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远程智能I／O及现场总线技术

2013年04月15日 14:06

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　　随着计算机网络的迅速发展，推动了工业自动化控制体系结构产生不断的变化，传统的4~20mA模拟信号制将逐步被双向数字通讯现场总线制所取代，模／数型的DCS系统将更新换代为全数字型的现场总线控制系统。
　　
　　一、远程智能I／O
　　
　　远程智能I／O的应用，使过程信号得到就地数字化处理，从而大大提高了系统的测控精度，另外，抗*力和可靠性以及环境适应性也得到了提高，这些推动了现场总线的发展，加速了现场一次元件的数字化与智能化进程。智能变送器就是远程智能I／O与现场一次元件渗透和融合的结果。
　　
　　1．远程智能I／O的组成及工作原理
　　
　　远程智能I／O的设计采用DCS的网络通信技术以及PLC和单回路控制器的现场处理控制技术，目的是使DCS系统分散，实现过程I／O远程化和智能化。远程智能I／O系统一般部分组成：（1）位于现场的智能前端；（2）通讯总线；（3）计算机适配器。智能前端的通道数一般有15~20个。
　　
　　远程智能I／O的工作原理是：智能前端机将现场信号就近采集并作处理后，用数字通信方式将处理结果经网络总线和适配器传送给计算机，进行综合运算处理，用于显示、分析和控制；计算机处理后的数据通过适配器和网络总线传送给现场控制前端机，由控制前端机按预定方式向现场设备发出调节信号，实现对工业过程和设备的数据采集与控制。远程智能I／O的核心技术是通信网络和前端智能化。
　　
　　2．智能I／O的特点
　　
　　（1）抗*力和测控精度高
　　
　　采用远程智能I／O就近处理信号，并通过数字通讯方式传输信息，具有较强的抗*力，处理精度得到提高。模拟量信号的测量精度可达0．1级以上，开关量分辨率可高达lms。
　　
　　（2）主机的负荷减小便于扩充和增加管理功能
　　
　　I／O前端机智能化程度高，数据的处理能力强，所有I／O的管理任务可由适配器完成，大大解放了主机，便于进行功能扩展和实现控制与管理功能。
　　
　　（3）可靠性高
　　
　　采用隔离浮空的串行网络总线结构，避免了多点I／O共地可能引起的地线回流带来的电磁干扰；每个前端与网络在电气上是隔离的，独立运行，任何故障和危险都被限制在局部，可靠性大大增强。．
　　
　　（4）开放性好
　　
　　远程智能I／0可方便地改变适配器类型，以满足各种计算机和总线系统。特别是采用具有多种主机网络的远程I／0系统，很容易构成各种控制监控系统，融入管理信息系统和全网调度系统，使其成为具有现场信息的实时MIS系统，对统一调度、优化管理和协调控制具有重要意义。
　　
　　二、现场总线
　　
　　现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。现场总线一般可采用双绞线、同轴电缆和光纤，目前多采
　　
　　用双绞线或屏蔽双绞线。．
　　
　　1．现场总线的组成
　　
　　（1）现场智能仪表（主要指智能变送器）
　　
　　（2）总线通讯部分
　　
　　（3）计算机接口
　　
　　2．现场总线装置的类型
　　
　　现场总线装置的类型为链路控制站和基本的现场装置。链路控制站控制现场总线上数字报文的信息流，它允许每个现场装置按照系统组态时产生的时间调度发送数据报文，数据通讯使现场装置不仅能发送单变量信息，而且能够发送多变量信息。
　　
　　3．通讯方式·
　　
　　在通讯方式上，可采用同步传输，也可采用异步传输，可采用双工和半双工方式。但是，在具体的通讯协议上，还存在较大的差别。对于远程智能I／O．的网络，几乎各生产厂家都有各自的协议，而与其它的产品不相兼容，但由于都可处理现场模拟信号，因此对整个系统的运行影响不大。
　　
　　’4．HART协议
　　
　　HART协议是由ROSMOUNT在八十年代中期开发的一种可寻址的远程传感器数据公路，在BELL202基础上采用移频键控方式，使用1．2kHz和2．2kHz，在4~20mA模拟信号上完成数字信号传送。
　　
　　HART协议采用串行、异步、半双工方式通讯，总线zui多允许2个主控设备（计算机和手持终端）、现场装置zui多允许15只智能变送器，同时挂在总线上运行，总线允许单点接地。通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线：用单个现场仪表可实现多变量通讯，不同
　　
　　制造厂生产的装置之间可以*互操作；增加现场一级的控制功能；系统集成大大简化，并且维护十分简便。
　　
　　5．现场总线标准及发展
　　
　　现场总线标准是指通信网络标准化，以便使各种现场装置均遵守相同的协议，任何不同厂家的产品都能挂在同一总线上，与计算机或控制系统相连，实现信息和资源共享。从发展上看，现场总线的标准化将给用户带来巨大的效益，如节约60％的信号电缆，大大减少一次性投资。统一后的标准将在兼容HART协议和DE协议的基础上，具有更强、更高的性能指标。
　　
　　6．采用现场总线的意义
　　
　　（1）简化了控制系统的结构
　　
　　采用现场总线，改变了I／O集中处理的局面，分布在现场的智能装置负担起过程I／O信号的就地处理任务，并经现场总线沟通与功能处理器的，从而减少了计算机控制系统I／O卡件的使用量，使整个控制系统的组态得到了简化。
　　
　　（2）节省了I／O电缆的投资
　　
　　现场总线既是连接现场智能装置的纽带，又是沟通与计算机控制系统通讯的桥梁。由于现场总线的出现，变以往计算机控制系统与现场间千丝万缕的为单一的总线通讯，避免了大量现场信号电缆的长距离敷设，使过程UO电缆的使用量锐减，据估计可以节约60％的信号电缆。
　　
　　（3）提高了I／O信号的可靠性
　　
　　采用现场总线以后，过程I／O的处理均在就近的现场智能装置内完成，避免了小信号的长距离传送，使信号的保真度大大提高；现场智能装置与计算机控制系统的通讯，采用成熟的数字通讯技术（包括校验、容错、纠错技术等），确保了信号传递过程中的可靠性。

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