第9章 虚拟仪器与测控网络.ppt

第9章虚拟仪器与测控网络,,9.1系统现场总线与智能仪器,9.2虚拟仪器与系统,系统现场总线与智能仪器,9.1.1现场总线9.1.2现场总线控制系统中现场总线仪表的特点,（1）现场通信网络（2）现场设备互连（3）互操作性（4）分散功能块（5）通信线供电（6）开放失互连网络,（1）控制功能（2）智能化功能（3）开放性与互换性（4）带有总线接口（5）通讯功能,系统现场总线与智能仪器,9.1.3现场总线与智能仪器表的基本结构,（1）现场总线的基本结构,（2）现场总线仪表的基本结构,系统现场总线与智能仪器,9.1.4HART协议简介,（1）HAPT协议现场总线技术,（2）实现通讯功能的硬件介绍（HAPT协议）,系统现场总线与智能仪器,9.1.5现场总线仪表实例简介,（1）系统硬件结构,（2）系统软件结构,系统现场总线与智能仪器,9.2.1虚拟仪器概述,虚拟仪器（VirtualInstrument简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器,虚拟仪器与系统,1．虚拟仪器的内部功能测量仪器的内部功能可划分为输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。（1）信号采集与控制功能虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量/转换与控制的。硬件平台由两部分组成1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站；2、仪器硬件可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、A／D转换器、数字I／O、定时器、D／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等。,9.2.1虚拟仪器概述,虚拟仪器与系统,2数据分析处理功能虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理＼数字滤波统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据分析处理功能。3测量结果的表达虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现通过总线网络进行数据传输；通过磁盘、光盘硬拷贝输出；通过文件存于硬盘内存中；计算机屏幕显示。,9.2.1虚拟仪器概述,VI系统有多种构成方式PCDAQ测量系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。VXI系统是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。串口系统是以Seial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。现场总线系统是以Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。,虚拟仪器与系统,9.2.1虚拟仪器概述,虚拟仪器与系统,9.2.1虚拟仪器概述,I/O接口设备,无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信息的数据采集ADC-信号的分析与处理DSP-输出DAC及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。,虚拟仪器与系统,9.2.1虚拟仪器概述,VI构成要素虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台,虚拟仪器与系统,9.2.1虚拟仪器概述,9.2.2虚拟仪器开发工具及方法,虚拟仪器与系统,软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。,虚拟仪器与系统,9.2.2虚拟仪器开发工具及方法,LabView软件组成1、编程设计图形化软件模块提供图形化编程环境，通过调用控件、库函数原码模块进行仪器面板设计和数据分析处理。2、仪器驱动程序（InstrumentDrivers与用户接口开发工具（UserInterfaceDevelopment标准软件模块。,虚拟仪器与系统,9.2.2虚拟仪器开发工具及方法,虚拟仪器与系统,9.2.2虚拟仪器开发工具及方法,LabView,虚拟仪器与系统,9.2.2虚拟仪器开发工具及方法,虚拟仪器与系统,虚似仪器和传统仪器的比较,现场总线的技术发展与应用动态,,,测控领域热点技术之一的现场总线,什么是现场总线应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术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工业数据通信系统在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分自控领域的局域网企业的底层网络；网络集成式测量控制系统；,早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制任务。总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求数字地球、数字北京、数字传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息,总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络,现场总线是自动化领域的通信、网络技术,也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。,二.现场总线技术的百花齐放与兴盛发展,现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项技术的开发之热是近年之举早期的现场总线技术与PLC同时出现的、Culter-Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI/OPhoenix的Interbus-S，TURCK的Sensoplex丹麦ProcessData公司83年推出的P-Net；德国Siemens公司84年推出的ProfibusProcessFieldbus的简称法国Alstom公司87年推出的FIPFactoryInstrumentationProtocol等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术,欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发已经形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种,现场总线组织现场总线基金会（FieldbusFoundation）LonMark协会,Profibus协会，工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation），工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）制定现场总线标准的国际标准化组织IECISO,三.现场总线标准化工作的现状,IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。它于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，也因此而历经坎坷，历经了16年的艰难历程，出现了波及全球的现场总线标准大战IEC61158-2诞生于1993年，之后的标准制定就陷于混乱2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S,最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准ISO11898IEC/17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准的组织,已通过的IEC62026国际标准包括。第2部分ASI第3部分DeviceNet；第4部分智能分布式系统SDS（SmartDistributedSystem）;第5部分Seriplex其它有实力、有发展前景的控制网络技术工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局域网；消费电子总线CEBus；光总线等；（过渡型总线HART）,四.现场总线控制网络是信息技术发展在测控领域的延伸,信息时代的技术发展对测控系统提出了数字化、网络化、信息化的要求，如数字地球、数字北京、企业的管理控制一体化等要求测量控制设备向网络提供多方面的数字信息。现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在测控领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。,现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容，提供了如阀门动作次数、故障诊断等信息。为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实现管控一体化控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。,全分布、网络集成式控制系统,,,现场总线系统是企业的底层网络,企业网络的功能层次,五.现场总线技术的发展趋势,1.注重系统的开放性封闭、自成一体的系统定会消亡2.注重应用系统设备间的互操作性早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议CAN是封装在芯片中的通信协议；485只是物理层的电气接口规范，由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范数据信号的传输、数据理解,发展趋势（续）,3.注重控制网络与公用数据网络的结合HSE；Profinet；连接modbus的透明工厂；第3代的Lonworks、FIP等，各种控制网络都在向数据网络挂靠4.注重使测控设备具备网络浏览功能具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息控制设备走向开放的窗口。,5.以太网已直接进入控制网络以太网技术进入控制网络的优势以太网技术进入控制网络要解决的问题E网到底可行，E网打尽不现实我国的EPA标准6.多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用有线、无线通信方式的结合；控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的互连；充分利用现有的网络资源数据集成，综合利用共同构成测量控制系统；发布运行、调度信息,异构控制网络互连,,六现场总线应用系统,现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器楼宇自控、仓储；智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）农、林、水利、养殖等其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景,过程控制中的HSE/H1应用系统,网络集成式控制系统,Profibus与PLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）,,,Profinet,汽车内部网络（SAE-J1939）,多网段的车辆内部网络系统,,,第三代LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）,,LonWorks/Ethernet,交通系统中凌华科技的数据语音混合通信应用系统,现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技术各种工业控制计算机、测量控制板卡的供应商是现场总线技术发展的重要力量以现场总线技术提升产品的串行通信能力，发展具有数据通信能力的控制网络新的产品系列，对推广现场总线技术的应用、对推动测量控制领域的信息化，将起到积极作用。现场总线的技术发展有待业内人士（设备开发供应商、用户）的共同努力,