新型智能儀器類型和工作原理

1、新型智能儀器類型和工作原理 9.1 個人儀器 9.2 虛擬儀器 9.3 現(xiàn)場總線儀器 9.1 個人儀器9.1.1 個人儀器的原理及特點 個人儀器（也稱PC儀器）是在智能化儀器的發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的又一種新型微機化儀器,它是個人計算機與電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)品。這類儀器的基本構(gòu)想是將原智能儀器儀表中測量部分的硬件電路以附加插件或模板的形式插入到PC機的總線插槽或擴展機箱中；而將原智能化儀器中的控制、存儲、顯示和操作運算等軟件任務(wù)都移交給PC機來完成。 由于它充分利用了PC機的軟件和硬件資源，因而相對于傳統(tǒng)的智能儀器來說,極大地降低了成本，方便了使用，提高了可靠性，顯示出廣闊的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，若將多

2、種測控儀器插件或模板組合在一個PC系統(tǒng)中，還可以構(gòu)成稱之為個人儀器的系統(tǒng)，以代替價格昂貴的GP-IB接口測試系統(tǒng)的工作。 個人儀器的主要形式 1） 內(nèi)插式：它把儀器插件卡直接插入到PC機內(nèi)部總線擴展槽內(nèi)，如圖（a）所示。 2） 外插式：克服內(nèi)插式缺點的辦法之一是定義新的儀器總線,并將儀器插件移到個人計算機外的獨立機箱中去,如圖（b）所示。 3） VXI總線儀器系統(tǒng)：上述形式的個人儀器及系統(tǒng)以它突出的優(yōu)點顯示出強大的生命力。然而，由于各廠家生產(chǎn)的儀器沒有采用統(tǒng)一的標準，用戶在組成個人儀器系統(tǒng)時不能將不同廠家的儀器模塊和插件插在同一主機箱內(nèi)，這就妨礙了個人儀器的發(fā)展。于是,就發(fā)出了標準化的呼聲。V

3、XI儀器系統(tǒng)就是在這種形式下應(yīng)運而生的。1987年7月，HP、Tektronix等五家電子儀器公司提出了用于儀器模塊式插卡的新型互聯(lián)標準VXI總線。 個人儀器的主要特點 1） 成本低：在個人儀器系統(tǒng)中，每個測試功能不是由整機，而是由插件完成的。每個插件不必具有智能儀器所需的微處理器、顯示裝置、鍵盤、機箱等部件，因而制成本大大降低。 2） 使用方便：在個人儀器中，標準的儀器功能寫在操作軟件中，并備有簡單的清單（Menu）。用戶可根據(jù)清單進行選擇，無需編制程序就能完成各種測試任務(wù)，操作方便。 3） 制造方便：儀器插件卡與個人計算機之間的關(guān)系遠不如智能儀器中微處理器與測量部件之間的關(guān)系密切,而價廉物

4、美的個人計算機可以購買。儀器制造廠可集中精力研制、生產(chǎn)測試插件卡，生產(chǎn)周期短，制造方便。 4） 實時交互：個人儀器是通過微機的系統(tǒng)總線連接的，相互間可進行實時的交互聯(lián)系。例如，可讓一臺儀器去觸發(fā)另一臺儀器，使其在時間上相互關(guān)聯(lián)；而在GP-IB系統(tǒng)中，儀器間不能實時交互，它們只接受系統(tǒng)控制器的控制，或向控制器提出服務(wù)請求。 個人儀器的組成原理 1） 硬件結(jié)構(gòu)：個人儀器的硬件是由儀器插件通過總線與個人計算機融合在一起構(gòu)成的，因而儀器插件硬件部分總有接口和測量控制兩大部分電路，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 個人儀器插件的一般結(jié)構(gòu) 接口部分由接口芯片、地址譯碼電路、控制電路等部分組成，這與PC機的一般功能接

5、口卡的接口電路基本一致。 測量控制部分與智能儀器的測量控制部分電路也基本一致，一般包括輸入輸出電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、時基與時鐘等部分。 2） 軟面板：個人儀器不同于普通智能儀器的一個顯著特點是，用戶不再使用儀器的硬面板，而是采用軟面板實現(xiàn)對儀器的操作。所謂軟面板，是指在高分辨率CRT上由作圖生成的儀器面板圖形。 用戶通過操縱鍵盤,移動鼠標、光標或觸摸屏方式來選擇軟面板上的“軟按鍵”。顯示在CRT上的軟面板可以采用C語言、BASIC語言及圖形化編程語言來繪制。軟面板根據(jù)測控儀器的性質(zhì)不同可以有很多種形式,但一般包括儀器面板顯示、軟按鍵操作、狀態(tài)反饋欄和系統(tǒng)控制窗口等。

6、3） 個人儀器系統(tǒng)軟件：個人儀器系統(tǒng)一般有人工和程序兩種控制方式，下圖為個人儀器軟件系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。個人儀器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 9.2 虛擬儀器 9.2.1 虛擬儀器的原理及特點 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與必要的功能化硬件模塊結(jié)合起來的一種儀器，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像操作自己定義，自己專門設(shè)計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣，從而完成對被測控參數(shù)的采集、運算與處理、顯示、數(shù)據(jù)存儲、輸出等任務(wù)。虛擬儀器通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成。 儀器模塊的功能主要靠軟件實現(xiàn)，通過編程在顯示屏上構(gòu)成波形發(fā)生器、示波器或數(shù)字萬用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板；而波形發(fā)生器

7、發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值和偏置，或者示波器的測量通道、標尺比例、時基、極性、觸發(fā)信號（沿口、電平、類型）等都可用鼠標或按鍵進行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用，同時，虛擬儀器具有更強的分析處理能力。 虛擬儀器不強調(diào)每一個儀器功能模塊就是一臺儀器，而是強調(diào)選配一個或幾個帶共性的基本儀器硬件來組成一個通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的智能儀器一樣，虛擬儀器也可以劃分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達三個部分。 虛擬儀器的組成 虛擬儀器同智能儀器一樣,也是由硬件和軟件兩大部分組成的。下面就從這兩個方面介紹虛擬儀器的構(gòu)成。 1） 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)：硬件系統(tǒng)可

8、分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。硬件平臺可以是各種類型的計算機,如普通臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。計算機管理著虛擬儀器的硬、軟件資源,是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標準等方面的發(fā)展,導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 虛擬儀器硬件平臺 2） 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)：基本硬件確定之后，要使虛擬儀器能按用戶要求自行定義，必須有功能強大的軟件平臺支持。早先的軟件開發(fā)環(huán)境很不理想，即使是用C、C+高級語言也會感到與高速測試及縮短開發(fā)周期的要求極不適應(yīng)。經(jīng)過大量工作，現(xiàn)在基于圖形的用戶接口和開發(fā)環(huán)境是虛擬儀器軟件工作中最流行的發(fā)展趨勢。典型的軟件產(chǎn)

9、品有NI公司的Lab VIEW；HP公司的HP VEE和HP TIG；Tektronix公司的Ez-Test和TNS等。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示?；谲浖谔摂M儀器系統(tǒng)中的重要作用，從低層到頂層，虛擬儀器的軟件系統(tǒng)框架包括三個部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)（1）VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）庫 VISA庫實質(zhì)就是標準的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱，一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用來實現(xiàn)對儀器的控制。對

10、于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說,VISA庫是一個可調(diào)用的操作函數(shù)庫或集合。 （2） 儀器驅(qū)動程序 儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序，儀器廠商將其以源代碼的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用儀器驅(qū)動程序。（3） 應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上,直接面對操作用戶,通過提供直觀、友好的操作界面,豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能來完成自動測試任務(wù)。應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。 通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù),如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等；時域分析的

11、相關(guān)分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等；濾波設(shè)計中的數(shù)字濾波等。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。 虛擬儀器的特點 （1） 融合計算機的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，增強了儀器的功能。高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。 （2） 利用計算機豐富的軟件資源，實現(xiàn)部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性。通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理；通過圖形用戶界面技術(shù)，真正做到界面友好的人機交互。 （3） 基于計算機總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現(xiàn)了模

12、塊化、系列化大大縮小了系統(tǒng)尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器。 （4）基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，VI系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)(Connectivity)特性，該特性廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標準。因此,利用VI技術(shù)可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)（ATS,Automatic Test System），實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。 （5）基于計算機的開放式標準體系結(jié)構(gòu)，虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時間。 （6） 研制費用低而且部分

13、軟、硬件可以重復(fù)利用，技術(shù)更新快（周期12年）。 9.3 現(xiàn)場總線儀器 9.3.1 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線的概念 現(xiàn)場總線是一種用于現(xiàn)場儀器雙向數(shù)字通信協(xié)議，是新一代智能儀器的通信標準。 國際電工委員會（IEC）的標準和現(xiàn)場總線基金會（FF）將其定義為：“現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。” 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生 現(xiàn)場總線的概念是在20世紀70年代末，由歐洲的一些發(fā)達國家提出來的。其原因是由于微處理器與計算機功能的不斷增強和器件價格的急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，用戶需要在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、企業(yè)與企業(yè)之間進行信息的交換，希望資源得到共享以

14、及進行遠程管理與控制。而原先處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，因其采用一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng),難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成了“信息孤島”。 要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息，實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界之間的信息交換。眾所周知，由于來自工廠底層的設(shè)備（如傳感器、變送器、執(zhí)行元件等）數(shù)量眾多，其需要通信的信息量巨大。若用載波頻帶子網(wǎng)，雖可以解決，但費用較大；用傳統(tǒng)的點對點互連則

15、效率很低，且連接的數(shù)目有限，控制復(fù)雜。 此外，工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境一般比較惡劣。較為理想的方案是將現(xiàn)場的所有傳感器、變送器及執(zhí)行元件用一根單獨的總線（即現(xiàn)場總線）連接起來，通過網(wǎng)橋與MAP載波頻帶子網(wǎng)上的控制器進行通信。這個方案一經(jīng)提出，很快得到了國際上許多著名電器制造商的響應(yīng)。 為適應(yīng)越來越多的異種計算機系統(tǒng)間互連的“開放式”系統(tǒng)的需要,人們建立了開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI,Open System Interconnection）的基本參考模式,并于1983年制定了該參考模式的國際標準（ISO7498）。從此奠定了系統(tǒng)互連標準開放的基礎(chǔ),對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展起到了重要的促進作用。ISO7498定義了

16、如下圖所示的OSI的七層體系結(jié)構(gòu),其中,每個層次都在信息交換的任務(wù)中擔當相對獨立的角色,具有特定的功能。 OSI參考模型的七層體系結(jié)構(gòu) 由于微處理器的嵌入式應(yīng)用,導(dǎo)致工業(yè)測控領(lǐng)域中各種儀器儀表、自動化裝置和設(shè)備的智能化逐步下移。此變革適應(yīng)了建立分布式測控系統(tǒng)的需要和實現(xiàn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)“危險徹底分散”的要求,逐漸發(fā)展為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS,Fieldbus Control System）。 FCS采用全分散式的體系結(jié)構(gòu),現(xiàn)場智能儀器儀表和智能化裝置具有高度的自治性。即使局部出現(xiàn)問題,系統(tǒng)中的其他部分仍然可以按既定的控制規(guī)律繼續(xù)運行,從而大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)

17、字化,執(zhí)行測控任務(wù)的節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的操作等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號向網(wǎng)上發(fā)送,執(zhí)行管理任務(wù)的節(jié)點以數(shù)字形式向網(wǎng)上發(fā)送命令。由于通信電纜（雙絞線）是所有節(jié)點之間的惟一連接,因此避免了模擬信號傳輸過程中的干擾,降低了對環(huán)境、接地等的要求,并保證了數(shù)據(jù)的一致性。由于FCS在體系結(jié)構(gòu)、價格、安全性和開放性等方面的優(yōu)勢,從21世紀起將取代DCS成為過程控制系統(tǒng)的主流。現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字的雙向多站點通信系統(tǒng),按ISO7498標準（OSI）提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),具有可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，通信速率高，造價低和維護成本低等優(yōu)點。傳統(tǒng)的420 mA控制回路通常只能傳輸代表過程變量的一個信號,而現(xiàn)場總線

18、能夠在傳送多個過程變量的同時一并傳送儀表的標識符和簡單的診斷信息等。從上面的內(nèi)容可以看到,具有七層結(jié)構(gòu)的OSI參考模型可支持的通信功能是相當強大的。而作為工業(yè)控制現(xiàn)場底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線要構(gòu)成開放互連系統(tǒng)應(yīng)該如何選擇通信模型,是采用完全型還是簡化型？是否需要實現(xiàn)OSI的全部功能？是否要采用那樣復(fù)雜的協(xié)議？這些都是值得考慮的問題。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等,它們通常相當零散地分布在一個較大的范圍內(nèi)。對由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說,單個節(jié)點面向控制的信息量不大,信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對比較簡單,但實時性、快速性的要求較高。如果按照七層模式的參考模型,由于層間操作與轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性,網(wǎng)絡(luò)

19、接口的造價與時間開銷顯得過高。為了滿足實時性要求,也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本,現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎(chǔ)上進行了不同程度的簡化。 典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型如下圖所示,它采用了OSI模型中的三個典型層： 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。在省去中間36層后,考慮到現(xiàn)場總線的通信特點,設(shè)置了一個現(xiàn)場總線訪問子層。它具有結(jié)構(gòu)簡單,執(zhí)行協(xié)議直觀,價格低廉等優(yōu)點，也滿足了工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求。由于它是OSI模型的簡化形式,因此開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線參考模型既要遵循開放系統(tǒng)集成的原則,又要充分兼顧測控應(yīng)用的特點和特殊要求。 典型現(xiàn)場總線協(xié)議模型 由于現(xiàn)場總線是雙向的,因

20、此,用戶能夠從中心控制室對現(xiàn)場智能儀器儀表進行控制,使遠程調(diào)整、診斷和維護成為可能,甚至能夠在故障發(fā)生前進行預(yù)測。符合開放式標準的兼容性,可以使用戶選擇不同廠家的產(chǎn)品來構(gòu)成FCS系統(tǒng),用戶的權(quán)益得到了很好的維護。從20世紀80年代初開始,美國的霍尼威爾公司、福可斯波羅公司,日本的橫河公司,歐洲的西門子公司、飛利浦公司等都相繼推出了可用于現(xiàn)場總線的系列智能化產(chǎn)品。它們大多數(shù)都是以國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型作為基本框架,并根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用需要施加某些特殊規(guī)定后形成的標準,在較大范圍內(nèi)取得了用戶與制造商的認可,從而促進了現(xiàn)場總線的應(yīng)用,推動了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。3） 幾種典型的現(xiàn)場總線20世紀80

21、年代中期,德國、法國等歐洲國家的一些大公司在推出自己的“現(xiàn)場總線”產(chǎn)品的同時也制定了相應(yīng)的國家標準。20世紀90年代以后,現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展迅猛,出現(xiàn)了群雄并起,百家爭鳴的局面,全世界開發(fā)的現(xiàn)場總線的種類達數(shù)十種。然而,這些現(xiàn)場總線通過實際應(yīng)用,其優(yōu)劣差別日趨明顯,優(yōu)存劣汰已漸漸形成。在作為行業(yè)標準的現(xiàn)場總線領(lǐng)域內(nèi),始終有45種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)不相上下,它們具有各自的特點,也顯示了較強的生命力。 （1）HART總線。 最早的現(xiàn)場總線系統(tǒng)HART（Highway Addressable Remote Transducer）是美國Rosemount公司于1986年提出并研制的一種通信協(xié)議,得到了80多家著

22、名儀器儀表制造商的支持,這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,可以在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信。它在常規(guī)模擬儀表的420 mA DC信號的基礎(chǔ)上迭加了FSK（Frequency Shift Keying）數(shù)字信號。這種通信協(xié)議既可以用于420 mA DC的模擬儀表,也可以用于數(shù)字式通信儀表。它屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭力,得到了廣泛的應(yīng)用。（2） CAN總線。 CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡稱,是由德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò),適合

23、于工業(yè)設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)。CAN可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可主動向其他節(jié)點發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級,一旦發(fā)生總線沖突,會減少總線的仲裁時間。CAN采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀為8個字節(jié),數(shù)據(jù)的出錯率極低,被認為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖,通信速率最高達1 Mb/s,傳輸距離可達10km。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制定為國際標準,并廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也基于OSI模型,但進行了優(yōu)化,抗干擾能力強,可靠性高。（3） LonWorks總線。 LonWorks是美國Echelon公司推出的一種功能全面的測控網(wǎng)絡(luò),主要

24、用于工廠及車間的環(huán)境、安全、保衛(wèi)、報警、動力分配、給水控制、庫房和材料管理等。該總線技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片是高性能、低成本的專用神經(jīng)元芯片,能實現(xiàn)完整的LonTalk通信協(xié)議。該協(xié)議支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)。目前,LonWorks在國內(nèi)應(yīng)用最多的是電力行業(yè),如變電站自動化系統(tǒng)；另外,樓宇自動化和住宅自動化也是其主要應(yīng)用行業(yè)之一。（4） PROFIBUS總線。 PROFIBUS（Process Field Bus）是由西門子等十幾家公司、研究所共同推出的符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場

25、總線標準。協(xié)議包括Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三部分。Profibus-DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動化領(lǐng)域；Profibus-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等；而Profibus-PA則是適于過程自動化的總線類型。該總線的最大特點是具有在防爆危險區(qū)內(nèi)連接的本征安全特性,是一種面向工業(yè)自動化應(yīng)用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。（5） 基金會現(xiàn)場總線FF。 FF（Foundation Fieldbus）是由現(xiàn)場總線基金會提供的一種全新概念的通信標準,是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù),主要用于工業(yè)過程控制和制

26、造業(yè)自動化環(huán)境。FF總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。 H1的傳輸速率為31.25 kb/s,通信距離可達1900 m,可支持總線供電,支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 H2的傳輸速率可為1 Mb/s和2.5 Mb/s兩種,其通信距離分別為750 m和500 m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射,協(xié)議符合IEC1158-2標準。FF總線的主要技術(shù)內(nèi)容包括FF通信協(xié)議, 用于完成開放互連模型中第27層通信協(xié)議的通信棧,用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典,用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊,實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集

27、成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。上述這些已被用戶采用的現(xiàn)場總線技術(shù)都有各自的標準。由于不同現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)品并不兼容,加上眾多行業(yè)需求各異,制造商及用戶都要考慮已有現(xiàn)場總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益,這種情況導(dǎo)致了在一段時間內(nèi)仍然是多種現(xiàn)場總線標準共存的局面。 現(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點,受到全世界的普遍關(guān)注?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn),將導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革,而自動化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。2. 現(xiàn)場總

28、線系統(tǒng)的技術(shù)特點 1） 系統(tǒng)的開放性 開放是指相關(guān)標準的一致性、公開性,強調(diào)對標準的共識與遵從。 一個開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致、公開,各不同廠家的設(shè)備之間可以實現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要,把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。2） 互操作性和互用性 互操作性是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。 3） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散化 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。 4

29、） 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線,是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的,可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信,并可滿足本質(zhì)安全防爆等要求。 5） 系統(tǒng)成本降低,性能提高 采用現(xiàn)場總線技術(shù)后,由于現(xiàn)場底層設(shè)備智能化以及改變了過去點對點的連接方式,使自動化系統(tǒng)的性能價格比大幅度提高,具體表現(xiàn)為（1） 系統(tǒng)成本降低。系統(tǒng)成本包括硬件成本和軟件成本與輔助成本。 硬件成本降低： 由于采用一對雙絞線或一條電纜掛接多個設(shè)備的串行連接方式,因此導(dǎo)線、電纜、端子、槽盒、橋架的用量大幅度下降。 軟件成本與輔助成本降低： 由于系統(tǒng)簡化,使得系統(tǒng)設(shè)

30、計、安裝、調(diào)試、維護費用大幅度下降。（2） 系統(tǒng)性能提高。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 具有故障診斷能力。當通信電器發(fā)生故障時,通信電器與現(xiàn)場總線連接器能顯示出故障信號,便于故障排除,以確保系統(tǒng)的正常運行； 系統(tǒng)傳輸信息量增加,提高了系統(tǒng)自動化程度； 信號傳輸精度高、及時,提高了系統(tǒng)運行的可靠性。 3. 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生促進了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,并且使現(xiàn)場控制的功能更加強大。由于采用現(xiàn)場總線帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性,因此使得系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷等綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。今后,現(xiàn)場總線的發(fā)展預(yù)計將表現(xiàn)在如下幾個方面。1） 現(xiàn)場總線標準的統(tǒng)一問題目前流

31、行的各種現(xiàn)場總線代表著不同公司的利益,誰都想把自己的“蛋糕”做大。因此,各大廠商都不遺余力地推廣自己的現(xiàn)場總線,并積極參與和把持相應(yīng)現(xiàn)場總線標準的制定工作。這種局面導(dǎo)致了在現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和應(yīng)用水平上,現(xiàn)場總線領(lǐng)域已經(jīng)很難統(tǒng)一,同時又阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。那么,現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展究竟應(yīng)往哪里去？ 標準是否要統(tǒng)一？采用哪種技術(shù)？這些已成為當前研究現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的熱點。根據(jù)分析認為有兩種可能： 一種可能是,維持幾種性能優(yōu)異的現(xiàn)場總線共存的局面。因為現(xiàn)場總線現(xiàn)已呈現(xiàn)兼容并蓄的發(fā)展趨勢,各自動化廠商除花大力氣從事自身的總線產(chǎn)品開發(fā)推廣外,同時也充分吸收、采納其他總線的相關(guān)技術(shù),推出包容多種技術(shù)標準的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。尤以整合了Ethernet和TCP/IP技術(shù)的現(xiàn)場總線是今后現(xiàn)場總線發(fā)展的主流體系和應(yīng)用熱點。 由于Ethernet技術(shù)的快速發(fā)展,Ethernet在電子世界成為事實上的標準是必然的,Ethernet介入控制領(lǐng)域已經(jīng)初見端倪。TCP/IP是將數(shù)據(jù)打包成信息,從多個數(shù)據(jù)源仲裁傳送， 并保證在另一端完整地重建信息的一種方式。許多供應(yīng)商都在設(shè)計不同的協(xié)議以便將其現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到TCP/IP上,這樣,就可實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸,