在恶劣的环境中实现复杂的传感和控制系统

在许多工业应用中,感知,记录和交流关于环境条件的数据是至关重要的。许多工业过程涉及高温,高压,振动和腐蚀性气体或液体,但是传感对于控制和监测这些过程是非常重要的,通常在非常恶劣的环境条件下进行。在许多这些应用中,控制对于设备,过程或者操作员来说是安全的关键要素。许多这些控制系统中的薄弱环节是传感功能,因为它们通常在恶劣环境中最恶劣的环境下使用。控制系统通常可以远离最恶劣的环境,因此它们可能没有传感元件那么严格。
具有严格的传感和控制要求的常见恶劣环境的示例性例子是在井下钻井中,精确控制钻井或提取过程是至关重要的。如果没有持续的控制,这个过程可能需要更长的时间,需要更多的维护中断,甚至损坏复杂和昂贵的设备。在最坏的情况下,如果控制系统没有采取严格的纠正措施,操作人员可能会处于危险之中。试图以较低精度或较不可靠的传感器节省几美元,最终可能损失数百万美元的时间,设备损坏甚至操作员受伤或死亡。
井下应用中的传感要求可以覆盖很广的范围。对于在井下应用中能够追踪温度,压力,电阻率,甚至伽马射线辐射水平的传感器来说,这并不罕见(图1)。这些传感器显然需要承受典型的井下环境中发现的高温,高压,振动和腐蚀,但精度也是非常重要的。早期发现的微小变化可以使控制过程更容易识别趋势,这些趋势可能是需要减轻或控制的系统压力的早期预警信号。幸运的是,有传感器可以承受恶劣的环境,并提供先进控制系统所需的精确测量。
恶劣的环境实施控制系统图1

图1

图1:井下感测对于安全性和效率至关重要。


恶劣环境的系统架构

如前所述,尝试在恶劣的环境设计中分离感测元件和控制元件通常是有帮助的。这将更复杂的电子设备放置在距环境最恶劣的地方一段距离处,并将更强大的传感器放置在最具挑战性的区域。然而,通常在传感器附近需要一定量的控制来管理数据采集和数据传输到远程控制系统。此外,将数据记录到传感器盒内或附近可能很重要,以便可以对过程进行完整的记录以进行效率测量或发生故障(类似于使用“黑盒”在飞机上帮助确定事故发生后的错误或失败的根本原因)。记录数据还需要一定量的控制来管理过程。
构建系统的一种方法是将简单的控制器放置在传感元件附近,以实现通信和记录功能的最低要求(图2)。在传感器组件附近的多个传感器位于发生环境感测的地方。本地传感器控制器可以捕获传感器读数并对其进行处理以减少数据传输开销。通信控制器可以位于距传感器组件一定距离处,以稍微减少恶劣的环境要求。数据处理和算法处理的大部分可以通过位于远程的中央控制器完成,也许使用通用的工业计算机。控制器之间的通讯可以通过无线方式进行,如果环境允许的话,或者通过电缆或光缆。
恶劣的环境实施控制系统图2
图2
图2:井下传感器应用的示例系统架构,假定光纤是优选的,因为它们能够以最小的电干扰进行长距离通信。


传感器和信号链

温度传感器可能是最知名的传感器类型,铂基传感器随温度而改变电阻,非常普遍。例如,霍尼韦尔700系列铂电阻薄膜传感器覆盖从-70°到500°C的温度范围,即使在最恶劣的温度下也能正常工作。用于压力,磁力,流体流量,气体或位置的其他传感器可以共同位于坚固的传感器外壳中,以提供一定的振动和机械应力保护。传感器通常需要通过电子信号链进行监控,包括放大,模数转换以及甚至一些信号处理以从嘈杂的环境中提取信号。找到实现在高温范围内工作的这一部分设计所需的元件可能是一个挑战,但幸运的是一些制造商提供了在高温应用中感测所需的产品类型的扩展温度范围。
也许并不出乎意料,德州仪器提供了一系列面向信号链的器件,可在-55o到210oC的宽温范围内工作。这些产品可以创建从TI OPA 2333等高温运算放大器(运放)开始所需的输入信号链。然后,运算放大器的输出可以馈入高温模数转换器,如TI ADS1278。由于这些产品具有如此宽的温度范围,并采用坚固耐用的陶瓷封装,因此即使在非常恶劣的环境下,也可用于传感器应用。


控制系统架构

使用图2中的示例设计,设计工程师需要三个级别的控制能力。具有一定信号处理能力的控制器最接近传感器。除传感器之外,在通信包中,需要一个简单的控制器来处理通信和记录功能。最后,在通信传输线的另一端,需要工业计算机来提供钻井过程的高级算法控制和监视。
传感器控制和监控是处理密集度最高的,也需要最强大的控制器。德州仪器(TI)的TMS320F2812数字信号处理器是这个任务的一个候选者。它可以在位于环境最恶劣的环境中的传感器组件所需的扩展温度范围(-55o至210oC)内工作。DSP功能使其能够在将数据发送到通信软件包之前处理数据,从而降低了所需的整体带宽 - 显着提高了效率。
通信控制器可以是一个更简单的处理器,甚至可能是恩智浦半导体的MC9S12D64F0VFUE等16位MCU 。对控制器的温度要求不太严格,高达105oC的操作温度就足够了。这类MCU具有将传感器封装到系统控制器的通信流量进行管理以及实现任何所需的数据记录功能所需的全部功能。
中央控制器的要求最低,因此具有大量计算和存储能力的标准工业计算机是不错的选择。例如,凌华科技AmPro坚固耐用的小尺寸单板计算机即使在-40°C至85°C的温度范围内也可以使用。它具有英特尔凌动处理器; 2 GB DDR2 SDRAM; 8GB工业级SSD; 以及用于USB,LAN,SDIO,CAN和SATA的接口,甚至还有一个24位LVDS接口,用于坚固耐用的显示器。支持各种操作系统,以便轻松移植现有软件。


通讯链接

从传感器一直到中央控制器的信号都将面临严峻的挑战。通信链路可以使用光纤,电缆或无线,取决于所需的距离和环境的特性。显然,无线作为连接介质提出的挑战最小,但在许多噪声或障碍物可能导致干扰的环境中(如井下应用)可能无法实现。
光纤电缆和坚固的连接器是长距离通信的有效选择。一些光纤连接器系统,如Molex LC2 +金属光学连接器,使用特殊的高温金属体,可承受高达150oC的长期工作温度以及严重的冲击和振动。
如果过度的信号噪声和燃烧风险不存在,电气通信适用于短距离。如果需要非常高的带宽,串行传输协议可以低速使用(如传统的UART速率),甚至可以达到10G以太网。使用任何有线通信方案时,必须使用坚固的连接器来承受高温或严重的振动。例如,来自TE Con​​nectivity的CeeLok FAS-T连接器可用于Cat 5e(用于1 Gbit以太网)或Cat 6a(用于10 Gbit以太网)布线的各种通信系统。在图2的示例设计中,从传感器封装到通信控制器的有线连接将是适当的。根据传感器的数量和监控频率,可以实现简单的UART或低速以太网协议。
以井下钻探应用为代表的恶劣环境与传统环境相比,会严重制约设计工程师的实施选择。具有扩展的温度范围(甚至高达200oC)的组件使得在非常具有挑战性的环境中构建健壮而复杂的传感系统成为可能。通过在最恶劣的条件下远程分配通信和数据记录功能,可以使用范围更广的产品,其中最高温度为85o或105oC的设备就足够了。这种分布式的系统实现方法可以扩展到各种各样的应用中,即使环境挑战可能与蜂窝基站或高性能服务器机架的机箱控制卡一样严重。

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