工程測(cè)試技術(shù)61

工程測(cè)試技術(shù)

第六章

計(jì)算機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)

本章學(xué)習(xí)要求：了解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；了解網(wǎng)絡(luò)智能傳感器技術(shù)；了解智能儀器的構(gòu)成和工作原理；了解虛擬儀器的構(gòu)成和工作原理。工程測(cè)試技術(shù)本章目錄6.1概述（4學(xué)時(shí)）6.2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)6.3網(wǎng)絡(luò)智能傳感器6.4智能儀器儀表6.5虛擬儀器工程測(cè)試技術(shù)6.1概述顯示終端打印機(jī)微型機(jī)測(cè)試對(duì)象A/D轉(zhuǎn)換器采樣器測(cè)量元件工程測(cè)試技術(shù)基于虛擬儀器的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)自動(dòng)化軟件PLC智能儀表數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)總線個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站圖象公司IntranetorInternet分布式I/O智能傳感器過(guò)程工程測(cè)試技術(shù)計(jì)算機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)涵蓋的方面現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器智能儀器儀表虛擬儀器工程測(cè)試技術(shù)6.2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線在自動(dòng)化系統(tǒng)中的位置工程測(cè)試技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。 或者，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。具體化地講： 現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化的、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)，按ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，通信速率快，造價(jià)低，維護(hù)成本低。1.現(xiàn)場(chǎng)總線的定義工程測(cè)試技術(shù)傳統(tǒng)方式現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備與控制器之間連接采用一對(duì)一所謂I/O接線方式，傳遞4-20mA或24VDC信號(hào)。工程測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 主要特征是采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的4-20mA（模擬量）/24VDC（開(kāi)關(guān)量）信號(hào)，使用一根電纜連接所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。工程測(cè)試技術(shù)2.現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)可大大節(jié)約連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用，可以用低廉的造價(jià)組成一個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)傳統(tǒng)的4～20mA控制回路通常只能傳輸代表過(guò)程變量的一個(gè)信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)總線能夠在傳送多個(gè)過(guò)程變量的同時(shí)，一并傳送儀表的標(biāo)識(shí)符和簡(jiǎn)單的診斷信息，具有監(jiān)視與控制能力強(qiáng)、可靠性與故障容限高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好和對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字信息可排除模擬信息傳輸和轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的，因此能夠從中心控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行控制，使遠(yuǎn)程調(diào)整、診斷和維護(hù)成為可能，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。工程測(cè)試技術(shù)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的布線工程測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的布線320I/O384I/O工程測(cè)試技術(shù) 過(guò)去十年，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，但是，卻未能形成一種統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。兩方面原因：技術(shù)方面的原因，由于現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的通信網(wǎng)絡(luò)，涉及到許多底層設(shè)備的不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和用戶習(xí)慣的繼承，以及不同類型網(wǎng)絡(luò)互連的協(xié)議制定；另一方面是商業(yè)利益，各廠家都希望自己的技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)中占有更大份額，以便使國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)給自己帶來(lái)更大利益，互不相讓，導(dǎo)致了目前多種現(xiàn)場(chǎng)總線共存的局面。3.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展工程測(cè)試技術(shù)4.世界上流行的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線CAN,PROFIBUS,HART,Fieldbus,WorldFIP,LonWorks,MODBUS,INTERBUS,AnyBus,DNET,P-NET,LIGHTBUS等40余種工程測(cè)試技術(shù)a.FF(FieldbusFoundation)總線由美國(guó)儀器協(xié)會(huì)(ISA)1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過(guò)程控制。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層之上附加了用戶層，通過(guò)對(duì)象字典OD(ObjectDictionary)和設(shè)備描述語(yǔ)言DDL(DeviceDescriptionLanguage)實(shí)現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有，美國(guó)Smart公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器，Honeywell&Rockwell推出的ProcessLogix系統(tǒng)，F(xiàn)isher-Rosemount推出的PlantWeb。工程測(cè)試技術(shù)b.Profibus(ProcessFieldbus) 德國(guó)西門(mén)子公司87年推出，主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過(guò)程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間早至十年前，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶要求的提高，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn)品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了一定的局限性。工程測(cè)試技術(shù)c.HART總線 HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)

-可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路是美國(guó)Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng)用于智能變送器。HART為一過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)在4-20mA電源信號(hào)線上疊加不同頻率的正弦波（2200Hz表“0”，1200Hz表“1”）來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計(jì)其生命周期為最近20年。工程測(cè)試技術(shù)d.CAN

(ControlAreaNetwork) 德國(guó)Bosch公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。特點(diǎn)：通信速率高，可靠性好，價(jià)格低廉等適用：汽車，中小規(guī)模的工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連和交通運(yùn)載工具電氣系統(tǒng)，受到廣泛重視，公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)e.LonWorks(LocalOperatingNetwork) LonWorks是美國(guó)Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化和電力行業(yè)等。其主要單元有：LonTalkprotocol

LONWORKStransceiversNeuronchips

Networkmanagementandapplicationsoftware LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問(wèn)方式為P2PCSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，該芯片強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通訊方式，大大降低了開(kāi)發(fā)人員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用，而可將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專家認(rèn)為L(zhǎng)onWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場(chǎng)總線。工程測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)集成方案示意工程測(cè)試技術(shù)6.3網(wǎng)絡(luò)智能傳感器 加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授埃斯特林《智能傳感器如何拯救地球》摘要： 傳感器網(wǎng)絡(luò)是一些激動(dòng)人心的計(jì)算系統(tǒng)，它們結(jié)合了分布式傳感、計(jì)算和無(wú)線通信技術(shù)。科學(xué)家們鼓吹，這種技術(shù)像因特網(wǎng)一樣強(qiáng)大和復(fù)雜，它可以廣泛應(yīng)用于對(duì)公共污染物的監(jiān)測(cè)、對(duì)土地使用情況的管理，對(duì)安全架構(gòu)的支持等各個(gè)方面?！?正在出現(xiàn)的這種嵌入式網(wǎng)絡(luò)將改變我們理解和管理實(shí)體世界的方法。傳感器網(wǎng)絡(luò)將帶來(lái)通信革命的無(wú)線技術(shù)和帶來(lái)醫(yī)學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的傳感器技術(shù)結(jié)合了起來(lái)?，F(xiàn)在我們可以將微型傳感器、微處理器和單片無(wú)線接口整合在一起，做成一種能耗相對(duì)較低、體積極小的器件，它們能密集監(jiān)測(cè)廣泛的物理現(xiàn)象，從而使實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)成為可能。工程測(cè)試技術(shù)1.提出背景現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)：傳感器技術(shù)：信息的采集-“感官”通信技術(shù)：信息的傳輸-“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)技術(shù)：信息的處理-“大腦”工程測(cè)試技術(shù)三大基礎(chǔ)信息技術(shù)的融合第一種結(jié)合：計(jì)算機(jī)技術(shù)＋傳感器技術(shù)

智能傳感器第二種結(jié)合：計(jì)算機(jī)技術(shù)＋通信技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第三種結(jié)合：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)＋智能傳感器

網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理等方式產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布與共享；測(cè)控系統(tǒng)本身也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，可在網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行在線編程和組態(tài)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了重大變革。工程測(cè)試技術(shù)2.智能傳感器應(yīng)具備的條件

由傳感器自身能消除異常值和例外值，提供比傳統(tǒng)傳感器更全面、更真實(shí)的信息。具有信息處理功能，如自動(dòng)補(bǔ)償功能。具有信息存貯及自診斷功能。具有自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能。具有智能算法及自學(xué)習(xí)功能?？梢杂袛?shù)字通信接口，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或遠(yuǎn)程通信。工程測(cè)試技術(shù)3.通用智能化傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)

1993年9月，IEEE第九技術(shù)委員會(huì)(傳感器測(cè)量和儀器儀表技術(shù)協(xié)會(huì))決定制定一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器通訊接口的協(xié)議。1994年3月，美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)和IEEE共同組織一次關(guān)于制定智能傳感器接口和智能傳感器連接網(wǎng)絡(luò)通用標(biāo)準(zhǔn)的研討會(huì)。討論IEEE1451傳感器/執(zhí)行器智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。1995年4月，成立了兩個(gè)專門(mén)的技術(shù)委員會(huì)：P1451.1工作組和P1451.2工作組。P1451.1工作組負(fù)責(zé)定義智能變送器的公共對(duì)象模型和相應(yīng)的接口；P1451.2工作組定義TEDS和數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳分配。1995年5月給出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)草案和演示系統(tǒng)。IEEE分別在1997年和1999年投票通過(guò)了IEEE1451.2和IEEE1451.1兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)新成立了兩個(gè)工作組對(duì)1451.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，即IEEEP1451.3和IEEEP1451.4。工程測(cè)試技術(shù)4.接口標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)a.標(biāo)準(zhǔn)化的接口和軟硬件定義

定義了傳感器或執(zhí)行器的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，為傳感器或執(zhí)行器提供了標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口和軟硬件的定義；使不同的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間可以通過(guò)應(yīng)用IEEE1451定義的接口標(biāo)準(zhǔn)互連，可以互操作；使傳感器的廠家、系統(tǒng)集成者和最終用戶有能力以低成本去支持多種網(wǎng)絡(luò)和傳感器家族，簡(jiǎn)化連線，降低了系統(tǒng)總的成本。工程測(cè)試技術(shù)b.即插即用性，與具體網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān) 由于IEEE1451為傳感器到微處理器、到網(wǎng)絡(luò)建立了一個(gè)通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及通過(guò)通用的TEDS和API，建立了一個(gè)面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ停?jiǎn)化了傳感器到微處理器、網(wǎng)絡(luò)的連接，使軟件容易移植和維護(hù)，使得基于IEEE1451的傳感器在多種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的不同設(shè)備之間能夠即插即用，與具體的網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。工程測(cè)試技術(shù)c.自我表述和自識(shí)別能力 TEDS是1451.2最重要的技術(shù)革新之一，它是一個(gè)的通用傳感器模型，可以支持很多種類的傳感器與執(zhí)行器。使傳感器具有了自我描述能力和自我識(shí)別能力。它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)。TEDS由一些域組成，它們被嵌入傳感器，和傳感器一起移動(dòng)，這樣一來(lái)，使用一個(gè)傳感器所需的所有信息總是隨時(shí)可得的。工程測(cè)試技術(shù)d.廣泛的應(yīng)用范圍基于IEEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，不僅包括各種現(xiàn)場(chǎng)總線，也包括INTERNET等網(wǎng)絡(luò)，因而具有廣泛的應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)的各種現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其是在工廠控制現(xiàn)場(chǎng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用：一些地域分布范圍廣的測(cè)控領(lǐng)域,如水文勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象、農(nóng)業(yè)信息化等方面受到一定的限制。在這些場(chǎng)合。工程測(cè)試技術(shù)6.4智能儀器儀表第一代－模擬式儀器儀表；年代：20世紀(jì)50年代以前。符合某一性能要求的單個(gè)儀表。第二代－數(shù)字式儀器儀表。年代：20世紀(jì)60年代。適用于快速響應(yīng)和高精度的要求，能以數(shù)字顯示或打印最終結(jié)果，還可以將數(shù)據(jù)通過(guò)接口輸入計(jì)算機(jī)處理，但儀表本身不含有微處理器。第三代－智能化儀器儀表；年代：20世紀(jì)70年代。測(cè)量范圍擴(kuò)展、精確度提高，具有數(shù)據(jù)加工及處理的能力。智能儀器大多具有標(biāo)準(zhǔn)接口，能作為一臺(tái)具有智能的程控儀表接入系統(tǒng)，使功能進(jìn)一步擴(kuò)展。減化測(cè)試過(guò)程。儀器產(chǎn)生故障時(shí)，部分智能儀器儀表具有自檢的能力。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)6.4.1智能儀器的原理定義 一般認(rèn)為，含有微處理器（微計(jì)算機(jī)）的測(cè)量?jī)x器儀表，由于它具有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，有著智能的作用（表現(xiàn)為智能延伸或加強(qiáng)等）而被稱為智能儀器儀表。工程測(cè)試技術(shù)6.4.2智能儀器的特點(diǎn)

自補(bǔ)償能力：通過(guò)軟件對(duì)智能儀器儀表的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；自校準(zhǔn)功能：操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后，自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)智能儀器儀表進(jìn)行在線校準(zhǔn)；自診斷功能：檢查儀表各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件；數(shù)據(jù)處理功能：可以根據(jù)智能儀器儀表內(nèi)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，剔除異常值等；雙向通信功能：微機(jī)不但接收、處理智能儀器儀表的數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至智能儀器儀表，對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)控；信息存儲(chǔ)和記憶功能；數(shù)字量輸出功能：輸出數(shù)字信號(hào)，可方便地和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。工程測(cè)試技術(shù)6.5虛擬儀器(VI)6.5.1虛擬儀器（VirtualInstrument）概述工程測(cè)試技術(shù)1.虛擬儀器定義 虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)上顯示傳統(tǒng)儀器面板，它將硬件電路完成的信