（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入devicenet通信接口的智能差压变送器研究.pdf

摘要 随着测控系统不断向自动化、智能化、网络化等方向的发展，现场传感器及 仪表的功能和性能也在不断增强，新型的智能仪表层出不穷。智能差压变送器是 工业生产中非常重要的过程测量仪表，除可以用来测量差压和压力外，还可以用 来检测生产过程中流体的流量、液位、密度等参数，是当前仪表领域的热门研究 课题之一。 本文以总线式智能多参数差压变送器为研究对象，主要进行了如下研究工 作： 首先，以变送器发展的历史进程为主线，对差压变送器、智能差压变送器、 现场总线技术和总线式智能变送器分别做以介绍和分析，阐明了本课题的研究背 景、内容和意义。 第二，在国内首次实现了嵌入d e v i c e n e t 通信接口的多功能智能差压变送器 设计。论述了变送器的工作原理，完成了以p 8 9 c 6 6 8 单片机、s j l 0 0 0 总线控制 器、p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 l 报文收发器等为核心的变送器硬件系统电路设计与调试，并 介绍了变送器各项功能的实现途径。 第三，研究了变送器的白校正、自补偿等智能功能。在输入一输出特性曲线 的非线性自校正研究中，通过大量的传感器标定实验数据，分别进行了直线拟合、 多项式曲线拟合、b p 神经网络拟合等模型的研究、设计、仿真和对比，指出了 每种方法的特点、局限性及适用情况等；在温度补偿的研究中，也进行了大量的 类似的工作：对静压补偿问题也进行了初步探讨。研究得到的实用的、高精度的 校正、补偿模型为变送器的最终实现提供了重要的技术基础。 摄后，在解析d e v i c e n e t 通信协议的基础上，设计了变送器d e v i c e n e t 通信 接口的对象模型和软件实现。详细论述了变送器的应用对象模型设计以及 d e v i c e n e t 从站的实现、设备配置方法等，给出了通信主程序及主要模块的软件 设训。 关键词：差压变送器d e v i c e n e t 非线性校正温度补偿神经网络 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e o p m e n t o fc o n t r o ls y s t e mt oa u t o m a t i z a t i o n ， i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k ，t h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo fs e n s o r sa n d i n s t r u m e a t sa r ee n h a n c e dc o n t i n u o u s l y t h e i ec o m em o r ea n dm o r en o v e l i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s i n t e l l i g e n td i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r s a r e v e r yi m p o r t a n tp r o c e s s m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t si nc o m m e r c i a l m a n u f a c t u r e i tc a nm e a s u r ef l o w ，l e v e la n dd e n s i t yo fl i q u i db e s i d e s d if f e r e n t i a lp r e s s u r ea n dp r e s s u r e i ti sap o pr e s e a r c ho b j e c ti n i n s t r u m e n tf i e l dc u r r e n t l y af i e l d b u s i n t e l l i g e n tm u l t i p a r a m e t e r d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e t r a n s m i t t e ri st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s is t h em a i nr e s e a r c hw o i k i n c l u d e s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft r a n s m i t t e r ， d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r ，i n t e l l i g e n td i f f e r e n t i a lp r e s s u r e t r a n s m i t t e r ，f i e l d b u sa n df i e l d b u si n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e ra r ep l e s e n t e d a n d a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，c o n t e n ta n d s i g n i f i c a n c eo f t h i sp r o j e c ta r ee l u c i d a t e d s e c o n d l y ，t h i sd e s i g nt h a ti sa ni n t e l l i g e n td i f f e r e n t i a lp r e s s u r e t r a n s m i t t e re m b e d d e dw i t hd e v i c e n e ti n t e r f a c eist h ef i r s to n ei n l a n d t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h et r a n s m i t t e ri sp r e s e n t e d ，t h eh a r d w a r es y s t e m o ft h et r a n s m i t t e r ，w h i c hi n c l u d e sp 8 9 c 6 6 8m c u ，s j l 0 0 0b u sc o n t r o l l e ra n d p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 1c a nt r a n s c e i v e r ，i sd e s i g n e da n dd e b u g g e d t h er e a l i z a t i o n o ft r a n s m i t t e r sf u n c t i o n si sa l s op r e s e n t e d t mr d l y ，s e l f c a l i b r a t i o nf u n c t i o na n ds e l f c o m p e n s a t i o nf u n c t i o no f t h et r a n s m i t t e ra r er e s e a r c h e d i nt h er e s e a r c ho ft h en o n 一1 i n e a r i t y c a l i b r a t i o no ft h ei n p u t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，l i n e a rf it t i n g ， c u r v ef i t t i n ga n db pn e u r a ln e t w o r kf i t t i n gm o d e l sa r er e s e a r c h e d ， d e s i g n e d ，s i m u l a t e da n dc o m p a r e d ，t h ee h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b l e c i r c u m s t a n c eo fe a c hm o d e la r ei n d i c a t e d i nt h er e s e a r c ho ft e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ，p l e n t i f u ls i m i l a rw o r k i s d o n e s t a t i c p r e s s u r e c o m p e n s a t i o ni sd i s c u s s e ds u b s e q u e n t l y t h ef e a s i b l ea n dh i g hp r e c i s i o n c a l i b r a t i o na n d c o m p e n s a t i o nm o d e l sr e s e a r c h e dp r o v i d ei m p o r t a n t t e c h n i c a b a s ef o rt h ef i h a lr e a l i z a t i o no ft h et r a n s m i t t e r f i n a l l y ，b a s e do na n a l y z i n gd e v i c e n e tc o n m m n i c a t i o np r o t o c o l ，o b j e c t m o d e l sa n ds o f t w a r eo fd e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea r e d e s i g n e d t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o no b j e c tm o d e l sa n dt h er e a l i z a t i o no fd e v i c e n e t s l a v ea n dt h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o do fd e v i c e sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h em a i nc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n ds o m e p r o g r a mo fm a i nm o d e l sa r e p r e s e n t e dt o o k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e t r a n s m i t t e r ，d e v i c e n e t ，n o n l i n e a r i t y c a l i b r a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，n e u r a ln e t w o r k 1 1 1 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器及仪表的准确度更高，可 靠性更强，并具有一定的数据处理能力及自检、自校验、自补偿等功能。传统的 传感器、变送器已不能满足这些要求。近j l 年来，微处理器技术和通信技术的飞 速发展为仪器仪表带来了革命性的变化，由微计算机，传感器和通讯等技术结合 而产生的功能强大的智能传感器、变送器可以准确、及时地获得并处理信息，提 高了收集环境信息的有效性和速度。智能化、数字化的变送器已成为当今科技界 研究的热门课题。 另外，现场总线技术的出现和发展与智能仪表的发展相辅相成、互相促进， 它们正是组成现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的两个核心部 分。总线式智能化变送器具有数字计算和数字通信能力，能独立承担某些控制、 通讯任务，这给自动控制领域带来了巨大的变革，为现场总线控制系统提供了必 须的仪表支撑条件。 本章将以变送器发展的历史进程为主线，对差压变送器、智能差压变送器、 现场总线技术和总线式智能变送器分别进行介绍和分析，阐明本课题的研究背 景、内容和意义。 1 1 差压变送器概述 1 1 1 差压变送器的功能及发展 差压变送器( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s m i t t e r ，简称d p t ) 是工业生产 中非常重要和常见的测量仪器，除可以用来测量差压和压力外，还可以用来检测 生产过程中流体的流量、液位、密度等参数。 例如在流量的测量中，在流体流过的管道上安装一个节流装置，流体流过时， 在它的前后产生差压，差压的大小与流过的流体流速、流量有关。因此可以用节 流装置( 孔板、喷嘴或文匠利管) 配用差压变送器来测量流量。流量与差压的关系 为q = k 研，一般在用差压变送器测最流量时，在输出串接一个开方器，加入开 上海大学硕士学位论文 方器后，流量与开方器的输出信号成正比关系。 差压变送器的另一典型应用是检测液位。p = yh ，y = 常数时，p 和h 成正比。所以在密度yj l 乎不变的场合，利用差压变送器可以测量液位h 。差压 变送器测量液位只能在密度比较稳定的情况下使用，密度的变化对测量精度有影 响。 从差压变送器测量液位的原理知道，在密度等于常数的情况下，差压变送器 的输出正比于液位；同样在液位等于常数的情况下，差压变送器的输出正比于密 度，所以可以利用差压变送器也可以测量密度。 差压变压器的发展历程：( 1 ) 水银浮子式差压计。出现于2 0 世纪5 0 年代以 前，特点：精度低、笨重的大位移( 几个咖) 。( 2 ) 力平衡式差压变送器。2 0 世 纪5 0 年代至7 0 年代早期，特点：体积大、结构复杂、可靠性差、精度低。( 3 ) 微位移( 小于0 1 m m ) 电子式变送器。2 0 世纪7 0 年代左右出现，敏感元件主要有 电容式、电感式等，结构简单、体积小、精度高、可靠性好。( 4 ) 智能差压变送 器。进入2 0 世纪9 0 年代，由于电子技术、计算机技术的高速发展以及微机电技 术的出现，采用计算机和微测量元器件的智能差压变送器得到了迅猛发展，它们 是微机和通信技术进入变送仪表的产物“。 1 1 2 智能变送器 智能变送器保持了常规变送器稳定性高、体积小、结构简单、安装方便、采 用电子传感技术的优点，还进一步提高了测量精度，改善了温度特性，扩展了量 程比，采用数字技术增添了远程通信、自诊断智能化功能，极大地满足了工业过 程测量对可靠性的更高要求。 智能变送器的主要特点有： ( 1 ) 测量精度高。智能变送器的测量精度高达标定量程的0 0 4 ，这是常 规变送器难以达到的。由于智能变送器内部使用数字技术取代了传统模拟技术来 处理传感元件( 如差动电容、压敏电阻电桥和差动变压器) 输出的模拟信号，使 之更好地线性化，更好地补偿温度静压变化的影响，因而进一步提高了变送器的 精度。 ( 2 ) 宽温度范围适应能力。智能变送器可同时测量变送器的温度，通过微 上海大学硕士学位论文 处理器对变送器进行温度补偿，并在很宽的温度范围内保证变送器的测量精度。 ( 3 ) 更宽的量程比。由于智能变送器中传感器的输入输出特性数据可以记 录在其存储器中，故变送器的量程比可以做得非常大，最大量程比可达4 0 0 ：1 ， 而且精度高、重复性好。由于智能变送器具有较大的量程比，可减少订购变送器 的规格品种。 ( 4 ) 双向数字通信。智能变送器可以具备现场总线通讯接口，支持总线通 信协议，因此它可与外部手操器或现场总线系统交换信息或存入记录组态信息。 ( 5 ) 远程通信组态。利用手操器或现场总线系统可远离传输、读取、显示 和输入变送器的全面工作信息和附加信息，这些信息包括测量数据、工作组态、 自诊断等信息，这不仅满足了工业测量现场的复杂要求和恶劣的环境，而且变送 器可精确地设置量程和零点，无需试验标定，利于管理、方便用户。 ( 6 ) 完善的自诊断功能。智能变送器内部的微处理器能对变送器本身的工 作状态、输出信号进行连续监测，任何异常变化和故障均可以故障信息的形式通 过手操器显示和报警，并帮助运行人员处理和解决问题，体现智能仪表的高可靠 性。提高了系统的可靠性和可用性。 智能变送器和常规变送器的功能与技术指标对比如表卜l 所示。“。 表11 变送器的功能与技术指标剥比 智能变送器传统变送器 量程比 2 0 4 0 0 2 l o 一般为0 1 ，最高可达 精度 一般最高为0 2 0 0 7 及以上 环境温度 4 0 + 8 5 一3 0 + 7 0 介质温度 一4 0 + 1 0 0 一2 0 + 8 0 温度影响 0 0 2 ( i o k )0 1 5 ( 1 0 k ) 输出信号模拟d c 4 2 0 m a 及数字信号模拟d c 4 2 0 m a 信号 输出特性 线性、平方根任意可改线性或平方根不可改 支持通讯协议 可支持各种现场总线协议不支持 工作电压 d c l l 5 4 5 vd c l2 5 3 0 v 负载阻抗 0 1 5 6 0 q0 8 5 0 q 采用技术型式数字技术模拟技术 自诊断功能 有无 3 上海大学硕士学位沦文 1 1 3 智能差压变送器的现状及发展方向 进入2 0 世纪9 0 年代，由于电子技术、计算机技术的高速发展以及微电子机 械技术( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a lt e c h e n o l o g y ，简称m e m t ) 的出现，使差 压变送器越做越小，功能也越来越强，正向微型化、高精度、智能化、数字化的 方向快速发展。 ( 1 ) 差压变送器市场规模 差压变送器在自动化仪表领域发展较早，2 0 世纪5 0 年代就进入商品化工业 应用，然而直到2 0 世纪7 0 年代开始才有很大发展，其后快速增长。由于差压变 送器应用范围广，用量大，所以当前国外差压变送器制造厂也特别多。较有竞争 力的差压变送器制造厂有美国r o s e m o u n t 公司，以电容式传感器为主的1 1 5 1 系 列和3 0 5 1 系列差压变送器；美国h o n e y w e l l 公司，以扩散硅复合传感器为主的 s t 3 0 0 0 9 0 0 系列差压变送器；日本y o k o g a w a 公司，以单晶硅谐振式传感器为主 的e j a 系列差压变送器；日本f u j i 公司的硅微电容传感器为主的f c x 系列差压 变送器；美国f o x b o r o 公司扩散硅式传感器的8 4 0 8 6 0 系列差压变送器和多晶硅 固态传感器的i a s 系列差压变送器：法国e l s a g b a il e y 公司电感式p t s 系列差 压变送器：英国a b bk e n t - - t a y l o r 公司浮动双电感传感器6 0 0 t 系列差压变送 器；德国s i e m e n s 公司的扩散硅式t m f 系列差压变送器；德国e n d r e s s + h a u s e r 公司陶瓷电容式p m c p m d 系列差压变送器；英国m o o r e 公司双硅电容式x t c 系列 差压变送器等。 ( 2 ) 我国的差压变送器现状 我国的差压变送器研究起步相对较晚些。由于我国工业基础相对落后，自主 开发微位移一电子式差压变送器较为成功的企业较少，大多采取了引进技术或合 资组装生产为主。如西安仪表厂、北京远东仪表厂在2 0 世纪8 0 年代，上海自动 化仪表一厂在2 0 世纪9 0 年代初，均从美国r o s e m o u n t 公司引进1 1 5 1 系列电容 式差压变送器。1 9 9 5 年四川仪表集团四川仪表七厂与日本y o k o g a w a 引进合资 e j a 系列差压变送器。上海光华仪表厂依靠自己力量于1 9 8 1 年成功开发了相当 于1 1 5 1 系列的c e c 系列电容式差压变送器。上海光华仪表厂不仅能生产常规差 压变送器，而且能生产符合核电站要求的c e c ( h ) 系列核安全级差压变送器。( 国 外也仅有少数企业能生产核安全级差压变送器，如r o s e m o u n t 公司的1 1 5 2 1 1 5 3 一 上海大学硕士学位论文 系列核级差压变送器；e l a g b a i l e y 公司的b i b l o c 系列核级差压变送器) 。 随着工业水平的不断提高，控制策略将越来越复杂，控制系统也越来越庞大， 对差压变送器的要求也越来越高。具体而言就是更高的精度、更多的功能、对测 量对象和使用环境的适应性更强、小型化、安装维护简便等，尤其是可靠性的提 高，区f 为变送器性能的稳定可靠将关系到整个自动控制系统的可靠和安全。因此， 可以看出未来智能差压变送器将继续沿着多变量测量、微型化、全数字化方向发 展4 ；13 。 1 2 现场总线技术概述 1 2 1 现场总线 现场总线( f i e l d b u s ) 就是应用在生产现场的，在测量、控制设备之间实现 双向、串行、多点通信的数字通信系统。国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协 会( i s a ) 对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、 双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键标志是能支持双向多节点、总线式 的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安 全、造价低廉、维护成本低等优点。 现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下 几项技术特点： ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间 可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层 网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共 识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。 一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权 利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随 意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系 统问的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意 味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、： 程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基 本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线将控制功能和诊断功能下放到网络 底层的现场网络节点，做到彻底的分散控制，从根本上改变了现有d c s 集中与 分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的控制灵活性、 自治性和可靠性，并减轻了控制站c p u 的负担。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通 信，并可满足本质安全防爆要求等“、“6 2 “”1 。 1 2 2d e v i t e n e t 现场总线 d e v i c e n e t 是c a n 基础上推出的一种低成本的通信链接网络系统。它是一种经 济型的工业网络，如图1 1 所示，能把限位开关、光电开关、阀门、指示灯、调 速器、电器和自动化元器件同p c 、p l c 连接，并进行数字化通信，是设备层现场 总线的最佳选择。 d e v i c e n e t 继承和发展了c a n 总线的一系列优点，因此越来越受到工业界的青 睐，使得许多器件厂商竟相推出各种d e v i c e n e t 总线产品和器件。目前，d e v i c e n e t 已经广泛用于汽车、火车、轮船、机器人、机械、液压传动、传感器、自动化仪 表、数控机床等领域。数百家国际著名大公司支持其协议，是目前几种最有前途 的现场总线之一。 d e v i c e n e t 主要特点如下： ( 1 ) 同一网段上最多可容纳6 4 个节点，且每个节点的i o 数量没有限制； ( 2 ) 1 2 5 k b i t s 、2 5 0 k b i t s 、5 0 0 k b i t s 三种通讯速率可选； ( 3 ) 点对点，多主或主从通讯； ( 4 ) 可带电更换网络节点，在线修改网络配置； ( 5 ) 采用c a n 的物理层和数据链路层规约，使用c a n 规约j 占片，得到国际 l 主要芯片制造商的支持； 上海大学硕士学位论文 驱动嚣 图11d e v i c e n e t 网络示例 ( 6 ) 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送： ( 7 ) 低成本、高可靠性的数据网络： ( 8 )即适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、操作终端这样的复 杂设备； ( 9 ) 采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息； ( i 0 ) 具有通讯错误分级检测机制、通讯故障的自动判别和恢复功能； ( 1 1 ) d e v i c e n e t 是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的。厂商将 设备连接到系统时，无需购买硬件、软件或许可权。任何人都能以少 量的复制成本从开放式d e v i c e n e t 供货商协会( o d v a ) 获得d e v i c e n e t 规范。任何制造( 或有打算制造) d e v i c e n e t 产品的公司都可以加入 o d v a ，并参加对d e v i c e n e t 规范进行增补的技术工作组。d e v i c e n e t 规范的购买者将得到一份不受限制的、真正免费的开发d e v i c e n e t 产 品的许可。这使得d e v i c e n e t 得到众多在自动化行业居于领先地位的 制造商的支持，如r o c k w e l l 、o m r o n 、h i t a c h i 、c u t t e r - - h a m m e r 、a b b 等。d e v c e n e t 制造商协会( o d v a ) 拥有3 0 0 多个会员，遍布世界各 地。 ( 1 2 ) d e v i c e n e t 是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件问 7 。 上海大学硕士学位论文 的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化没各的成本和时 间。 表1 2 列出t d e v i c e n e t l 拘主要特点和功能”7 89 ”。 表卜2d e v i c e n e t 主要特点和功能 网络大小最多6 4 个节点 可选的端端网络长度随网络传输速度而变化 波特率 距离 网络长度1 2 5 k b i t s 5 0 0 m 2 5 0k b i t s2 5 0 m 5 0 0k b i t sl o o m 数据包 0 8 b 总线拓扑结构线性( 干线支线) ：电源和信号在同一网络屯缆中 总线地址带多点传送( 一对多) 的点对点；多主站和主从；轮询或状态改变 系统特性支持没备的热插拔，无需网络断电 1 3 总线式智能仪表概述 1 3 1 总线式智能仪表的产生与发展 仪表的发展，经历了早期的基地式仪表、气动单元组合式仪表及电气仪表等 过程。随着计算机技术、网络通讯技术的发展，出现了工业现场总线技术。这是 自动控制系统的一次新的变革。它既是现场总线仪表诞生的原因，也是仪表工业 发展的必然结果。 总线式仪表的产生主要来自两个方面：一是智能变送器的发展，二是工业数 字网络技术的出现。 由于微处理器的性能不断提高，价格不断下降，2 0 世纪8 0 年代出就开始出 现了内嵌微处理器的现场设备，即智能型变送器，它的功能和性能远非传统仪表 可比，这也就是现场总线仪表的雏形。智能仪表的发展为现场总线的出现奠定了 基础。实现数字通信的首要前提是将传输信号数字化。1 9 8 3 年h o n e y w e l l 推出 了智能仪表s m a r t 变送器，这种仪表采用了微处理芯片，不仅实现了复杂的计算 功能，而且还在4 2 0 m a 的信号上叠加了数字信号，初步实现了数字化信号传输。 自此以后的几十年时间里，世界上各大公司相继推出了各种智能仪表。r o s e m o u n t 上海大学硕士学位论文 公司还采用了它自己的h a r t 数字通信协议。这些模拟和数字混合仪表给自动化 仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的诞生奠定了基础。 又随着计算机网络技术的迅猛发展和数字化大潮的推动，促成了工业测控系 统的网络化、数字化，测控系统再不是信息的孤岛，系统内部设备之间、系统与 外界之间通过网络紧密的连接在一起，这就是现场总线技术。现场设备全部挂接 在总线上，具有双向通信能力，电就成为了总线式仪表。 现场总线提高了仪表的测控能力。现场总线控制系统既是一个开放通信网 络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、 作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本 控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动 化功能。 随着微处理器处理能力的大幅度提高，以微处理器为核心的智能仪表发展迅 速，并向组合型、模块化发展，功能及复杂程度快速增加，虚拟实现技术和人工 智能技术也被大量采用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的问题，而且 可望解决许多用传统方法根本无法解决的问题“1 。 本课题的研究中，也受益于新型微处理器的强大信息处理能力，实现了智能 处理和总线通信的集成化。 1 3 2 总线式智能仪表的特点 与d c s 系统中的现场仪表相比，f c s 系统中的总线式仪表具有很多新的特点。 ( 1 ) 控制功能 f c s 系统将许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程测量与控制信息 就地采集就地处理就地使用实现就地控制，使过程控制基本分散到现场。只要在 现场仪表的微处理器中装p i d 等控制模块就具有控制功能，可以实现就地控制。 控制室中的上位机主要进行优化控制协调控制监督控制和管理自动化。 ( 2 ) 智能化 在f c s 系统中的现场仪表必须具有智能化功能，也就是要能自己管自己，最 大限度地保汪自己工作正常稳定。因此，一般都具有内嵌微处理器，能够自动进 行非线性校正、频率补偿、温度补偿以及故障诊断等智能化功能。其量程设定和 上海大学硕士学位论文 零点调整可用遥控方式进行。 ( 3 ) 开放性与互换性 不同厂家的产品采用统一的国际标准，在硬件软件通讯规程连接方式等方面 互相兼容，可以互换和联用。这种开放性系统对用户使用操作维护扩展都十分有 利。 ( 4 ) 带有总线接口 现场仪表相互之间，如流量变送器与调节阀，要完成闭环控制功能需要传送 信息，控制模块既可以装在流量变送器中的微处理器中也可以装在调节阀中的微 处理器里。组成闭环控制的信息传递，就是通过各自的接口经现场总线传输的。 同时，现场仪表与控制室中的上位机之问的通讯也是由接i q 经现场总线传输进行 的。 ( 5 ) 通讯功能 所有的智能化现场仪表，包括变送器执行器等都通过接e l 挂接在现场总线 上。现场总线采用双绞线光缆或无线电方式。目前主要以双绞线为主，也就是说 上位机与所有现场仪表的连接只有两根导线。这两根导线不仅可以承担现场仪表 所需的供电，而且承担了它们之间全数字化双向串行通讯。用数字信号取代模拟 信号不仅可以提高抗干扰能力，延长信息传输距离，而且大量削减现场与控制室 之问导线安装费用。 ( 6 ) 全数字性 现场总线通信方式与模拟通信和混合通信方式不同，是完全数字信号通信方 式。现场总线可以进行双向通信，可以传输多科数据。 ( 7 ) 抗干扰能力强 模拟信号通信方式中，噪声和信号畸变是无法避免的。无法检测信号是否发 生了畸变，因为畸变的信号看起来仍然像一个有效的过程信号。而现场总线仪表 传输的是全数字信号，只有0 、1 两个状态，不易受到噪声的干扰，另外还有检 错机制，一旦发现数据有误可以要求重新传送。这大大提高的信号传输的精度。 ( 8 ) 多变量测量 即一台现场总线仪表可以同时测量多个过程变量。比如智能压力变送器除测 量压力信号外，还可同时测量现场温度信号，这个温度信号可以传送给需要的设 1 0 上海大学硕士学位论文 备，还可对压力信号的测量进行实时温度补偿，提高测量精度。这得益于三点： 敏感元件的微型化一一先进的生产： 艺；仪表的智能化一一内嵌微处理器；仪表 网络化一一总线可以高速、准确地传送大量信息“o “3 。 1 4 课题研究背景、内容和意义 1 4 1 研究背景 ( i ) 技术背景 目前，绝大部分国产仪器仪表产品的技术水平处于国际上2 0 世纪9 0 年代 初的水平。尤其在智能仪表方面，与世界先进水平的差距较为明显。先进的现场 总线控制系统及总线式仪表尚未成为主流。 在现场总线技术的研究方面，我国的起步时问与国外差不多，但是由于国 内投资力度不够、技术力量分散等原因，至今尚未能在某种总线上实现完全的技 术突破，使我国在现场总线技术的产业化程度上与国外的差距又开始拉大。 ( 2 ) 应用及市场背景 具有现场总线通讯功能的智能传感器与仪表及控制系统被广泛应用于我国 国民经济的各个领域，如电站、化工、冶金、石化、纺织、食品、水利、能源、 航空、航天、环保、汽车、运输、热网、楼宇供水供热、城市污水处理等领域和 部门。其中压力( 差压) 变送器j e 是所有传感仪表中需求量最大的一种。 自从1 9 8 3 年美国h o n e y w e l l 公司生产了世界上第一台智能差压变送器以来， 到1 9 9 3 年底，智能差压变送器在全世界变送器市场占有的份额已超过非智能的， 达到5 4 左右。目前，基于现场总线的自动控制系统和智能化仪表国际市场正以 年增长率i 5 2 0 的速率在迅速增氏。 总体来讲，工业自动化仪表在我国始终有较大的市场需求。但一般低档产品 处于供大于求的局面；而技术先进的微型化、数字化、智能化、网络化等高档产 品仍不能满足市场需要。同时，我国许多行业的高端仪表市场，几乎全部被国外 公司所占领。因此，加紧高档、智能化总线型传感器的自我研制是一项非常紧迫 的任务。 因此，在这样的技术、市场背景下，在上海市科委的积极倡导和支持下， 上海大学硕： 学位论文 我们开展了本课题的研究。 1 4 2 研究内容 本课题来源于上海市科委重大项目智能差压传感器及仪表研究( 项目编 号0 3 d z l1 0 0 1 ) ，该项目主要任务是研制开发适用于工业过程控制的差压压力 温度多参数传感器及智能变送器，并具有多种现场总线功能可供用户选择。本 课题作为其中的重要子课题，主要研究智能差压变送器的整体结构设计、智能信 号处理功能的研究与实现以及嵌入式d e v i c e n e t 现场总线通讯卡的设计。 根据课题的研究内容，论文共分五章： 第一章分别对差压变送器、智能变送器、现场总线、d e v i c e n e t 以及总线式 智能变送器的概念、特点及发展等进行了介绍和分析，阐明了本课题的研究背景、 研究内容及研究意义。 第二章论述了嵌入d e v i c e n e t 通信接口的多功能智能差压变送器设计。论述 了变送器的工作原理，完成了以p 8 9 c 6 6 8 单片机、s j l 0 0 0 总线控制器、 p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 1 报文收发器等为核心的变送器硬件系统电路设计与调试，并介绍 了硬件系统抗- t 扰设计和变送器各项功能的实现途径。 第三章详细论述了变送器的自校正、自补偿等智能功能的研究。在输入一输 出特性曲线的非线性自校正研究中，通过大量的传感器标定实验数据，分别进行 了直线拟合、多项式曲线拟合、b p 神经网络拟合等模型的研究、设计、仿真和 对比，指出了每种方法的特点、局限性及适用情况等；在温度补偿的研究中，也 进行了大量的类似的工作；对静压补偿问题也进行了初步探讨。 第四章详细沧述了变送器o e v i c e n e t 通信接口的软件实现。在分析了 d e v i c e n e t 通信协议的基础上，论述了智能差压变送器的d e v i c e n e t 应用对象模 型设计、仅组2 从站功能的实现、设备配置方法和系统软件设计等。 第五章中对本课题的研究工作进行了总结，并对未来的工作做以展望。 1 辱3 研究意义 本课题的研究的意义主要体现在： ( 1 ) 有利于提高单参数传感器的性能指标 一1 2 上海大学硕士学位沦文 由于工业过程中的压力、温度、流量参数具有相互影响作用，因此用单个 传感器测量往往难于修正其他参数变化对其产生的影响，故很难将单个传感器的 技术指标做得很高，而采用多参数传感器就可以根据检测出的其他的影响参数 ( 例如温度、压力对差压的影响) ，利用现代信号处理技术就可以比较方便地解 决上述问题，使差压参数检测的精度等综合技术指标获得提高。 ( 2 ) 有利于提升国内传感器制造技术水平，缩小同国外的差距 由于多参数传感器国外已开发成功，并实现了产业化，而国内目前尚是个 空白点，因此开发该种传感器，不但可以为开发该类传感器积累经验，而且对推 动我国传感器及变送器的整体技术水平的提高具有重要的意义。 ( 3 ) 有利于提升国产变送器的技术水平，减少变送器的使用数量 采用常规的变送器测量质量流量、液位等测量参数时，往往需要多台不同种 类的变送器与上位机的配合来完成上述的系统测量任务，而如果采用本项目开发 的差压压力温度多参数变送器，不但可以减少传感器( 变送器) 使用的数量， 而且可以同时利用变送器内部提供的计算处理程序，大大简化测量过程，减少设 备配置，具有显著的经济价值。 ( 4 ) 为国内过程控制提供较为先进的传感器，替代国外进口同类产品 自从1 9 8 3 年美国h o n e y w e l l 公司生产了世界上第一台智能差压变送器以 来，智能差压变送器在全世界变送器市场占有的份额已超过非智能的，而且还在 以每年两位数的速度快速增长。我国对各种差压传感器( 变送器) 的年需求中很 大一部分被国外产品所占据，智能化产品几乎全部由国外企业所垄断。因此，该 项研究不但有助于提高现有的传感器及变送器的制造水平并最终替代进口，而且 将具有很好的产业化前景。 上海大学硕士学位论文 第二章变送器硬件系统设计 常见智能仪表通过安装通讯卡实现总线通信功能，信号处理和总线通讯功能 实际上由两套处理器系统分别实现。本课题所设计的总线式智能差压变送器采用 新型、高速微处理器系统，因此它具有强大的数据处理功能，可以实现信号处理、 总线通讯两大功能的集成，这样不仅节约了成本、减小了体积、降低了功耗，而 且减少了故障发生的可能性。 2 1 变送器的基本工作原理 本课题设计的总线式智能差压变送器的基本工作原理是：传感器输出的微弱 模拟信号经滤波、放大后，由a d 转换器转换为数字信号，然后送入变送器的微 处理器系统。在微处理器系统中，可通过预先编制的灵活丰富的软件，对输入数 据进行非线性校正、误差补偿、工程量计算提取等操作。另外，智能变送器通过 内嵌的现场总线数字通信模块，以标准通信胁议将所需数据传输至监测节点以及 实现变送器与其它现场设备之间的信息交换，并可进行各种功能的本地、远程组 态。其工作示意图如图2 1 所示“3 。 敏感元件 山 调理电路 山 微处理器系统 ( 非线性校正、 温度补偿、 静压补偿等) $ 网络信息处理 $ 总线接口 $现场总鐾 图2 1 总线式智能差压变送器工作原理 一1 4 上海大学硕士学位论文 2 2 变送器的硬件结构设计 本设计采用了单处理器集成化方案，将传统的总线通信卡直接嵌入至变送器 中。系统可分解为传感器模块利变送器模块，如图2 2 所示。其中传感模块由上 海自动化仪表有限公司技术中心设计制造并提供，变送器模块是本课题的主要研 究对象。 传感器模块变送器模块 r 一j y 一“： i e 2 r o m i k u m俘e 自与j 百日r 剐 z 一i 一 丁 r 一 调 上 线 接 l 差压传感器l 刊p 8 9 c 6 6 8 h 盈 t 一丁p 口 理一 _ _ l 静压传感器l 电 t 。 路 l 看门狗i l 温度传感器i jjr 二了r 东= 一 i j i一 图22 智能差压传感器结构图 图中：酽p r o m 为低功耗串行数据存储器；r a m 为扩展动态存储器；r o m 为扩展静态存储器 f c d 为低功耗小型点阵式液晶显示器。 传感模块集成了差压、静压、温度三种传感器。静压和温度传感器可实时提 供工作现场的静压力和环境温度信号，这样在智能变送器中就可实现实时的静压 补偿和温度补偿，可以显著提高测量精度。 变送器模块的核心是微处理器系统，它同时实现了信号处理和总线通信两大 功能。首先将传感模块输出的信号滤波、放大，经a d 转换为数字信号送入微处 理器，依据预先编写的软件对输入信号进行非线性修正、误差补偿、工程量计算 等操作；然后，通过内嵌的d e v i c e n e t 现场总线数字通信模块，根据通信协议将 所需数据传输至监测节点以及实现传感器与其它现场设备之间的信息交换，并可 进行各种功能的本