовании реконфигурируемых датчиков для техобслуживания необходима информация для участия в процессе распознавания признаков, что позволит идентифицировать типы возможных отказов и незамедлительно принимать решения о соответствующих воздействиях (стратегия самодиагностики и самообслуживания, самовосстановление, требующее автономного контроля).
На больших и сложных объектах, таких как химические производства с их требованиями безопасности и надежности, технологические процессы оснащены высокоавтоматизированными системами управления, включающими в себя множество датчиков. Эти системы должны быть реконфигурируемыми и способными к интерпретации и слиянию данных от нескольких датчиков с валидацией локально и дистанционно собранных данных. Это позволит снизить число ложных срабатываний сигнализации и простоев, а также исключит риск для персонала и окружающей среды. Кроме того, для данных, генерируемых предприятиями обрабатывающей промышленности, требуются подходящие методы повышения их точности и извлечения полезной информации о состоянии технологического процесса.
Для того чтобы сенсорная техника предоставляла столь замечательные возможности, необходимо предусмотреть ряд характерных ее особенностей, которые рассматриваются и обсуждаются ниже.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ИД Архитектура ИД
Архитектура ИД (рис. 2) включает в себя:
— чувствительный элемент (воспринимающий элемент, первичный преобразователь), выполняющий функцию посредника между внешним миром и сенсорной системой, генерируя электрический сигнал (ток, напряжение) как отклик на физические свойства окружающей среды, такие как температура, давление, сила света, звук, вибрация и т. д.;
— вторичный преобразователь, служащий для формирования сигнала и преобразования данных: сигнал, полученный от чувствительного элемента, модифицируется, усиливается и преобразуется в поток квантованных по времени цифровых данных, поступающий далее в процессорный элемент;
— процессорный элемент, включающий в себя микроконтроллер с собственными памятью и программным обеспечением; это основной элемент ИД, где обрабатывается поступающий сигнал;
— коммуникационный элемент, обеспечивающий двустороннюю связь между процессорным элементом и пользователями; связь может быть беспроводной, волоконно-оптической, по магистральной шине или с помощью других интерфейсов;
— источник питания.
Воспринимающая часть ИД может отличаться по используемым материалам от традиционных первичных преобразователей. Если раньше материалы с гистерезисными и нелинейными свойствами в первичных преобразователях не использовались в силу ненадежности или нестабильности, то теперь их можно применять в датчике, снабженном собственным микропроцессором, при этом отпадает необходимость нагружать центральный процессор сложной моделью или алгоритмом фильтрации. Можно представить себе приложения, в которых внутренняя память или гистерезис нелинейных материалов используются
Пользователь Станок Исполнительное устройство
Производственные помехи, старение
Связь 1
Интерфейс
Измеряемая величина
Формирование сигнала (усиление, линеаризация, преобразование)
а)
Пользователь Станок Исполнительное устройство
Производственные помехи, старение
Измеряемая величина
Интерфейс/
б)
Рис. 2. Архитектура ИД:
а — интегрированный ИД; б — полуинтегрированный ИД
в целях снижения загруженности сигнального процессора, например, "регистрация" температурных пиков [3]. Концепция обработки сигнала в ИД снимает ограничение парадигмы линейности и незашумленности элементов сенсора, но при анализе возможностей проектирования сенсорной системы необходимо учитывать затраты на дополнительную электронику.
На рис. 2 представлены два варианта архитектуры. В первом все элементы объединены, тогда как во втором чувствительный и интерфейсный элементы отделены от обрабатывающей и коммуникационной частей.
Архитектура полуинтегрированного ИД предложена в соответствии с уровнем интеллекта существующих датчиков. Развитие интеллектуальной сенсорной системы ограничено техническими возможностями ее компонентов, такими как жизненный цикл батарейки для беспроводных датчиков и ограниченный объем памяти при низком быстродействии процессора, что влияет на характеристики блока обработки сигнала. Проводятся обширные исследования, нацеленные на создание полностью интегри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.