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智能传感器、现场总线与FCS

时间:2007-1-20栏目:自动化论文

 一、引言
以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替,从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量,提高信号的传输效率。实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心,以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
二、智能传感器的性能特点
一般的传感器只能作为敏感元件,须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的发展,出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路,利用嵌入软件协调内部操作,在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上,还可完成对工业过程的控制,使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能,具有很高的线性度和低的温度漂移,降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下:
1、一定程度的人工智能是硬件与软件的结合体,可实现学习功能,更能体现仪表在控制系统中的作用。可以根据不同的测量要求,选择合适的方案,并能对信息进行综合处理,对系统状态进行预测。
2、多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器,能同时测量多种物理量和化学量,全面反映被测量的综合信息。
3、精度高、测量范围宽随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响,并完成各种运算,其输出信号更为精确,同时其量程比可达100:1,最高达400:1,可用一个智能传感器应付很宽的测量范围,特别适用于要求量程比大的控制场合。
4、通信功能可采用标准化总线接口,进行信息交换,这是智能传感器的关键标志之一。
智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理,即可以保证数据处理的质量,提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展,使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展,并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。
三、现场总线的体系结构与特点
根据IEC/ISA定义,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络,是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域,代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。
现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的,并根据实际需要进行简化了的体系结构系统,它一般主要包括物理层、数据链路层、应用层、用户层。
物理层向上连接数据链路层,向下连接介质。物理层规定了传输介质(双绞线、无线和光纤)、传输速率、传输距离、信号类型等。在发送期间,物理层编码并调制来自数据链路层的数据流。在接收期间,它用来自媒介的合适的控制信息将收到的数据信息解调和解码并送给链路层;数据链路层负责执行总线通信规则,处理差错检测、仲裁、调度等。应用层为最终用户的应用提供一个简单接口,它定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令。用户层实际上是一些数据或信息查询的应用软件,它规定了标准的功能块、对象字典和设备描述等一些应用程序,给用户一个直观简单的使用界面。
现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外,还具有如下特点:
1、网络体系结构简单其结构模型一般仅有4层,这种简化的体系结构具有设计灵活,执行直观,价格低廉,性能良好等优点,同时还保证了通信的速度。
2、综合自动化功能把现场智能设备分别作为一个网络节点,通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通,易于实现各种复杂的综合自动化功能。
3、容错能力强现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法,大大提高了系统的容错能力。
4、提高了系统的抗干扰能力和测控精度现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息,不仅具有较强的抗干扰能力,而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
现场总线的这些特点,不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和传统控制的要求,而且使它具有不同层次的复杂控制与先进控制、优化控制功能成为可能。
四、现场总线控制系统(FCS)
随着复杂过程工业的不断发展,工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。现有的DCS已不能满足这些要求;况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合,把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统,从而产生了新一代的控制系统FCS。
1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分
FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路,实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信,把单个分散的智能传感器变成网络节点。智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担,使大量信息处理就地化,减少了现场仪表与主控站之间的信息往返,降低了对网络数据通信容量的要求。经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上,进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等),使系统由面到点,再由点到面,对被控对象进行分析判断,提高了系统的可靠性和容偌能力。这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息,共同完成控制任务的网络系统与控制系统,能更好地体现DCS中的"信息集中,控制分散"的功能,提高了信号传输的准

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