现场总线技术课件

2023/9/6模块十现代测量技术

科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，促进现代测量技术手段更快、更广泛发展，测量技术将在网络时代发生革命性变化。2023/8/3模块十现代测量技术科技发展的脚2023/9/6

模块十现代测量技术课题一智能传感器课题二总线式传感器2023/8/3模块十现代测量技术课题一智能传2023/9/6[任务导入]

据调查统计表明，每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或渗漏造成的，爆胎造成的经济损失巨大。有鉴于此，多数新型汽车都要安装轮胎压力监视系统，主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气和低气压进行报警，预防爆胎，以保障行车安全。

课题一智能传感器2023/8/3[任务导入]据调查统计表明，每年有26万2023/9/62023/8/32023/9/6本课题的任务就是用智能压力传感器来监测轮胎压力，确保行车安全。

什么是智能传感器？智能传感器如何来实现自动监测？驾驶者如何直观地了解各个轮胎的温度、气压状况？2023/8/3本课题的任务就是用智能压力传2023/9/6◆知识点¤了解智能传感器的概念和组成◆技能点¤掌握智能传感器的适用范围2023/8/32023/9/6一、智能传感器

所谓智能传感器就是一种带有微处理机的兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器，使之具备了某些人工智能。它将机械系统及结构、电子产品和信息技术完美结合，使传感器技术有了本质性的提高。

智能传感器必须具备通信功能。不具备通信功能，就不能称之为智能传感器。[相关知识]2023/8/3一、智能传感器所谓智能传感2023/9/6

智能传感器主要由四部分构成：电源、敏感元件、信号处理单元和通信接口。敏感元件将被测物理量转换为电信号，通过放大、A/D转换成数字信号，再经过微处理器进行数据处理（校准、补偿、滤波），最后通过通信接口，与网络数据进行交换，完成测量与控制功能。2023/8/3智能传感器主要由四部2023/9/6美国通用公司的智能传感器NPXII代表了世界上最新一代的远程轮胎压力监测传感器。NPXII传感器集成了一个硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位微处理器，以及一个低频触发输入级，以灵活满足客户的特殊解决方案和降低成本的需要。2023/8/3美国通用公司的智能传感器NP2023/9/6内部元件

功

能电源提供所有电路需要的电能。压力传感器用于监测轮胎内部压力。温度传感器用于监测轮胎内部温度。加速度传感器用于车辆移动检测，提供触发模块工作信号。微处理器用于管理所有外围设备，进行压力、温度、加速度和电池电压的测量、补偿、校准等工作，以及RF发射控制和电源管理。RF射频发射电路将检测的压力、温度、加速度和电池电压等数据信息，用RF射频信号发射出去。LF（低频）天线接收中央监视器发来的LF开关信号，并可实现与中央监视器的双向通讯功能。2023/8/3内部元件功能电源提供2023/9/6轮胎压力监测传感器安装在汽车的四个轮胎中高灵敏的智能传感器，在汽车行驶状态下实时、动态地监测轮胎温度和压力，然后将数据通过无线数字信号发射到主机（接收器）进行处理，并在主机液晶显示屏上以数字加图案的形式同时显示出四个轮胎中的温度和气压值，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的温度气压状况。当出现轮胎气压过低、过高、漏气或温度过高等异常情况时，系统都能够自动报警，从而使驾驶员及时发现问题，避免轮胎非正常损伤，有效预防爆胎，保障行车安全。2023/8/3轮胎压力监测传感器安装在汽车2023/9/6

智能传感器NPXII具有适合轮胎监测应用的独特优势：1．带加速度传感器的智能传感器：使用者可以任意设定启动监测轮胎压力系统的速度。2．更加安全智慧的气压检测算法：当车子时速超过设定速度时，传感器发射轮胎信息。时速越高检测次数也随之增加。3．静态智能检测：当车辆静止时，如果轮胎充放气或温度发生变化，也可触发监测系统。4．发射传感器电池容量监测：对发射传感器电池容量直接监测，如电池容量过低，显示器会有信息通知用户更换电池，确保安全。5．智能识别码设置：系统自动接收并显示各个发射传感器的识别码和状态。2023/8/3智能传感器NPXII2023/9/6二、智能传感器的功能智能传感器与传统的传感器相比，最突出特征是数字化、智能化、阵列化、微小型化和微系统化。1．它具有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高了传感器的测量准确度。2．它具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。3．它可以实现多传感器多参数复合测量，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度的复合传感器等。4．它内部设有存储器，检测的数据可以存取。5．它具有数字通信接口，能与计算机直接联机，交换信息。这是智能传感器与传统传感器的关键区别之一。6．最新智能传感器还增加了传感器故障检测功能。7．一些智能传感器还增加了静电保护电路，智能传感器的输入端一般可承受1000~4000V的静电放电电压。2023/8/3二、智能传感器的功能智能传感器与传统的传感器2023/9/6三、智能传感器的适用场所

1．在分布式多点测试、集中控制采集、测试现场远离集中控制中心的场合。如果采用传统的传感器，将造成技术复杂、设备成本高、数据传输易受干扰、测量精度低、系统误差大等缺点。而智能传感器便能解决上述问题。2．安装现场受空间条件限制的场所，如埋入大型电机绕线内部，通风道内部，电子组合件内部。如果采用传统的传感器，需要定期校验、检测，但是由于空间的限制很难完成，而智能传感器具有自检测、自诊断、定期自动零点复位、消除零位误差等功能。独立的内部诊断功能可避免代价高昂的拆机、校验，从而迅速收回投资。2023/8/3三、智能传感器的适用场所1．在分布式多点测2023/9/63．在自动化程度高、规模大的自动化生产线上，如：工业生产过程控制、发电厂、热电厂、大型中央空调设备用户端等。在这些场合，测量、控制点多，远距离分散，数据量大，人工处理不现实，采用智能传感器即可解决这一错综复杂的问题，能从测量过程中收集大量的信息以提高控制质量。4．在经常无人看守，但需要检测的场合，如农业养殖场、温棚、温室、干燥房、粮食仓库等。属于远距离、分散式、多点测试，采用智能传感器能监视自身及周围的环境，然后再决定是否对变化进行自动补偿或对相关人员发出警告。2023/8/33．在自动化程度高、规模大的自动化生产线上，2023/9/6轮胎压力监测可以有两种方案：

方案一：间接式轮胎压力监测。可以通过汽车ABS的轮速传感器来比较各个轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里／小时的情况进行判断。方案二：直接式轮胎压力监测。以锂离子电池为电源，利用安装在每一个轮胎里的的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。[任务实施]2023/8/3轮胎压力监测可以有两种方案：[任务实施]2023/9/6经试验证明：直接方式提供了更为精确的轮胎压力监视。而且采用胎压监测传感器具有体积小，安装方便的优点。在更换轮胎时，不需要拆除传感器，方便了用户。智能传感器可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统，使用方便灵活、测试精度高、优于任何传统的数字化、自动化测控设备。2023/8/3经试验证明：直接方式提供了更为精确的轮胎压2023/9/6[任务导入]课题二总线式传感器现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多，如发动机的电控系统、自动变速器的控制系统、防抱死制动系统（ABS）、自动巡航系统（ACC）和车载多媒体系统等，这些系统之间、系统和汽车仪表之间均需要进行数据交换。如此巨大的数据交换量，如采用传统数据交换的方法，一个中级轿车就需要电缆插头300个左右，电缆总长超过1.6Km，不但装配复杂、占用空间大，而且故障率会很高。因此，用串行数据传输系统（即现场总线系统）可以解决上述矛盾。2023/8/3[任务导入]课题二总线式传感器现代汽车2023/9/62023/8/32023/9/6所有参加现场总线（CAN总线）的分系统都可以通过其控制单元上的现场总线接口进行数据的发送和接收，数据在串联总线上可以一个接一个的传送。现场总线是一个多路传输系统，当某一单元出现故障时不会影响其他单元的工作。数据总线如何能实现多路传输的呢？本课题的任务就是了解现场总线技术及现场总线的基础和核心。2023/8/3所有参加现场总线（CAN总线）的分系统都可以2023/9/6◆知识点¤了解现场总线的种类¤学习现场总线的适用场所◆技能点¤掌握总线式传感器的组网方法2023/8/32023/9/6一、现场总线技术[相关知识]生产过程控制仪表是工业自动化中最常用的、不可缺少的一部分，多数仪表输出多为4～20mA(DC)标准信号。但是这种基于模拟信号的测量仪表，暴露出许多缺点，已不能满足现场的需要。2023/8/3一、现场总线技术[相关知识]用户需求一个电站需要5000台传感器及其仪表；一个钢铁厂 需要2万台传感器及其仪表；大型石油化工厂需要6000台传感器及其仪表；大型发电机组需要3000台传感器及其仪表；一部汽车 需要30至100台传感器；一架飞机 需要3600台传感器；

2023/9/6用户需求2023/8/3

传统控制系统的缺点：一对一结构；信息集成能力不强；系统不开放、可集成性差、专业性不强；可靠性不易保证；参数不易调整，现场人员无法调整、控制；互换性差；可维护性不高。2023/9/6传统控制系统的缺点：一对一结构；2023/8/3

传统控制系统和现场总线系统接线方式的比较a．传统的接线方式b．现场总线接线方式2023/9/6传统控制系统和现场总线系统接线方式的比较a．传统的接线方式2023/9/6什么是现场总线？现场总线是用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。国际电工委员会IEC1158定义为：安装在制造或生产过程区域的现场测量装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的通信与网络技术。

2023/8/3什么是现场总线？基于现场总线的控制系统的优点：一对N结构；增强了现场级信息集成能力；开放式、互操作性、互换性、可集成性；系统可靠性高、可维护性好；降低了系统及工程成本。每台现场设备或现场仪表就是一台微处理器，并由各节点构成虚拟控制站，这要求采用先进的网络技术和分布式数据库技术。2023/9/6基于现场总线的控制系统的优点：一对N结构；2023/82023/9/6二、现场总线的核心与基础

1．现场总线类型的核心-总线协议

总线协议技术是“信息时代”的高新技术，它可应用于不同的领域之中，但在各自领域中是完全独立系统。如火力发电、核电、冶金、油田、石化、汽车制造、机械制造、楼宇，以及农田企业化、节水灌溉、水电、风力发电、酿造、轻工等等，在不同的应用领域可以用不同总线协议技术。

对于各类总线而言，其核心是各类“总线协议”，而这些协议的本质就是数据传输的标准。2023/8/3二、现场总线的核心与基础

1．现场总线类型2023/9/62．现场总线的基础-智能测量仪表

现场测量仪表包括多类工业测量装置，包括流量、压力、温度、振动、转速等传感器，也包括电子开关、执行器和电子马达等。以往的现场测量仪表输出为4-20mA，便于远距离数据传输。而安装于测量现场的智能仪表，必须符合下列要求:（1）无论是哪个公司生产的现场装置，它必须与它所处的现场总线控制系统具有统一的总线协议（遵守相关的通讯规约）。（2）用于现场总线系统的现场装置必须是多功能智能化的。正是由于现场装置智能化的进步与完善，它已成为现场总线控制系统有力的硬件支撑，是现场总线控制系统的基础。

2023/8/32．现场总线的基础-智能测量仪表

智能压力传感器AIBlock模拟量输入块Pressure压力mVOUT2023/9/6智能压力传感器AIBlockPressuremVOUT2现场总线技术给用户带来的好处

1．节省硬件成本。2．设计组态安装调试简便。3．系统的安全可靠性好。4．减少故障停机时间。5．用户对系统配置设备选型有最大的自主权。6．系统维护设备更换和系统扩充方便。7．完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。2023/9/6现场总线技术给用户带来的好处1．节省硬件成本。20采用智能设备管理来投运仪表2023/9/6采用智能设备管理来投运仪表2023/8/32023/9/62023/8/32023/9/62023/8/32023/9/6三、网络传感器虽然总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中式或分布式测控系统变得更为容易。但集中测控越来越满足不了复杂的、远程（异地）的和范围较大的测控任务的需求，因此，组建网络化的测控系统非常必要。使用网络传感器，人们可以从任何地点在任意时间获取到测量信息（或数据）。与传统的仪器、测量、测试相比，是一个质的飞跃。2023/8/3三、网络传感器虽然总线式仪器、虚拟仪器等微机2023/9/6网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测量转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果通过网络传输给控制仪表，实现了各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，做到“即插即用”，极大地方便了用户。2023/8/3网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理2023/9/62023/8/32023/9/6自动抄表系统用于水、电、气不同行业的自动抄表与收费管理。在某种意义上，可以称为网络化仪器。因为自动抄表系统虽然没有通过Internet互联网，但采用公用电话网，即管理中心与小区电话有线连接，经公用电话网对异地用电、用气等信息进行测取和监控，为管理部门提供各种信息。2023/8/3自动抄表系统用于水、电、气不同行业的自动抄表2023/9/62023/8/32023/9/6四、无线网络传感器无线网络传感器是低成本、具有传感数据处理和无线通信能力的智能传感器。通过基站或移动路由器等基础通信设施，以自组织方式形成传感器网络。可以有几百甚至几千个传感器部署在监测地域。无线网络传感器由许多个功能相同或不同的无线智能传感器组成。每个传感器除了包含智能传感器所必备的功能外，还具有无线通信功能(具有无线收发器模块)，且自带供电模块。2023/8/3四、无线网络传感器无线网络传感器是低成本、具2023/9/6无线网络传感器可以安装在危险工作环境，如煤矿、石油钻井、核电站等工作环境；也可以安装在野外无人看守的恶劣环境中，如自然环境的监控，野外传输管道流量监测等；还可以安装在工厂的排放口，实时检测工厂的废水、废气等污染源。把操作人员从高危环境中解放出来。无线网络传感器必须具有良好的抗毁能力，如果某一传感器测试单元损坏，可以利用其他节点完成信息采集、处理和传输。由于无线传感器网络的节点数量巨大，因此传感器的成本必须尽可能的低。同时无线网络传感器的工作环境和工作方式要求传感器必须做到体