Góra

Soft sensory / wirtualne czujniki znające Twój proces

Soft-sensory — zwane też wirtualnymi czujnikami — łączą wiedzę o systemie z dostępnymi pomiarami, dostarczając wiarygodnych estymacji zmiennych trudnych do bezpośredniego pomiaru.

Czym są Soft Sensory / Wirtualne Czujniki?

Soft-sensor — zwany też wirtualnym czujnikiem — wykorzystuje matematyczny model procesu wraz z istniejącymi danymi pomiarowymi do obliczenia estymacji interesującej zmiennej. W odróżnieniu od fizycznego instrumentu, soft-sensor ani wirtualny czujnik nie wymaga dodatkowego sprzętu — działa jako oprogramowanie na istniejących systemach sterowania.

Architektura soft-sensora: wiedza o systemie + pomiary → algorytm estymacji → wyjście wirtualnego czujnika
Architektura soft-sensora / wirtualnego czujnika — dodawanie wiedzy o systemie do dostępnych pomiarów.

Rozwiązania problemów przemysłowych

Pomiar jest zbyt kosztowny

Problem

Analizatory jakości, lepkości lub składu kosztują 50 000–500 000 € i są współdzielone między wieloma strumieniami — jedynie okresowe próbki, nie ciągłe dane.

Rozwiązanie

Soft-sensor dostarcza ciągłych estymacji między próbkami analizatora, umożliwiając dokładniejsze sterowanie w czasie rzeczywistym.

Oprzyrządowanie nie może być zainstalowane

Problem

Przepływomierze w pozycjach zaworów, obciążenia cieplne w układach kriogenicznych lub momenty obrotowe w uszczelnionych napędach nie mogą być oprzyrządowane.

Rozwiązanie

Soft-sensor oblicza zmienną na podstawie skorelowanych pomiarów już obecnych w systemie.

Brak możliwości pomiaru bezpośredniego

Problem

Zmienne takie jak wskaźnik płynięcia polimeru, stężenie komórek lub aktywność katalizatora nie mają technologii sensorycznej in-line w czasie rzeczywistym.

Rozwiązanie

Soft-sensor wnioskuje te zmienne z mierzalnych proxy — temperatury, ciśnienia, przepływu, spektroskopii — używając modeli pierwszych zasad lub opartych na danych.

Awaria czujnika i redundancja

Problem

Krytyczne pomiary zawodzą podczas rozruchu, zakłóceń lub zabrudzenia. Pojedynczy punkt awarii w krytycznej pętli bezpieczeństwa jest niedopuszczalny.

Rozwiązanie

Soft-sensor łączy redundantne pomiary z wielu instrumentów, dostarczając odpornej na awarie estymacji ważnej nawet gdy poszczególne czujniki zawodzą.

Dokładność pomiarów

Problem

Dwa instrumenty mogą mieć komplementarne profile dokładności — jeden szybki, ale zaszumiony, drugi wolny, ale precyzyjny.

Rozwiązanie

Soft-sensor łączy oba sygnały przy użyciu teorii optymalnej estymacji, tworząc estymację jednocześnie szybką, precyzyjną i wolną od dryfu.

Technologia

Pomiary

Dokładne wymagania dotyczące czujników są określane indywidualnie. W większości przypadków istniejące oprzyrządowanie jest wystarczające — nie jest wymagany nowy sprzęt.

Modele

Modele kodują wiedzę o systemie wykorzystywaną przez soft-sensor. Złożoność waha się od prostych korelacji empirycznych do pełnych termohidrodynamicznych lub kinetycznych modeli dynamicznych. Specjalizujemy się w modelowaniu pierwszych zasad dla przemysłu procesowego i lotnictwa.

Algorytmy estymacji

Od liniowych obserwatorów (Luenbergera, filtr Kalmana) do algorytmów nieliniowych (rozszerzony filtr Kalmana, Unscented, estymacja horyzontu ruchomego). Wybór zależy od nieliniowości, mocy obliczeniowej i wymaganej dokładności.

Zmierzone Wyniki

Zastosowania Przemysłowe i Opublikowane Wyniki Referencyjne

Dane z recenzowanej literatury naukowej — co osiąga technologia soft-sensorów w rzeczywistych środowiskach przemysłowych. Zewnętrzne źródła z linkami.

Chemicals / Polymerization

Polymer melt index and density are only available from infrequent laboratory analysis (hours of delay). Quality control requires continuous real-time feedback across reactor temperature profiles and feed rates.

First-principles kinetic model inside NMPC closes the loop on delayed lab measurements, simultaneously controlling multiple reactors. Linear APC is insufficient due to strong nonlinear coupling between quality attributes and process conditions.

Zmierzony wynik: In continuous production use since October 2012.
Źródło: Dow Chemical — Computers & Chemical Engineering (2014)
Pulp & Paper / Tissue Manufacturing

Basis weight (g/m²) cannot be measured in real time in the wire section of a tissue machine — only downstream, too late to correct production deviations.

Hybrid model: first-principles model (FPM) combined with 1D-CNN in parallel; a GRU network dynamically weights their outputs based on the current operating regime.

Zmierzony wynik: RMSE 2.12 g/m² (hybrid) vs 2.68 g/m² (pure ML) vs 4.72 g/m² (pure physics) — validated on 7 months of industrial data.
Źródło: Othen et al. — RWTH Aachen / Nordic Pulp & Paper Research Journal (2025)
Oil & Gas — Downhole Pressure

Permanent downhole gauges (PDGs) are expensive and unreliable in harsh well conditions. Bottom-hole pressure (BHP) is critical for production optimisation and flow assurance.

LSTM soft sensor trained on wellhead / topside measurements. Transfer Learning adapts the model across different well environments and operating conditions with minimal additional data.

Zmierzony wynik: MAPE consistently below 2% on real offshore datasets from Brazil Pre-salt basin.
Źródło: Fernandes et al. — arXiv (2026)
Power Generation — NOx Emissions

Real-time NOx prediction is required for combustion optimisation and emissions compliance. Plant conditions shift continuously with load, fuel quality, and equipment ageing, causing static models to degrade quickly.

Just-In-Time Learning Random Forest (JIT-RF): adapts locally to current operating conditions at each prediction step, handling concept drift from combustion changes without full model retraining.

Zmierzony wynik: R² = 0.93 on real plant data; 99.7% of predictions within 15 mg/m³ absolute error — outperforming 6 comparison methods.
Źródło: He et al. — Sensors / MDPI (2024)
Wastewater Treatment

Lab analysis of effluent quality (COD, TSS, pathogen indicators) is slow and costly. No real-time visibility into treatment performance means delayed response to exceedances.

ML soft sensors trained on low-cost online measurements: turbidity, pH, conductivity. SVR (Support Vector Regression) and Cubist tree-based models predict key quality parameters continuously.

Zmierzony wynik: COD: R² = 0.96 (SVR); TSS: R² = 0.99 (Cubist) — using only turbidity, pH and conductivity as inputs.
Źródło: Shyu et al. (Univ. South Florida) — ACS Environmental Au (2023)
Pharmaceutical / Process Analytical Technology (PAT)

Tablet critical quality attributes (CQAs) — content uniformity, dissolution, hardness — are only measurable at end-of-batch, blocking Real-Time Release Testing (RTRT) and requiring full off-line QA.

Soft sensors infer CQAs from in-line PAT instruments (NIR, Raman, laser diffraction) and process data during manufacturing, following the FDA PAT guidance framework for science- and risk-based process understanding.

Zmierzony wynik: Enables RTRT workflows eliminating end-of-batch off-line testing. FDA PAT guidance framework in place since 2004.
Źródło: Markl et al. — International Journal of Pharmaceutics (2020)
Semiconductor / Virtual Metrology

Metrology steps (CMP endpoint, film thickness, etch depth) are expensive and sampled at low frequency — creating quality blind spots across thousands of wafers between measurements.

Virtual Metrology (VM) predicts post-process quality from tool telemetry (RF power, chamber pressure, gas flows, process recipe) without physical measurement, enabling higher sampling density at near-zero cost.

Zmierzony wynik: Two decades of industrial VM deployment reviewed across CMP, CVD, plasma etching and TSV processes (185-paper systematic review).
Źródło: Maitra et al. — Expert Systems with Applications (2024)
Automotive / Autonomous Vehicles

Higher SAE automation levels require up to 28 sensors per vehicle at Level 5 vs 8 at Level 1. Physical sensors add cost, weight, power consumption, and failure points.

Virtual sensors (ideal, Hi-Fi, or RSI types) replace or supplement physical units, validated in full vehicle simulation environments. State estimation for chassis, drivetrain, and environment perception uses Kalman-family observers and hybrid ML approaches.

Zmierzony wynik: Virtual sensor market: USD 1.37 B (2025) → projected USD 5.35 B (2030) per Mordor Intelligence.
Źródło: Barabás et al. — Sensors / MDPI (2025)

Soft-Sensor / Wirtualny Czujnik vs Fizyczny Instrument

Bezpośrednie porównanie dla decyzji zakupowych i oceny wykonalności.

AspektFizyczny InstrumentSoft-Sensor / Wirtualny Czujnik
Koszt początkowy 50 000–500 000 € za instrument Tylko oprogramowanie — działa na istniejącym DCS/PLC
Instalacja Tygodnie do miesięcy (roboty budowlane, okablowanie) Dni do tygodni (integracja modelu)
Konserwacja Przestoje kalibracyjne, zabrudzenie Aktualizacja modelu — bez przestoju procesu
Pokrycie Jedna fizyczna lokalizacja na urządzenie Dowolna zmienna osiągalna przez model
Częstotliwość danych Okresowa (analizator: 1–2 h) lub punktowa Ciągła, synchroniczna z cyklem sterowania
Tryb awarii Twarda awaria — pętla otwarta Stopniowa degradacja — powrót do samego modelu

Produkty

Advanced Virtual Flow Meter

Programowe obliczanie przepływu w pozycjach zaworów na podstawie pozycji zaworu, ciśnienia i temperatury — bez fizycznego przepływomierza.

Dowiedz się więcej

Cyfrowy Wariometr SSDV12

Wysokoprecyzyjny czujnik prędkości wznoszenia/opadania dla pilotów paralotni poprzez fuzję danych ciśnienia, inercyjnych i GPS.

Dowiedz się więcej

Referencje

Wybrane Publikacje

Recenzowane badania dotyczące metod soft-sensora i wirtualnego czujnika w projektach przemysłowych i naukowych.

Pełna lista publikacji na noga.es →

Często zadawane pytania

Czym jest soft-sensor / wirtualny czujnik?

Soft-sensor to model programowy obliczający estymacje trudno mierzalnych zmiennych procesowych z istniejącej instrumentacji. Nie wymaga nowego sprzętu — działa na istniejącym systemie DCS lub PLC.

Czy muszę instalować nowe czujniki?

W większości przypadków nie. Soft-sensor korzysta z pomiarów już dostępnych w systemie sterowania. Dokładne wymagania są oceniane indywidualnie.

Jak dokładne są soft-sensory?

Dla dobrze oprzyrządowanych procesów z dobrym modelem pierwszych zasad typowe błędy estymacji wynoszą 1–5 %. Aplikacja kriogeniczna LHC w CERN estymowała 5 stanów termodynamicznych z 3 czujników ciśnienia.

Jak długo trwa projekt?

Zazwyczaj 4–12 tygodni od kickoffu do uruchomienia, w zależności od złożoności modelu i dostępności danych. 30-minutowa rozmowa o wykonalności wystarczy do określenia zakresu.

Co się dzieje, gdy proces zmienia się lub wykazuje dryf?

Dryf procesu — spowodowany zużyciem, zmianą surowców lub zmianą gatunku produkcji — jest najczęstszą przyczyną degradacji soft-sensora. Solidne wdrożenia obejmują monitorowanie zdrowia modelu (krocząca RMSE, wskaźniki dryfu), wyzwalacze retreningu i możliwość powrotu do poprzedniej wersji modelu. Dla procesów z częstymi zmianami trybu preferowane są modele adaptacyjne Just-In-Time (JIT).

Czy soft-sensor może zastąpić czujnik fizyczny w systemie instrumentowanym bezpieczeństwa?

Soft-sensory są bardzo wartościowe jako kanały doradcze, monitorujące i redundantne. Użycie ich jako jedynego środka pomiaru w funkcji bezpieczeństwa (SIF) wymaga wykazania deterministycznych trybów awarii, niezależności oraz pełnej zgodności z cyklem życia bezpieczeństwa wg IEC 61511. W praktyce stosuje się je jako uzupełnienie fizycznej instrumentacji bezpieczeństwa, a nie jej zastępstwo.

Bądź na bieżąco

Sporadyczne aktualizacje dotyczące metod soft-sensorów, studiów przypadków i nowych produktów. Bez spamu.

Omów swoje wyzwanie pomiarowe

Każdy projekt soft-sensora zaczyna się od zrozumienia Twojego procesu, oprzyrządowania i tego, co chcesz mierzyć. Rozmowa 30 minut wystarczy do oceny wykonalności.

📅 Zarezerwuj 30-minutową rozmowę Kontakt MPC zamyka pętlę na estymacjach wirtualnego czujnika →

O nas

Soft-Sensor to specjalistyczna praktyka inżynierska prowadzona przez dr. Rafała Nogę — konsultanta APC/MPC z doświadczeniem w soft-sensorach i estymacji stanu dla przemysłu procesowego, kriogeniki i lotnictwa od 2007 roku.

→ Strona główna: noga.es