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工程测试技术第六章计算机化测试系统本章学习要求：1.了解现场总线技术；2.了解网络智能传感器技术；3.了解智能仪器的构成和工作原理；4.了解虚拟仪器的构成和工作原理。华中科技大学材料学院工程测试技术本章目录6.1概述（4学时）6.2现场总线技术6.3网络智能传感器6.4智能仪器仪表6.5虚拟仪器华中科技大学材料学院工程测试技术6.1概述显示终端打印机微型机测试对象A/D转换器采样器测量元件华中科技大学材料学院工程测试技术基于虚拟仪器的工业测控系统架构自动化软件PLC智能仪表数据采集现场总线个人计算机或工作站图象公司IntranetorInternet分布式I/O智能传感器过程华中科技大学材料学院工程测试技术计算机化测试系统涵盖的方面a.现场总线技术b.网络智能传感器c.智能仪器仪表d.虚拟仪器华中科技大学材料学院工程测试技术6.2现场总线技术现场总线在自动化系统中的位置华中科技大学材料学院工程测试技术现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。或者，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。具体化地讲：现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，按ISO的OSI标准提供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，造价低，维护成本低。1.现场总线的定义华中科技大学材料学院工程测试技术传统方式现场级设备与控制器之间连接采用一对一所谓I/O接线方式，传递4-20mA或24VDC信号。华中科技大学材料学院工程测试技术现场总线技术主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA（模拟量）/24VDC（开关量）信号，使用一根电缆连接所有现场设备。华中科技大学材料学院工程测试技术2.现场总线的优点可大大节约连接导线、维护和安装费用，可以用低廉的造价组成一个系统。一个传统的4～20mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信号。现场总线能够在传送多个过程变量的同时，一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息，具有监视与控制能力强、可靠性与故障容限高、实时响应性好和对环境要求低等优点。数字信息可排除模拟信息传输和转换中所产生的误差。由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能够在故障发生前进行预测。华中科技大学材料学院工程测试技术传统控制系统的布线华中科技大学材料学院工程测试技术现场总线控制系统的布线320I/O384I/O华中科技大学材料学院工程测试技术过去十年，现场总线技术得到了迅速的发展，但是，却未能形成一种统一的国际标准。两方面原因：技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到许多底层设备的不同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互连的协议制定；另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。3.现场总线技术的发展华中科技大学材料学院工程测试技术4.世界上流行的几种现场总线CAN,PROFIBUS,HART,Fieldbus,WorldFIP,LonWorks,MODBUS,INTERBUS,AnyBus,DNET,P-NET,LIGHTBUS等40余种华中科技大学材料学院工程测试技术a.FF(FieldbusFoundation)总线由美国仪器协会(ISA)1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层和应用层之上附加了用户层，通过对象字典OD(ObjectDictionary)和设备描述语言DDL(DeviceDescriptionLanguage)实现可互操作性。目前基于FF的现场总线产品有，美国Smart公司生产的压力温度变送器，Honeywell&Rockwell推出的ProcessLogix系统，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。华中科技大学材料学院工程测试技术b.Profibus(ProcessFieldbus)德国西门子公司87年推出，主要应用于PLC。产品有三类：FMS用于主站之间的通讯；DP用于制造行业从站之间的通讯；PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至十年前，限于当时计算机网络水平，大多建立在IT网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求的提高，现场总线的产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产品今后的进一步发展带来了一定的局限性。华中科技大学材料学院工程测试技术c.HART总线HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)-可寻址远程传感器数据通路是美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。HART为一过渡性标准，它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200Hz表“0”，1200Hz表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近20年。华中科技大学材料学院工程测试技术d.CAN(ControlAreaNetwork)德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等适用：汽车，中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统，受到广泛重视，公认为最有前途的现场总线之一。华中科技大学材料学院工程测试技术华中科技大学材料学院工程测试技术e.LonWorks(LocalOperatingNetwork)LonWorks是美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。其主要单元有：LonTalkprotocolLONWORKStransceiversNeuronchipsNetworkmanagementandapplicationsoftwareLonTalk的全部7层协议，介质访问方式为P2PCSMA（载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种很有希望的现场总线。华中科技大学材料学院工程测试技术系统集成方案示意华中科技大学材料学院工程测试技术6.3网络智能传感器加州大学计算机科学教授埃斯特林《智能传感器如何拯救地球》摘要：传感器网络是一些激动人心的计算系统，它们结合了分布式传感、计算和无线通信技术。科学家们鼓吹，这种技术像因特网一样强大和复杂，它可以广泛应用于对公共污染物的监测、对土地使用情况的管理，对安全架构的支持等各个方面。…正在出现的这种嵌入式网络将改变我们理解和管理实体世界的方法。传感器网络将带来通信革命的无线技术和带来医学和产业技术革命的传感器技术结合了起来。现在我们可以将微型传感器、微处理器和单片无线接口整合在一起，做成一种能耗相对较低、体积极小的器件，它们能密集监测广泛的物理现象，从而使实时的环境监测成为可能。华中科技大学材料学院工程测试技术1.提出背景现代信息技术的三大基础：传感器技术：信息的采集-“感官”通信技术：信息的传输-“神经”计算机技术：信息的处理-“大脑”华中科技大学材料学院工程测试技术三大基础信息技术的融合第一种结合：计算机技术＋传感器技术智能传感器第二种结合：计算机技术＋通信技术计算机网络技术第三种结合：计算机网络技术＋智能传感器网络化智能传感器传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生质的飞跃，各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享；测控系统本身也发生了质的飞跃，可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态，使系统的结构和功能产生了重大变革。华中科技大学材料学院工程测试技术2.智能传感器应具备的条件a.由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。b.具有信息处理功能，如自动补偿功能。c.具有信息存贮及自诊断功能。d.具有自适应和自调节功能。e.具有智能算法及自学习功能。f.可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。华中科技大学材料学院工程测试技术3.通用智能化传感器的接口标准1993年9月，IEEE第九技术委员会(传感器测量和仪器仪表技术协会)决定制定一种网络化智能传感器通讯接口的协议。1994年3月，美国国家技术标准局(NIST)和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨会。讨论IEEE1451传感器/执行器智能变送器接口标准。1995年4月，成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和P1451.2工作组。P1451.1工作组负责定义智能变送器的公共对象模型和相应的接口；P1451.2工作组定义TEDS和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚分配。1995年5月给出了相应的标准草案和演示系统。IEEE分别在1997年和1999年投票通过了IEEE1451.2和IEEE1451.1两个网络化智能传感器标准，同时新成立了两个工作组对1451.2标准进行进一步的扩展，即IEEEP1451.3和IEEEP1451.4。华中科技大学材料学院工程测试技术4.接口标准特点a.标准化的接口和软硬件定义定义了传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软硬件的定义；使不同的现场网络之间可以通过应用IEEE1451定义的接口标准互连，可以互操作；使传感器的厂家、系统集成者和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和传感器家族，简化连线，降低了系统总的成本。华中科技大学材料学院工程测试技术b.即插即用性，与具体网络无关由于IEEE1451为传感器到微处理器、到网络建立了一个通用的接口标准，以及通过通用的TEDS和API，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到微处理器、网络的连接，使软件容易移植和维护，使得基于IEEE1451的传感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插即用，与具体的网络无关。华中科技大学材料学院工程测试技术c.自我表述和自识别能力TEDS是1451.2最重要的技术革新之一，它是一个的通用传感器模型，可以支持很多种类的传感器与执行器。使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力。它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数。TEDS由一些域组成，它们被嵌入传感器，和传感器一起移动，这样一来，使用一个传感器所需的所有信息总是随时可得的。华中科技大学材料学院工程测试技术d.广泛的应用范围基于IEEE1451的网络化智能传感器，不仅包括各种现场总线，也包括INTERNET等网络，因而具有广泛的应用范围。传统的各种现场总线应用：工业自动化领域，尤其是在工厂控制现场。无线网络传感器应用：一些地域分布范围广的测控领域,如水文勘测、环境监测、气象、农业信息化等方面受到一定的限制。在这些场合。华中科技大学材料学院工程测试技术6.4智能仪器仪表第一代－模拟式仪器仪表；年代：20世纪50年代以前。符合某一性能要求的单个仪表。第二代－数字式仪器仪表。年代：20世纪60年代。适用于快速响应和高精度的要求，能以数字显示或打印最终结果，还可以将数据通过接口输入计