传感与检测技术刘传玺第8章节现代检测技术的发展

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1、第八章现代检测技术的发展7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/第八章现代检测技术的发展第一节现场总线技术第二节虚拟仪器技术7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/第一节现代总线技术一、现场总线技术发展的背景事实上，现场总线的产生和发展，与计算机在工业控制领域的应用密切相关。本世纪70年代中期，计算机技术、控制技术及通讯技术相继得到长足发展，于是出现了基于3C（计算机、通讯、控制）技术的集散控制系统（DCS）。集散控制系统实质上是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由

2、计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。典型的集散控制系统基本结构如图8-1所示。7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/监控计算机操作站过程控制站过程控制站工业对象1工业对象24~20mA4~20mA·········LAN7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/然而DCS的缺点也是十分明显的。首先它是一种数字-模拟混合系统，DCS的现场仪表（变送器和执行器）仍然使用传统的模拟仪表，以DC4~20mA传递信号，通完控制站，随着测点的增加，所需控制电缆数势必随之增长；

3、另外，大量测控信息必须通过控制站才能实现控制和管理，并没有实现真正意义上的集散控制，也就是说，没有将控制回路完全下放到生产现场的变送器或执行器上，只是实现可控制站的相对分散；三是价格贵，大中型DCS系统动辄上百万美元，使广大中小企业望而却步。7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/20世纪80年代，随着通信网络技术、微型计算机上技术的发展，通用或专用的微处理器开始逐步进入测量与控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力。逐步放弃常规的4~20mA模拟信号传输标准，采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间，以

4、及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，形成各种适应实际需要的控制系统成为一种趋势，现场总线控制系统FCS正是在这种背景下产生的。其基本结构如图所示8-2所示。图中现场总线的节点式现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、调节器、调节阀、步进电机、记录仪、条形阅读器等。7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/二、现场总线的定义现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。根据国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会（FF）

5、的定义，“现场总线是连接智能现场设备和自动化测试系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络”。现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4～20mA的模拟信号；一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点链接支持低层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息；现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定。7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/三、现场总线的特性（1）开放性。开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总线标准时公开的、

6、一致的，对用户是透明的。不同厂家的设备或网络之间可以实现信息交换，用户可以根据自己的需要，使用来自不同厂家的产品，组成大小调整的、开放的互连系统。（2）互可操作性与互换性。互可操作性是指互连的设备之间、系统之间可以相互通信或操作；而互换性则意味着不同厂家生产的性能类似的设备可以相互替换。（3）设备智能化。全数字化通信的前提是设备具有数字信号处理能力，以微处理器为基础的现场总线设备，不仅能满足这一要求，而且能够实现各种功能，如滤波、标度变换、报警、修正补偿、状态诊断以及自动控制等。（4）彻底分散。现场总线构成一种全分布式控制系统，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS机构。

7、7/14/2021尚辅网http://shangfuwang.com/（5）现场环境适应性。支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线传输媒体；能实现两线制供电等，适应各种现场环境。（6）系统可靠性。现场总线采用数字传送，避免了4～20mA模拟量传输所带来的问题。（7）易于安装与维护。在FCS中，不同用途或地点的系统组合可分别进行测试和快速集成；增加现场设备只是简单地安装一个连接器到网络电缆上，而不是铺设新的电缆以及在控制设备上增加新的电路板。四、现场总线的通讯标准目前较流行的现场总线通讯标准（或称通讯协议模式）主要有以下5种：