遠程智能I／O及現場總線技術

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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隨著計算機網絡的迅速發展，推動了工業自動化控制體系結構產生不斷的變化，傳統的4~20mA模擬信號制將逐步被雙向數字通訊現場總線制所取代，模／數型的DCS系統將更新換代為全數字型的現場總線控制系統。

一、遠程智能I／O

遠程智能I／O的應用，使過程信號得到就地數字化處理，從而大大提高了系統的測控精度，另外，抗干擾能力和可靠性以及環境適應性也得到了提高，這些推動了現場總線的發展，加速了現場一次元件的數字化與智能化進程。智能變送器就是遠程智能I／O與現場一次元件滲透和融合的結果。

1．遠程智能I／O的組成及工作原理

遠程智能I／O的設計采用DCS的網絡通信技術以及PLC和單回路控制器的現場處理控制技術，目的是使DCS系統分散，實現過程I／O遠程化和智能化。遠程智能I／O系統一般部分組成：（1）位于現場的智能前端；（2）通訊總線；（3）計算機適配器。智能前端的通道數一般有15~20個。

遠程智能I／O的工作原理是：智能前端機將現場信號就近采集并作處理后，用數字通信方式將處理結果經網絡總線和適配器傳送給計算機，進行綜合運算處理，用于顯示、分析和控制；計算機處理后的數據通過適配器和網絡總線傳送給現場控制前端機，由控制前端機按預定方式向現場設備發出調節信號，實現對工業過程和設備的數據采集與控制。遠程智能I／O的核心技術是通信網絡和前端智能化。

2．智能I／O的特點

（1）抗干擾能力和測控精度高

采用遠程智能I／O就近處理信號，并通過數字通訊方式傳輸信息，具有較強的抗干擾能力，處理精度得到提高。模擬量信號的測量精度可達0．1級以上，開關量分辨率可高達lms。

（2）主機的負荷減小便于擴充和增加管理功能

I／O前端機智能化程度高，數據的處理能力強，所有I／O的管理任務可由適配器完成，大大解放了主機，便于進行功能擴展和實現高級控制與管理功能。

（3）可靠性高

采用隔離浮空的串行網絡總線結構，避免了多點I／O共地可能引起的地線回流帶來的電磁干擾；每個前端與網絡在電氣上是隔離的，獨立運行，任何故障和危險都被限制在局部，可靠性大大增強。．

（4）開放性好

遠程智能I／0可方便地改變適配器類型，以滿足各種計算機和總線系統。特別是采用具有多種主機網絡的遠程I／0系統，很容易構成各種控制監控系統，融入管理信息系統和全網調度系統，使其成為具有現場信息的實時MIS系統，對統一調度、優化管理和協調控制具有重要意義。

二、現場總線

現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通訊的數據總線。現場總線一般可采用雙絞線、同軸電纜和光纖，目前多采

用雙絞線或屏蔽雙絞線。．

1．現場總線的組成

（1）現場智能儀表（主要指智能變送器）

（2）總線通訊部分

（3）計算機接口

2．現場總線裝置的類型

現場總線裝置的類型為鏈路控制站和基本的現場裝置。鏈路控制站控制現場總線上數字報文的信息流，它允許每個現場裝置按照系統組態時產生的時間調度發送數據報文，數據通訊使現場裝置不僅能發送單變量信息，而且能夠發送多變量信息。

3．通訊方式·

在通訊方式上，可采用同步傳輸，也可采用異步傳輸，可采用雙工和半雙工方式。但是，在具體的通訊協議上，還存在較大的差別。對于遠程智能I／O．的網絡，幾乎各生產廠家都有各自的協議，而與其它的產品不相兼容，但由于都可處理現場模擬信號，因此對整個系統的運行影響不大。

’4．HART協議

HART協議是由ROSMOUNT在八十年代中期開發的一種可尋址的遠程傳感器數據公路，在BELL202基礎上采用移頻鍵控方式，使用1．2kHz和2．2kHz，在4~20mA模擬信號上完成數字信號傳送。

HART協議采用串行、異步、半雙工方式通訊，總線zui多允許2個主控設備（計算機和手持終端）、現場裝置zui多允許15只智能變送器，同時掛在總線上運行，總線允許單點接地。通過使用現場總線，用戶可以大量減少現場接線：用單個現場儀表可實現多變量通訊，不同

制造廠生產的裝置之間可以完全互操作；增加現場一級的控制功能；系統集成大大簡化，并且維護十分簡便。

5．現場總線標準及發展

現場總線標準是指通信網絡國際標準化，以便使各種現場裝置均遵守相同的協議，任何不同廠家的產品都能掛在同一總線上，與計算機或控制系統相連，實現信息和資源共享。從發展上看，現場總線的標準化將給用戶帶來巨大的效益，如節約60％的信號電纜，大大減少一次性投資。統一后的國際標準將在兼容HART協議和DE協議的基礎上，具有更強、更高的性能指標。

6．采用現場總線的意義

（1）簡化了控制系統的結構

采用現場總線，改變了I／O集中處理的局面，分布在現場的智能裝置負擔起過程I／O信號的就地處理任務，并經現場總線溝通與功能處理器的，從而減少了計算機控制系統I／O卡件的使用量，使整個控制系統的組態得到了簡化。

（2）節省了I／O電纜的投資

現場總線既是連接現場智能裝置的紐帶，又是溝通與計算機控制系統通訊的橋梁。由于現場總線的出現，變以往計算機控制系統與現場間千絲萬縷的為單一的總線通訊，避免了大量現場信號電纜的長距離敷設，使過程UO電纜的使用量銳減，據估計可以節約60％的信號電纜。

（3）提高了I／O信號的可靠性

采用現場總線以后，過程I／O的處理均在就近的現場智能裝置內完成，避免了小信號的長距離傳送，使信號的保真度大大提高；現場智能裝置與計算機控制系統的通訊，采用成熟的數字通訊技術（包括校驗、容錯、糾錯技術等），確保了信號傳遞過程中的可靠性。

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