現(xiàn)場總線技術(shù)課件

2023/9/6模塊十現(xiàn)代測量技術(shù)

科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，促進(jìn)現(xiàn)代測量技術(shù)手段更快、更廣泛發(fā)展，測量技術(shù)將在網(wǎng)絡(luò)時代發(fā)生革命性變化。2023/8/3模塊十現(xiàn)代測量技術(shù)科技發(fā)展的腳2023/9/6

模塊十現(xiàn)代測量技術(shù)課題一智能傳感器課題二總線式傳感器2023/8/3模塊十現(xiàn)代測量技術(shù)課題一智能傳2023/9/6[任務(wù)導(dǎo)入]

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計表明，每年有26萬起交通事故是由于輪胎故障引起的，而75%的輪胎故障是由輪胎氣壓不足或滲漏造成的，爆胎造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。有鑒于此，多數(shù)新型汽車都要安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，主要用于汽車行駛過程中實時監(jiān)測輪胎氣壓，并對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，預(yù)防爆胎，以保障行車安全。

課題一智能傳感器2023/8/3[任務(wù)導(dǎo)入]據(jù)調(diào)查統(tǒng)計表明，每年有26萬2023/9/62023/8/32023/9/6本課題的任務(wù)就是用智能壓力傳感器來監(jiān)測輪胎壓力，確保行車安全。

什么是智能傳感器？智能傳感器如何來實現(xiàn)自動監(jiān)測？駕駛者如何直觀地了解各個輪胎的溫度、氣壓狀況？2023/8/3本課題的任務(wù)就是用智能壓力傳2023/9/6◆知識點¤了解智能傳感器的概念和組成◆技能點¤掌握智能傳感器的適用范圍2023/8/32023/9/6一、智能傳感器

所謂智能傳感器就是一種帶有微處理機(jī)的兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器，使之具備了某些人工智能。它將機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)、電子產(chǎn)品和信息技術(shù)完美結(jié)合，使傳感器技術(shù)有了本質(zhì)性的提高。

智能傳感器必須具備通信功能。不具備通信功能，就不能稱之為智能傳感器。[相關(guān)知識]2023/8/3一、智能傳感器所謂智能傳感2023/9/6

智能傳感器主要由四部分構(gòu)成：電源、敏感元件、信號處理單元和通信接口。敏感元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（校準(zhǔn)、補(bǔ)償、濾波），最后通過通信接口，與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，完成測量與控制功能。2023/8/3智能傳感器主要由四部2023/9/6美國通用公司的智能傳感器NPXII代表了世界上最新一代的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測傳感器。NPXII傳感器集成了一個硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位微處理器，以及一個低頻觸發(fā)輸入級，以靈活滿足客戶的特殊解決方案和降低成本的需要。2023/8/3美國通用公司的智能傳感器NP2023/9/6內(nèi)部元件

功

能電源提供所有電路需要的電能。壓力傳感器用于監(jiān)測輪胎內(nèi)部壓力。溫度傳感器用于監(jiān)測輪胎內(nèi)部溫度。加速度傳感器用于車輛移動檢測，提供觸發(fā)模塊工作信號。微處理器用于管理所有外圍設(shè)備，進(jìn)行壓力、溫度、加速度和電池電壓的測量、補(bǔ)償、校準(zhǔn)等工作，以及RF發(fā)射控制和電源管理。RF射頻發(fā)射電路將檢測的壓力、溫度、加速度和電池電壓等數(shù)據(jù)信息，用RF射頻信號發(fā)射出去。LF（低頻）天線接收中央監(jiān)視器發(fā)來的LF開關(guān)信號，并可實現(xiàn)與中央監(jiān)視器的雙向通訊功能。2023/8/3內(nèi)部元件功能電源提供2023/9/6輪胎壓力監(jiān)測傳感器安裝在汽車的四個輪胎中高靈敏的智能傳感器，在汽車行駛狀態(tài)下實時、動態(tài)地監(jiān)測輪胎溫度和壓力，然后將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)字信號發(fā)射到主機(jī)（接收器）進(jìn)行處理，并在主機(jī)液晶顯示屏上以數(shù)字加圖案的形式同時顯示出四個輪胎中的溫度和氣壓值，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的溫度氣壓狀況。當(dāng)出現(xiàn)輪胎氣壓過低、過高、漏氣或溫度過高等異常情況時，系統(tǒng)都能夠自動報警，從而使駕駛員及時發(fā)現(xiàn)問題，避免輪胎非正常損傷，有效預(yù)防爆胎，保障行車安全。2023/8/3輪胎壓力監(jiān)測傳感器安裝在汽車2023/9/6

智能傳感器NPXII具有適合輪胎監(jiān)測應(yīng)用的獨特優(yōu)勢：1．帶加速度傳感器的智能傳感器：使用者可以任意設(shè)定啟動監(jiān)測輪胎壓力系統(tǒng)的速度。2．更加安全智慧的氣壓檢測算法：當(dāng)車子時速超過設(shè)定速度時，傳感器發(fā)射輪胎信息。時速越高檢測次數(shù)也隨之增加。3．靜態(tài)智能檢測：當(dāng)車輛靜止時，如果輪胎充放氣或溫度發(fā)生變化，也可觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)。4．發(fā)射傳感器電池容量監(jiān)測：對發(fā)射傳感器電池容量直接監(jiān)測，如電池容量過低，顯示器會有信息通知用戶更換電池，確保安全。5．智能識別碼設(shè)置：系統(tǒng)自動接收并顯示各個發(fā)射傳感器的識別碼和狀態(tài)。2023/8/3智能傳感器NPXII2023/9/6二、智能傳感器的功能智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，最突出特征是數(shù)字化、智能化、陣列化、微小型化和微系統(tǒng)化。1．它具有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對檢測數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，提高了傳感器的測量準(zhǔn)確度。2．它具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。3．它可以實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測量，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度的復(fù)合傳感器等。4．它內(nèi)部設(shè)有存儲器，檢測的數(shù)據(jù)可以存取。5．它具有數(shù)字通信接口，能與計算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，交換信息。這是智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器的關(guān)鍵區(qū)別之一。6．最新智能傳感器還增加了傳感器故障檢測功能。7．一些智能傳感器還增加了靜電保護(hù)電路，智能傳感器的輸入端一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。2023/8/3二、智能傳感器的功能智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器2023/9/6三、智能傳感器的適用場所

1．在分布式多點測試、集中控制采集、測試現(xiàn)場遠(yuǎn)離集中控制中心的場合。如果采用傳統(tǒng)的傳感器，將造成技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備成本高、數(shù)據(jù)傳輸易受干擾、測量精度低、系統(tǒng)誤差大等缺點。而智能傳感器便能解決上述問題。2．安裝現(xiàn)場受空間條件限制的場所，如埋入大型電機(jī)繞線內(nèi)部，通風(fēng)道內(nèi)部，電子組合件內(nèi)部。如果采用傳統(tǒng)的傳感器，需要定期校驗、檢測，但是由于空間的限制很難完成，而智能傳感器具有自檢測、自診斷、定期自動零點復(fù)位、消除零位誤差等功能。獨立的內(nèi)部診斷功能可避免代價高昂的拆機(jī)、校驗，從而迅速收回投資。2023/8/3三、智能傳感器的適用場所1．在分布式多點測2023/9/63．在自動化程度高、規(guī)模大的自動化生產(chǎn)線上，如：工業(yè)生產(chǎn)過程控制、發(fā)電廠、熱電廠、大型中央空調(diào)設(shè)備用戶端等。在這些場合，測量、控制點多，遠(yuǎn)距離分散，數(shù)據(jù)量大，人工處理不現(xiàn)實，采用智能傳感器即可解決這一錯綜復(fù)雜的問題，能從測量過程中收集大量的信息以提高控制質(zhì)量。4．在經(jīng)常無人看守，但需要檢測的場合，如農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場、溫棚、溫室、干燥房、糧食倉庫等。屬于遠(yuǎn)距離、分散式、多點測試，采用智能傳感器能監(jiān)視自身及周圍的環(huán)境，然后再決定是否對變化進(jìn)行自動補(bǔ)償或?qū)ο嚓P(guān)人員發(fā)出警告。2023/8/33．在自動化程度高、規(guī)模大的自動化生產(chǎn)線上，2023/9/6輪胎壓力監(jiān)測可以有兩種方案：

方案一：間接式輪胎壓力監(jiān)測。可以通過汽車ABS的輪速傳感器來比較各個輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。其缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里／小時的情況進(jìn)行判斷。方案二：直接式輪胎壓力監(jiān)測。以鋰離子電池為電源，利用安裝在每一個輪胎里的的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報警。[任務(wù)實施]2023/8/3輪胎壓力監(jiān)測可以有兩種方案：[任務(wù)實施]2023/9/6經(jīng)試驗證明：直接方式提供了更為精確的輪胎壓力監(jiān)視。而且采用胎壓監(jiān)測傳感器具有體積小，安裝方便的優(yōu)點。在更換輪胎時，不需要拆除傳感器，方便了用戶。智能傳感器可應(yīng)用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動化測試和控制系統(tǒng)，使用方便靈活、測試精度高、優(yōu)于任何傳統(tǒng)的數(shù)字化、自動化測控設(shè)備。2023/8/3經(jīng)試驗證明：直接方式提供了更為精確的輪胎壓2023/9/6[任務(wù)導(dǎo)入]課題二總線式傳感器現(xiàn)代汽車中所使用的電子控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)越來越多，如發(fā)動機(jī)的電控系統(tǒng)、自動變速器的控制系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、自動巡航系統(tǒng)（ACC）和車載多媒體系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和汽車儀表之間均需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如此巨大的數(shù)據(jù)交換量，如采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的方法，一個中級轎車就需要電纜插頭300個左右，電纜總長超過1.6Km，不但裝配復(fù)雜、占用空間大，而且故障率會很高。因此，用串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（即現(xiàn)場總線系統(tǒng)）可以解決上述矛盾。2023/8/3[任務(wù)導(dǎo)入]課題二總線式傳感器現(xiàn)代汽車2023/9/62023/8/32023/9/6所有參加現(xiàn)場總線（CAN總線）的分系統(tǒng)都可以通過其控制單元上的現(xiàn)場總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)在串聯(lián)總線上可以一個接一個的傳送?，F(xiàn)場總線是一個多路傳輸系統(tǒng)，當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障時不會影響其他單元的工作。數(shù)據(jù)總線如何能實現(xiàn)多路傳輸?shù)哪?？本課題的任務(wù)就是了解現(xiàn)場總線技術(shù)及現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)和核心。2023/8/3所有參加現(xiàn)場總線（CAN總線）的分系統(tǒng)都可以2023/9/6◆知識點¤了解現(xiàn)場總線的種類¤學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線的適用場所◆技能點¤掌握總線式傳感器的組網(wǎng)方法2023/8/32023/9/6一、現(xiàn)場總線技術(shù)[相關(guān)知識]生產(chǎn)過程控制儀表是工業(yè)自動化中最常用的、不可缺少的一部分，多數(shù)儀表輸出多為4～20mA(DC)標(biāo)準(zhǔn)信號。但是這種基于模擬信號的測量儀表，暴露出許多缺點，已不能滿足現(xiàn)場的需要。2023/8/3一、現(xiàn)場總線技術(shù)[相關(guān)知識]用戶需求一個電站需要5000臺傳感器及其儀表；一個鋼鐵廠 需要2萬臺傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺傳感器及其儀表；大型發(fā)電機(jī)組需要3000臺傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺傳感器；一架飛機(jī) 需要3600臺傳感器；

2023/9/6用戶需求2023/8/3

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點：一對一結(jié)構(gòu)；信息集成能力不強(qiáng)；系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)；可靠性不易保證；參數(shù)不易調(diào)整，現(xiàn)場人員無法調(diào)整、控制；互換性差；可維護(hù)性不高。2023/9/6傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點：一對一結(jié)構(gòu)；2023/8/3

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線方式的比較a．傳統(tǒng)的接線方式b．現(xiàn)場總線接線方式2023/9/6傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線方式的比較a．傳統(tǒng)的接線方式2023/9/6什么是現(xiàn)場總線？現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。國際電工委員會IEC1158定義為：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場測量裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代名詞，是測控領(lǐng)域的通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2023/8/3什么是現(xiàn)場總線？基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的優(yōu)點：一對N結(jié)構(gòu)；增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力；開放式、互操作性、互換性、可集成性；系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好；降低了系統(tǒng)及工程成本。每臺現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表就是一臺微處理器，并由各節(jié)點構(gòu)成虛擬控制站，這要求采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)。2023/9/6基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的優(yōu)點：一對N結(jié)構(gòu)；2023/82023/9/6二、現(xiàn)場總線的核心與基礎(chǔ)

1．現(xiàn)場總線類型的核心-總線協(xié)議

總線協(xié)議技術(shù)是“信息時代”的高新技術(shù)，它可應(yīng)用于不同的領(lǐng)域之中，但在各自領(lǐng)域中是完全獨立系統(tǒng)。如火力發(fā)電、核電、冶金、油田、石化、汽車制造、機(jī)械制造、樓宇，以及農(nóng)田企業(yè)化、節(jié)水灌溉、水電、風(fēng)力發(fā)電、釀造、輕工等等，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以用不同總線協(xié)議技術(shù)。

對于各類總線而言，其核心是各類“總線協(xié)議”，而這些協(xié)議的本質(zhì)就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。2023/8/3二、現(xiàn)場總線的核心與基礎(chǔ)

1．現(xiàn)場總線類型2023/9/62．現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)-智能測量儀表

現(xiàn)場測量儀表包括多類工業(yè)測量裝置，包括流量、壓力、溫度、振動、轉(zhuǎn)速等傳感器，也包括電子開關(guān)、執(zhí)行器和電子馬達(dá)等。以往的現(xiàn)場測量儀表輸出為4-20mA，便于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。而安裝于測量現(xiàn)場的智能儀表，必須符合下列要求:（1）無論是哪個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場裝置，它必須與它所處的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有統(tǒng)一的總線協(xié)議（遵守相關(guān)的通訊規(guī)約）。（2）用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的現(xiàn)場裝置必須是多功能智能化的。正是由于現(xiàn)場裝置智能化的進(jìn)步與完善，它已成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有力的硬件支撐，是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2023/8/32．現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)-智能測量儀表

智能壓力傳感器AIBlock模擬量輸入塊Pressure壓力mVOUT2023/9/6智能壓力傳感器AIBlockPressuremVOUT2現(xiàn)場總線技術(shù)給用戶帶來的好處

1．節(jié)省硬件成本。2．設(shè)計組態(tài)安裝調(diào)試簡便。3．系統(tǒng)的安全可靠性好。4．減少故障停機(jī)時間。5．用戶對系統(tǒng)配置設(shè)備選型有最大的自主權(quán)。6．系統(tǒng)維護(hù)設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)充方便。7．完善了企業(yè)信息系統(tǒng)，為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化提供了基礎(chǔ)。2023/9/6現(xiàn)場總線技術(shù)給用戶帶來的好處1．節(jié)省硬件成本。20采用智能設(shè)備管理來投運(yùn)儀表2023/9/6采用智能設(shè)備管理來投運(yùn)儀表2023/8/32023/9/62023/8/32023/9/62023/8/32023/9/6三、網(wǎng)絡(luò)傳感器雖然總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用，使組建集中式或分布式測控系統(tǒng)變得更為容易。但集中測控越來越滿足不了復(fù)雜的、遠(yuǎn)程（異地）的和范圍較大的測控任務(wù)的需求，因此，組建網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)非常必要。使用網(wǎng)絡(luò)傳感器，人們可以從任何地點在任意時間獲取到測量信息（或數(shù)據(jù)）。與傳統(tǒng)的儀器、測量、測試相比，是一個質(zhì)的飛躍。2023/8/3三、網(wǎng)絡(luò)傳感器雖然總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)2023/9/6網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。數(shù)字傳感器首先將被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制儀表，實現(xiàn)了各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享，做到“即插即用”，極大地方便了用戶。2023/8/3網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理2023/9/62023/8/32023/9/6自動抄表系統(tǒng)用于水、電、氣不同行業(yè)的自動抄表與收費(fèi)管理。在某種意義上，可以稱為網(wǎng)絡(luò)化儀器。因為自動抄表系統(tǒng)雖然沒有通過Internet互聯(lián)網(wǎng)，但采用公用電話網(wǎng)，即管理中心與小區(qū)電話有線連接，經(jīng)公用電話網(wǎng)對異地用電、用氣等信息進(jìn)行測取和監(jiān)控，為管理部門提供各種信息。2023/8/3自動抄表系統(tǒng)用于水、電、氣不同行業(yè)的自動抄表2023/9/62023/8/32023/9/6四、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是低成本、具有傳感數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的智能傳感器。通過基站或移動路由器等基礎(chǔ)通信設(shè)施，以自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。可以有幾百甚至幾千個傳感器部署在監(jiān)測地域。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器由許多個功能相同或不同的無線智能傳感器組成。每個傳感器除了包含智能傳感器所必備的功能外，還具有無線通信功能(具有無線收發(fā)器模塊)，且自帶供電模塊。2023/8/3四、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是低成本、具2023/9/6無線網(wǎng)絡(luò)傳感器可以安裝在危險工作環(huán)境，如煤礦、石油鉆井、核電站等工作環(huán)境；也可以安裝在野外無人看守的惡劣環(huán)境中，如自然環(huán)境的監(jiān)控，野外傳輸管道流量監(jiān)測等；還可以安裝在工廠的排放口，實時檢測工廠的廢水、廢氣等污染源。把操作人員從高危環(huán)境中解放出來。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器必須具有良好的抗毀能力，如果某一傳感器測試單元損壞，可以利用其他節(jié)點完成信息采集、處理和傳輸。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量巨大，因此傳感器的成本必須盡可能的低。同時無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的工作環(huán)境和工作方式要求傳感器必須做到體