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智能傳感器、信號與測量
（作者未知） 2008/11/10
智能傳感器、信號與測量
一、引言
以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)將現(xiàn)有的模擬信號電纜用高容量的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)代替，從而大大減輕現(xiàn)場信號電纜連接的費用和工作量，提高信號的傳輸效率。實際上現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，以基于現(xiàn)場總線的智能I/O或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計算機為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護、監(jiān)控等功能為一體的工作平臺。
二、智能傳感器的性能特點
一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來檢測物理量、化學(xué)量等的變化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀表。智能儀表采用超大規(guī)模集成電路，利用嵌入軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作，在完成輸入信號的非線性補償、零點錯誤、溫度補償、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對工業(yè)過程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進一步分散。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。特點如下：
1、一定程度的人工智能是硬件與軟件的結(jié)合體，可實現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)中的作用。可以根據(jù)不同的測量要求，選擇合適的方案，并能對信息進行綜合處理，對系統(tǒng)狀態(tài)進行預(yù)測。
2、多敏感功能將原來分散的、各自獨立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時測量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測量的綜合信息。
3、精度高、測量范圍寬隨時檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運算，其輸出信號更為精確，同時其量程比可達100：1，最高達400：1，可用一個智能傳感器應(yīng)付很寬的測量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場合。
4、通信功能可采用標準化總線接口，進行信息交換，這是智能傳感器的關(guān)鍵標志之一。
智能傳感器的出現(xiàn)將復(fù)雜信號由集中型處理變成分散型處理，即可以保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，提高抗干擾性能。同時又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測發(fā)展，使傳感器由被動進行信號轉(zhuǎn)換向主動控制和主動進行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。
三、現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)與特點
根據(jù)IEC/ISA定義，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、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)。它是用于過程自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備以及現(xiàn)場儀表的互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成。現(xiàn)場總線將當今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念帶入控制領(lǐng)域，代表了今后自動化控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向。
R﹥現(xiàn)場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據(jù)實際需要進行簡化了的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它一般主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層。
物理層向上連接數(shù)據(jù)鏈路層，向下連接介質(zhì)。物理層規(guī)定了傳輸介質(zhì)(雙絞線、無線和光纖)、傳輸速率、傳輸距離、信號類型等。在發(fā)送期間，物理層編碼并調(diào)制來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)流。在接收期間，它用來自媒介的合適的控制信息將收到的數(shù)據(jù)信息解調(diào)和解碼并送給鏈路層；數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理差錯檢測、仲裁、調(diào)度等。應(yīng)用層為最終用戶的應(yīng)用提供一個簡單接口，它定義了如何讀、寫、解釋和執(zhí)行一條信息或命令。用戶層實際上是一些數(shù)據(jù)或信息查詢的應(yīng)用軟件，它規(guī)定了標準的功能塊、對象字典和設(shè)備描述等一些應(yīng)用程序，給用戶一個直觀簡單的使用界面。
現(xiàn)場總線除具有一對N結(jié)構(gòu)、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維護方便等優(yōu)點外，還具有如下特點：
1、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)簡單其結(jié)構(gòu)模型一般僅有4層，這種簡化的體系結(jié)構(gòu)具有設(shè)計靈活，執(zhí)行直觀，價格低廉，性能良好等優(yōu)點，同時還保證了通信的速度。
2、綜合自動化功能把現(xiàn)場智能設(shè)備分別作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)各節(jié)點之間、節(jié)點與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實現(xiàn)各種復(fù)雜的綜合自動化功能。
3、容錯能力強現(xiàn)場總線通過使用檢錯、自校驗、監(jiān)督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯能力。
4、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測控精度現(xiàn)場智能設(shè)備可以就近處理信號并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
現(xiàn)場總線的這些特點，不僅保證了它完全可以適應(yīng)目前工業(yè)界對數(shù)字通信和傳統(tǒng)控制的要求，而且使它具有不同層次的復(fù)雜控制與先進控制、優(yōu)化控制功能成為可能。
四、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）
隨著復(fù)雜過程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過程控制對大量現(xiàn)場信號的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求�，F(xiàn)有的DCS已不能滿足這些要求；況且現(xiàn)有的DCS具有諸如控制不能徹底（未完，下一頁）
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