现场总线温度变送器原理及应用.docx

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现场总线温度变送器原理及应用

普通用户如何选择现场总线

院校：

山西大学

专业：

自本0716

学号：

姓名：

王晓英

2010-12-31

现场总线

现场总线的定义

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。

也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。

原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

现场总线技术在智能住宅中的应用

摘要：

数据采集和控制网络是智能住宅小区的核心技术之一。

论述了采用LonWorks现场总线技术和Fix组态软件设计的智能住宅小区的应用方案。

0引言

智能住宅小区是在建筑科学的基础上，根据以人为本的原则，综合运用计算机，自动控制、网络与通信等现代科技，由综合物业管理系统、信息通信服务系统、安全防范系统和家庭自动化系统组成的住宅小区服务与管理集成系统，其结构如图１所示。

图1智能化住宅小区的功能结构图

1智能小区的控制网

智能住宅小区各种数据采集和控制功能，如安防报警、自动抄表和家电控制等可以采用不同的子系统来分别实现，也可以通过网络集成化统一实现。

前者的效率低，布线复杂，投资、安装和运行费用高，而且功能单一，用户对自己家庭内的智能化功能选择余地小。

而应用网络化控制技术，就可以经济便利地实现智能化住宅的所有功能。

LonWorks现场总线是由Echelon公司推出的一种先进的开放式网络化控制技术，其结构简单，布线容易，易于扩容和增加新功能。

对于用户各种不同的功能要求，只需选用不同的控制节点，利用其开发平台，编写相应的程序，连接到控制网上即可完成。

LonWorks是目前智能楼宇和住宅小区等集散型监控系统中广泛应用的一种现场总线技术。

2LonWorks技术简介

LonWorks支持多种传输介质和网络拓普结构，在使用双绞线的总线式结构时，可达到78kbps/2700m。

其通信协议LonTalk采用ISO/OSI模型的全部七层结构，是直接面向对象的网络协议。

各智能节点的数据传递在神经元芯片等硬件和网络的支持下，以网络变量的形式连接。

按照 LonWorks的标准网络变量来定义的数据结构，可以解决和不同厂家产品的互操作性问题。

目前已有上千家公司推出LonWorks产品。

在LonWorks网络中，一个智能控制器及其传感器和执行器构成一个节点，它可连接各种I/O设备，如火灾报警的烟感探头、四表输出、家电开关等。

LonWorks关闭都不影响其它住户节点的正常运行，从而提高了系统的稳定度。

且网络节点之间使用逻辑连接，使得系统中节点的增加、修改都很容易，便于系统调整和扩充升级。

节点的核心是神经元芯片（neuronchip），它是通信处理、数据采集和控制的通用处理器，它通过运行芯片上的neuronC应用程序来完成数据的采集、控制和网络操作的。

图2为智能节点及其神经元芯片的结构框图

3LonWorks技术在智能小区中的应用实例

图3是一个LonWorks技术在某智能小区中的应用实例，系统中主干网采用总线式结构，各子网均采用环形总线结构，使用FTT-10收发器，以双绞线作为传输介质。

每个子网都通过一个相应路由器连接到主干网上，每个子网从各自的路由器垂直连接同一楼门内各住户的所有节点，由于采用了环形结构，可以有效地克服网络断线故障带来的影响。

本例中，各住户可实现住宅防盗监控、煤气泄漏监控、紧急求助报警，以及水表、电表、煤气表和暖气表的远程抄表计量等功能。

小区内的各种监测信号经过各节点的计算和转换，通过LonWorks网络送到小区物业中心的监控计算机，通过FIX组态软件对动态数据库中数据的处理，生成数据文件并实时显示，对报警信号还可以进行多媒体的声光报警。

FIX编写的程序还可以对控制箱的拆卸、断电和故障做出判断并报警。

图3智能小区LonWorks控制网的结构图

每个住户均安装有一个12路I/O的LonWorks的智能节点模块，如图4所示。

模块内的程序随时监测各输入口的状态变化，经过判断和运算，将各种信息以网络变量的形式上传，并对报警信息就地发出报警或控制信号。

图4节点智能模块的接线

I/O0为防侵入信息的输入口，当模块检测到探测器处于报警状态时，通过I/O1输出口启动被侵入警号，同时将相应的报警信号以网络变量的形式发送到网络上，小区监控中心，收到该数据后进行相应的报警并显示报警位置，通知小区警卫巡查。

I/O2输入口和大门外的密码键盘相连，每次键入口令后，密码键盘都通过I/O2向节点模块传一组串行数据，通过对数据的比较，以确定住户对室内监控的布防或撤防，或者是主人的被劫持密码，该密码即能对系统撤防，同时又能向监控中心发出劫持报警。

输入口I/O3与各房间的紧急求助按钮相连，任一按钮按下都能发出报警求助信号。

在厨房内安装有煤气探测器和自动关断器，煤气泄漏探测器的信号通过!

I/O4输入，输出口!

I/O5可实现发声报警并启动关断器自动切断煤气源，节点模块同时向监控中心发出煤气泄漏报警。

小区自动远程抄表系统使用具有电子输出的水表、电表、煤气表和暖气表，各表的流量值可通过累计其输出的脉冲数即可，即q=∑L；而暖气表则需要再统计一个温差值以进行热值计算，即q=∑（L．△T）。

上述输入量分别接在节点模块的I/O6~I/O10，经过智能节点的计算所得的计量值，以网络变量的形式发送到网络上。

管理监控中心的计算机通过LonWorks网络读取各的数据，实现远程自动抄表，计算费用并将信息送入小区信息服务平台，住户可随时根据自设的密码进行网上查询，如图5所示。

图5信息数据流程图

以上各种监测和控制设备都通过埋管走线的方式连接到每户的终端控制箱内，该控制箱包含有LonWorks节点、稳压电源、备用电池、继电器以及交流断电报警电路、电池充电电路等，一旦因某种原因导致控制箱交流断电，立即启动备用电池工作，维护监控系统运行，同时通过I/O11输入口将信息由节点模块向监控中心报告。

由于整个小区智能化系统的实现基于LonWorks网络，使得系统的开发、安装、调试工作量大大降低，同时又具备相当的灵活性，对不同用户的要求能很容易地修改实现。

4结束语

由于LonWorks技术的开放性，产品选择的多样化，网络规模大小灵活，允许住宅开发商以最合理的价格组建符合要求的小区控制网络，有效控制成本。

无论是系统升级，或是新系统设计，都可以根据客户的需求提出最贴切的实施方案，满足各层次用户的需求，并能方便地对用户节点进行修改和升级。

利用LonWorks技术进行住宅小区智能化的建设，可以在特定的条件下实施特定范围的智能化建设，并为以后更深入的发展奠定良好的基础。

因此，LonWorks技术在住宅智能化建设中应用的前景是非常广阔的。

国外现场总线应用实例两则

导读:

|PLC在工业中的应用实例|

正文：

应用实例一：

使用AnyBus串行网关实现ModbusPlus到Profibus的转换。

问题提出：

位于瑞士维斯特拉斯（Vasteras）的RemaControlAB是著名的锯磨设备自动化解决方案提供商。

一个工程中，客户要求将整个工厂升级为一个由西门子S7控制器和Profibus-DP总线构成的系统。

然而，现有的锯处理测量系统仍使用老式莫迪康PLC（Modicon），并连接到ModbusPlus网络。

这个系统工作良好应该保留，而工厂的其他部分则应该进行升级。

为此，RemaControl公司必须寻求一种解决方案，实现通过新的Profibus-DP网络对现有ModbusPlus网络数据的存取。

解决方案：

RemaControl公司利用AnyBus串行网关通过两个步骤将数据从ModbusPlus网络转换到Profibus网络上。

一个ModbusPlus串行网关作为ModbusPlus网络的适配器，在ModbusPlus网络上进行32字节数据的输入和输出。

在Profibus侧将Profibus网关作为一个Profibus从站，同样配置为32字节数据的输入和输出。

然后利用RS-422串口设置实现两个AnyBus网关的内部互连。

ModbusPlus网关设置为ModbusRTU主控模式，Profibus网关在其串行线上配置为ModbusRTU从属模式。

RemaControl公司系统集成负责人LennartHedman表示，“AnyBus网关帮助我们解决了一个棘手的客户难题，使得我们的客户能够将现有测量系统融入新的西门子S7自动化系统中。

AnyBus网关灵活的设置可以实现从ModbusPlus系统选择一些特定的数据，并很容易将这些数据通过另外一个网关映射到Profibus中”。

补充提示：

HMS公司目前能够提供更简单的方式来实现两个局部网互连。

最新AnyBux-X系列产品能够在几乎不需要任何设置的情况下实现任意两个局部网的互连。

应用实例二：

Modbus主控模式下实现RS232与Profibus的通信转换。

这个例子展示了一个带有ModBusRTU串行协议的运动控制器。

AnyBus串行网关作为ModBus的主控装置从运动控制器中读写数据。

在AnyBus串行网关配置程序命令过程中，ModBus主控装置对其扫描清单进行配置。

AnyBus配置程序定义了所有ModBus命令、寄存器、数据映射以及时序。

之后，AnyBus串行网关对运动控制器的ModBus通信进行控制，并通过内置Profibus接口选择数据进行输入/输出。

通过这个接口，数据经过Profibus传输到Fieldbus主装置及其PLC控制器。

图中：

1．设备串口输出数据字节。

2．AnyBus串行网关处理底层握手信号以及数据有效性校验（CRC），确保数据不会误码。

如果从串行器件得到的所有数据有效，则将其存入AnyBus串行网关本身的存储器中。

如果数据无效，AnyBus将自动要求串行设备（RS232）重发。

这样保证从存储器中选择传输到Fieldbus主装置数据的正确性。

3．PLCFieldbus主装置接收的数据字节。

注意AnyBus串行网关仅发送从串行设备接收的数据流的一部分。

4．从PLCFieldbus接收的数据字节。

这些字节被PLC用于从Fieldbs网络的输入/输出数据。

只有从串行设备选择的真正数据才被PLC存储和处理。

从PLC的角度来看，PLC可以忽视运动控制器实际上为一个串行接口，而将其视为具有内置Profibus接口。

如果将这个例子中的Profibus换作以太网，它能够基于网络服务器的SSI脚本或Java应用程序，选择Anybus串行网关存储器中的数据进行读写，使得温度调节器能够通过网络在线运行。

现场总线iCAN网络在工程机械中的应用实例分析

CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一,最初被设计用作汽车电子控制单元（ECU）的串行数据传输网络,现已被广泛应用于欧洲的中高档汽车中。

近几年来,由于CAN总线极高的可靠性、实时性,CAN总线开始进入中国各个行业的数据通讯应用,并在2002年被确定为电力通讯产品领域的国家标准。

CAN网络使用普通双绞线做为传输介质,采用直线拓扑结构,单条网络线路可以连接到110个节点。

当通讯距离不大于40米时,传输速率可达到1Mbps；当使用5Kbps传输速率（收发器PCA82C250/251支持）时,同一物理网络可达10公里的通讯距离。

CAN总线的适用范围包括:

可适用于节点数目比较多、传输距离在10公里以内、安全性和可靠性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。

目前,国内的汽车、电梯行业已是CAN应用的典型领域,工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也得到了广泛的应用。

CAN总线在工程机械中的应用

由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动控制等先进技术的日渐广泛应用,工程机械控制系统的性能和集成度已经有了很大的提高。

而CAN总线由于良好性能,特别适合于工程机械中各电子单元之间的互连通讯。

随着CAN总线技术的引入,工程机械中基于CAN总线的分布式控制系统取代原有的集中式控制系统,传统的复杂线束被CAN总线所代替,其优点包括:

系统中各种控制器、执行器以及传感器之间通过CAN总线连接,线缆少、易敷设、实现成本低,而且系统设计更加灵活、信号传输可靠性高、抗干扰能力强。

目前CAN总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。

国际上一些著名的工程机械大公司（如CAT、VOLVO、利勃海尔等）都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术,大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性,同时提高了智能化水平。

而在国内,CAN总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用,在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

iCAN网络在工程机械中的应用

1.iCAN网络介绍

iCAN协议即“工业CAN应用协议”,是现场总线CAN的应用层协议之一,具有理解简单、易于实现、实时可靠的特点。

iCAN网络是面向自动控制领域,基于CAN总线和iCAN协议的控制系统。

该系统的目标就是解决用户在CAN应用领域中的通讯控制或者数据采集问题。

将CAN网络的数据链路层、物理层与一个高效的用户层结合在一起,既可以保障底层使用CAN总线的高效、实时、可靠的特点,又能够建立一个易于实现、成本较低、效率良好的数据通讯网络方案。

这就形成了一个基于现场总线CAN的完整通讯网络以及数据采集方案,也就是iCAN网络的诞生。

iCAN网络构建非常灵活、结构简单、成本较低,并且iCAN网络具有易于组态、安装、运行、维护简便的特点。

iCAN网络组成结构如图1所示,包括了iCAN模块、CAN接口卡以及CAN网关/网桥设备。

iCAN网络的基础与核心是iCAN协议。

iCAN协议是国内对于CAN系统应用的一种全新尝试。

iCAN协议的设计目标是:

实现一种简单、可靠、稳定的CAN应用层协议。

在iCAN协议的设计过程中,充分参考和借鉴了DeviceNet协议和CANopen协议。

毕竟DeviceNet协议和CANopen协议是严谨和完善的,并经过实际工程验证。

制定iCAN协议是一个相当严谨的设计过程。

这里主要考虑了一些关键因素:

CAN报文的分配、数据通讯的实现、网络管理、设备建模。

图1:

iCAN网络的组成

通过以上技术问题的解决,一方面可以保证iCAN网络的高通讯效率、高数据可靠性,令基于iCAN协议的各个总线节点能够组成一个有机的整体网络；另一方面,通过在iCAN协议设备建模方面的尝试,可以使产品描述标准化,协议发展具有可延续性,保障后续产品开发过程中在通讯协议方面的一致性。

在iCAN网络中,可以根据需要增加CAN网关/网桥设备,以适应实际系统的网络规模和通讯距离,以及用户终端设备在安装、布线等方面的要求。

通过CAN网关/网桥设备,iCAN网络也可以方便地互连其它类型的网络（比如串RS-232/RS-485、以太网等）,或者连接DeviceNet/CANopen网络。

2.工程机械中iCAN网络结构

在工程机械中iCAN网络主要由工控微机、标准PC-CAN接口卡以及iCAN模块组成,系统结构如图2所示。

图2:

工程机械中iCAN网络的结构

工控微机通过CAN接口卡接入CAN网络中,与总线进行数据交换,管理系统中各个iCAN模块及其它设备,实现系统中各设备参数监控、显示、人机界面以及各种控制功能。

iCAN模块实现传感器的信号采集,并实现控制信号输出功能。

根据工程机械中的传感器、控制器类型的不同,选择合适的iCAN模块。

iCAN模块的输入端口采集液压、发动机等系统中传感器的信号,并传送到总线上；输出端口根据来自总线上的控制信息操作执行机构,完成对于液压等系统的控制。

iCAN网络在工程机械中的应用避免了复杂的信号连线,使控制系统的安装简单、运行可靠、应用灵活,并能够保证控制的实时性。

应用实例:

起重力矩限制系统

起重力矩限制系统为汽车起重机控制系统中一个重要组成部分。

该系统通过对起重机械中长度传感器、角度传感器以及压力传感器等输出数据进行分析处理,实现对系统工作时起重力矩的实时监控,以保证起重机工作在安全状态下。

而且该系统能够实时记录起重机作业中的危险工况,为事故的分析处理提供可靠的依据。

该系统要求能够实时采集长度传感器、角度传感器以及压力传感器的输出数据,其中长度传感器、角度传感器以及压力传感器的信号输出类型主要为电压或者电流信号,传感器信号的通道共有4路。

此外系统要求提供4路数字量输出通道。

1.解决方案

起重力矩限制系统的CAN解决方案为:

系统采用一块PC104-CAN2I双路CAN接口卡、一个iCAN-4017模拟量输入模块,以及一个iCAN-4050数字量输入输出模块。

起重力矩限制系统结构如图3所示。

图3:

起重力矩限制系统原理图

a.PC104-CAN2I双路CAN接口卡作为CAN网络主控设备,实现对于数据采集模块的管理。

PC104-CAN2I接口卡配备2个通道CAN接口,CAN通道采用光电隔离措施,增强了系统在恶劣环境中使用的可靠性。

电路板采用4层板技术和SMT工艺,抗干扰能力强,保障长期运行的稳定可靠。

b.iCAN-4017模拟量输入模块主要技术参数为:

单电源供电,供电电压+10V~+30VDC；8路模拟量输入通道；16位分辨率ADC；电压输入范围:

±10V（默认）、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±150mV；电流输入范围:

±20mA（需外接125Ω精密电阻）。

采用iCAN-4017模拟量输入模块的四路输入通道用于采集系统中长度传感器、角度传感器以及压力传感器的输出数据。

c.iCAN-4050数字量输入输出模块主要技术参数为:

单电源供电,供电电压:

+10V~+30VDC；8路开关量输入通道；8路开关量输出通道；开关量输入信号:

高电平为+3.5V~+30V,低电平≤+1V；开关量输出信号:

集电极开漏输出,最大负载电压+30V,电流30mA。

采用iCAN-4050数字量输入输出模块四路输出通道用于提供数字量输出信号。

2.系统说明

iCAN模块检测各传感器的信号,各模块通过CAN总线将传感器数据传送到控制主机进行处理,系统工作状态实时显示在人机界面上。

该系统能够警示危险工况,诊断并排除故障。

在危险工况下,通过实时地控制输出模块,使系统处于安全状态,防止事故的发生。

起重力矩限制系统软件采用VC++开发。

系统软件对传感器数据进行处理,实时获取系统工作状态,并以图形化的界面显示,在危险状态下及时发出报警信息,并可以根据键盘指令进行相应地控制。

在起重力矩限制系统中采用了iCAN-4017模块以及iCAN-4050模块各一个。

在满足系统需求的基础之上,模拟量输入、数字量输入以及开关量输出均有剩余通道,可以方便未来产品功能的扩展。

该起重力矩限制系统的特点是:

通过CAN总线实现对各传感器信号的采集以及输出装置的控制,使得系统十分容易构建,布线安装十分方便；同时,系统抗干扰能力强、可靠性高、实时响应性好。

而且,通过CAN总线的应用,使该起重力矩限制系统的很容易作为一个子系统嵌入到起重机的控制系统中。

通过实际的运行测试表明,该系统运行稳定、可靠、接口维护方便,性能价格比较高。

本文小结

CAN总线的应用使工程机械控制系统功能具有良好的可扩展性,易于实现对各分系统的集中监测和管理。

此外,CAN总线的应用使用户的使用、维护、故障诊断更加灵活和方便,例如起重机在出厂调试时,工厂计算机系统可以通过CAN总线访问其控制系统,记录并保存调试数据以作为在故障时维修的原始参考数据。

随着CAN总线在工程机械中的不断应用,必将大大提高工程机械的可靠性、可检测、可维修性以及智能化水平。

TURCKexcom典型应用实例：

基于现场总线的罐区远程监控系统

1.1罐区监控系统的开发背景

　　1.1.1罐区监控系统国内外的发展概况及存在的问题

　　在炼油企业中，为了配合生产流程，要对原油、半成品油及成品油进行运输和存储，为此企业均建有大量的各种储罐。

由于在油品的运输及存储过程中油气的挥发是不可避免的，因此，罐区是比较典型的“危险区”。

　　企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。

罐区储罐参数的精确检测、工艺流程的有效管理，对于相关生产装置的安全和平稳运行具有十分重要的意义。

　　由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有形成真正意义上的“监控系统”。

最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量（即通常所讲的“人工检尺”）的方法来对油罐进行监视。

该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。

危险区中的有毒有害气体对操作工的身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。

　　为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳动强度，到了90年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。

该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。

位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4-20mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。

此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。

但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。

　　随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增加。

管理人员按照由生产部门所制订的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。

同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利的。

　　随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及。

可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）被广泛地应用到各行各业。

因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成监控系统来对罐区进行综合的管理。

　　由于DCS在炼油厂各装置中的广泛应用，广大工程技术人员具备了较丰富的经验，因此在构造罐区监控系统的时候纷纷参照各装置中DCS的做法。

在硬件结构方面，类似于炼油装置，罐区现场的仪表将温度、液位等参数转换成统一的模拟信号然后点对点地送往控制室的操作控制部分。

但是，由于罐区有别于一般炼油装置的突出特点是地理分布很广泛，控制分散，因此系统结构采用与炼油装置相同的点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多很多的电缆和接线端子及桥架等附件，系统施工时要耗费大量的人力，且很难保证连接的可靠性。

为数众多的连接点及故障诊断的困难，也给日后系统的检修及维护带来了很大的不便。

并且信号长距离的传输使信号的精度大大降低。

　　有关资料显示，在发达国家中罐

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