遠程智能I／O及現(xiàn)場總線技術(shù)

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，推動了工業(yè)自動化控制體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不斷的變化，傳統(tǒng)的4~20mA模擬信號制將逐步被雙向數(shù)字通訊現(xiàn)場總線制所取代，模／數(shù)型的DCS系統(tǒng)將更新?lián)Q代為全數(shù)字型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

一、遠程智能I／O

遠程智能I／O的應(yīng)用，使過程信號得到就地數(shù)字化處理，從而大大提高了系統(tǒng)的測控精度，另外，抗干擾能力和可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性也得到了提高，這些推動了現(xiàn)場總線的發(fā)展，加速了現(xiàn)場一次元件的數(shù)字化與智能化進程。智能變送器就是遠程智能I／O與現(xiàn)場一次元件滲透和融合的結(jié)果。

1．遠程智能I／O的組成及工作原理

遠程智能I／O的設(shè)計采用DCS的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及PLC和單回路控制器的現(xiàn)場處理控制技術(shù)，目的是使DCS系統(tǒng)分散，實現(xiàn)過程I／O遠程化和智能化。遠程智能I／O系統(tǒng)一般部分組成：（1）位于現(xiàn)場的智能前端；（2）通訊總線；（3）計算機適配器。智能前端的通道數(shù)一般有15~20個。

遠程智能I／O的工作原理是：智能前端機將現(xiàn)場信號就近采集并作處理后，用數(shù)字通信方式將處理結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總線和適配器傳送給計算機，進行綜合運算處理，用于顯示、分析和控制；計算機處理后的數(shù)據(jù)通過適配器和網(wǎng)絡(luò)總線傳送給現(xiàn)場控制前端機，由控制前端機按預(yù)定方式向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)對工業(yè)過程和設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制。遠程智能I／O的核心技術(shù)是通信網(wǎng)絡(luò)和前端智能化。

2．智能I／O的特點

（1）抗干擾能力和測控精度高

采用遠程智能I／O就近處理信號，并通過數(shù)字通訊方式傳輸信息，具有較強的抗干擾能力，處理精度得到提高。模擬量信號的測量精度可達0．1級以上，開關(guān)量分辨率可高達lms。

（2）主機的負荷減小便于擴充和增加管理功能

I／O前端機智能化程度高，數(shù)據(jù)的處理能力強，所有I／O的管理任務(wù)可由適配器完成，大大解放了主機，便于進行功能擴展和實現(xiàn)高級控制與管理功能。

（3）可靠性高

采用隔離浮空的串行網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)，避免了多點I／O共地可能引起的地線回流帶來的電磁干擾；每個前端與網(wǎng)絡(luò)在電氣上是隔離的，獨立運行，任何故障和危險都被限制在局部，可靠性大大增強。．

（4）開放性好

遠程智能I／0可方便地改變適配器類型，以滿足各種計算機和總線系統(tǒng)。特別是采用具有多種主機網(wǎng)絡(luò)的遠程I／0系統(tǒng)，很容易構(gòu)成各種控制監(jiān)控系統(tǒng)，融入管理信息系統(tǒng)和全網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，使其成為具有現(xiàn)場信息的實時MIS系統(tǒng)，對統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化管理和協(xié)調(diào)控制具有重要意義。

二、現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通訊的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線一般可采用雙絞線、同軸電纜和光纖，目前多采

用雙絞線或屏蔽雙絞線。．

1．現(xiàn)場總線的組成

（1）現(xiàn)場智能儀表（主要指智能變送器）

（2）總線通訊部分

（3）計算機接口

2．現(xiàn)場總線裝置的類型

現(xiàn)場總線裝置的類型為鏈路控制站和基本的現(xiàn)場裝置。鏈路控制站控制現(xiàn)場總線上數(shù)字報文的信息流，它允許每個現(xiàn)場裝置按照系統(tǒng)組態(tài)時產(chǎn)生的時間調(diào)度發(fā)送數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)通訊使現(xiàn)場裝置不僅能發(fā)送單變量信息，而且能夠發(fā)送多變量信息。

3．通訊方式·

在通訊方式上，可采用同步傳輸，也可采用異步傳輸，可采用雙工和半雙工方式。但是，在具體的通訊協(xié)議上，還存在較大的差別。對于遠程智能I／O．的網(wǎng)絡(luò)，幾乎各生產(chǎn)廠家都有各自的協(xié)議，而與其它的產(chǎn)品不相兼容，但由于都可處理現(xiàn)場模擬信號，因此對整個系統(tǒng)的運行影響不大。

’4．HART協(xié)議

HART協(xié)議是由ROSMOUNT在八十年代中期開發(fā)的一種可尋址的遠程傳感器數(shù)據(jù)公路，在BELL202基礎(chǔ)上采用移頻鍵控方式，使用1．2kHz和2．2kHz，在4~20mA模擬信號上完成數(shù)字信號傳送。

HART協(xié)議采用串行、異步、半雙工方式通訊，總線zui多允許2個主控設(shè)備（計算機和手持終端）、現(xiàn)場裝置zui多允許15只智能變送器，同時掛在總線上運行，總線允許單點接地。通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線：用單個現(xiàn)場儀表可實現(xiàn)多變量通訊，不同

制造廠生產(chǎn)的裝置之間可以完全互操作；增加現(xiàn)場一級的控制功能；系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護十分簡便。

5．現(xiàn)場總線標準及發(fā)展

現(xiàn)場總線標準是指通信網(wǎng)絡(luò)國際標準化，以便使各種現(xiàn)場裝置均遵守相同的協(xié)議，任何不同廠家的產(chǎn)品都能掛在同一總線上，與計算機或控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)信息和資源共享。從發(fā)展上看，現(xiàn)場總線的標準化將給用戶帶來巨大的效益，如節(jié)約60％的信號電纜，大大減少一次性投資。統(tǒng)一后的國際標準將在兼容HART協(xié)議和DE協(xié)議的基礎(chǔ)上，具有更強、更高的性能指標。

6．采用現(xiàn)場總線的意義

（1）簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

采用現(xiàn)場總線，改變了I／O集中處理的局面，分布在現(xiàn)場的智能裝置負擔起過程I／O信號的就地處理任務(wù)，并經(jīng)現(xiàn)場總線溝通與功能處理器的，從而減少了計算機控制系統(tǒng)I／O卡件的使用量，使整個控制系統(tǒng)的組態(tài)得到了簡化。

（2）節(jié)省了I／O電纜的投資

現(xiàn)場總線既是連接現(xiàn)場智能裝置的紐帶，又是溝通與計算機控制系統(tǒng)通訊的橋梁。由于現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，變以往計算機控制系統(tǒng)與現(xiàn)場間千絲萬縷的為單一的總線通訊，避免了大量現(xiàn)場信號電纜的長距離敷設(shè)，使過程UO電纜的使用量銳減，據(jù)估計可以節(jié)約60％的信號電纜。

（3）提高了I／O信號的可靠性

采用現(xiàn)場總線以后，過程I／O的處理均在就近的現(xiàn)場智能裝置內(nèi)完成，避免了小信號的長距離傳送，使信號的保真度大大提高；現(xiàn)場智能裝置與計算機控制系統(tǒng)的通訊，采用成熟的數(shù)字通訊技術(shù)（包括校驗、容錯、糾錯技術(shù)等），確保了信號傳遞過程中的可靠性。

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