【正文】 .............................. 24 串行通信接口的基本任務(wù) ......................................................................... 24 RS—485 簡介和串行通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn) ...................................................... 24 通信模塊設(shè)計(jì) .................................................................................................... 29 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) ................................................................................................ 29 軟件抗 干擾的設(shè)計(jì) ............................................................................................ 30 本章小結(jié) ............................................................................................................ 31 結(jié)論 ............................................................................................................................... 32 致謝 ............................................................................................................................... 33 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................... 34 附錄 A ........................................................................................................................... 35 附錄 B ........................................................................................................................... 40 附錄 C ........................................................................................................................... 44 附錄 D ........................................................................................................................... 45 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 自動(dòng)化儀表主要由檢測儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和廣 泛應(yīng)用，近 10 年來在控制系統(tǒng)方面有了很大進(jìn)展。控制系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了高度復(fù)雜的分散型過程控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)價(jià)格的大幅度下降， PC 機(jī)和各種單片機(jī)在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用日益廣泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測量儀表往往用單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機(jī)對整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的顯示、存儲(chǔ)和匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來越迅速。這樣就使常規(guī)的模擬儀表日薄西山。 DCS、工業(yè)控制計(jì)算機(jī) (IPC)、 PLC、可編程單回路調(diào) 節(jié)器等基本上主宰了這一領(lǐng)域。過程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢： 傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中的回路級(jí)或裝置級(jí)的控制功能將下放到現(xiàn)場，使系統(tǒng)成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。 開放系統(tǒng)要求互連性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來了曙光。 DI 公司 (Control System International Inc)推出一種 UCOS(用戶可配置開放系統(tǒng) )DCS，它采用冗余的以太網(wǎng)或光纖局域網(wǎng)將控制臺(tái)、各工作站計(jì)算 機(jī)及各現(xiàn)場控制單元 (FCU)連接起來，它采用可來自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用 Windows NT，非專利的現(xiàn)場控制單元可提供多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問能力，與其連接的 I/O 子系統(tǒng)亦可來自多方廠商。毫無疑問，這種系統(tǒng)將成為真正的開放系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用。目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種研究“熱”無疑將會(huì)使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。 用 多媒體技術(shù)無疑可以引入過程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從 DCS 的計(jì)算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)場的真實(shí)畫面，聽到來自現(xiàn)場的聲音，以此來監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。由于智能儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，過程控制的主流系統(tǒng) DCS 的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能向現(xiàn)場轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置 (集成 )的開放系統(tǒng)過渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難于滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能 單 片微處理器 、 A/D 與 D/A 變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對于量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機(jī)多用 ，以同一檢測模板用于不同物理量的檢測場合，并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關(guān)注。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。 智能變送器的現(xiàn)狀 變送器是工業(yè)過程重要 的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過程工藝的復(fù)雜化。對自動(dòng)化的依賴性越來越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。目前普通使用的變送器是以 70 年代統(tǒng)一的 4～ 20mADC 模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳送信號(hào)的二線制變送器 (國內(nèi)還有少量四線制 0～ 10mA DC 信號(hào)變送器 )。它們在傳送信號(hào)時(shí)，模擬信號(hào)不能簡單迭加，信道為一對一，即一 (或二 )對導(dǎo)線上只能傳輸一個(gè)變送器輸出信號(hào)，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體內(nèi)直接使用微處理器芯片，對被測物理量進(jìn)行數(shù)字化處理，并增加數(shù)字通信 接口，可直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個(gè)變送器可共用一條通信總線并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場信號(hào)引線 [15]。微處理器直接對被測信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使變送器的測量精度和量程比大為提高，并具有診斷報(bào)警功能，還可克服溫漂和各種零漂影響，有的還具有直接 PID 輸出等高級(jí)處理功能。通過數(shù)字雙向通信，可在控制室中對變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、標(biāo)定和組態(tài)，因此智能變送器的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通變送器，近 10 年來在國外已獲得日益廣泛的應(yīng)用。 1983 年，美國 Honeywell 公司將第一個(gè)稱為 Smart 變送器的 STJ— 3000D壓力變送器推入了美國國內(nèi)市場，使智能變送器進(jìn)入了商品化。隨后美國的Rosemount， Foxboro 等一些公司在 1986 年美國儀表學(xué)會(huì) (1SA)的會(huì)議上爭相推出了一些稱為 Smart 變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適合各種新應(yīng)用的能力，克服了以往模擬變送器準(zhǔn)確度不夠高、漂移過大、量程有限、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一些不足。由于這類變送器內(nèi)部有微處理機(jī)，采用了數(shù)字集成化測量方式，不僅能輸出 4～ 20mA 的模擬信號(hào)，而且還能輸出數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場和控制室之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信。這一 典型的數(shù)字通信功能縮小了測量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如總的測量回路可以不用 A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器。由于智能變送器采用先進(jìn)傳感技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字通訊技術(shù)，加上采用超大規(guī)模離子注入技術(shù)及超 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 精細(xì)加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是一般變送器無法比擬的： 4～ 20mADC 或數(shù)字信號(hào)輸出功能。 ,一般智能變送器精度為士 ％，如工作在數(shù)字方式下則更高。另外由于智能變送器有環(huán)境溫度 及靜壓補(bǔ)償，不受日夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復(fù)性。 ,智能變送器的遷移量可達(dá) 2020％ ~+1900％，而普通型壓力變送器為 600％ ~+500％ 。 40： 1 以上，而普通型變送器一般為 l0： 1。寬量程比可使變送器本身的實(shí)用性，通用性得以提高，給用戶及設(shè)計(jì)者帶來方便，減少備用表數(shù)量及種類。 完善的自診斷功能 ,通過通信器可查出變送器自身診斷的故障結(jié)果信息。 DCS 或通信器可遠(yuǎn)距離對變送器編程、組態(tài)、檢查和校驗(yàn) ,傳統(tǒng)的變送器在調(diào)校時(shí)，應(yīng)從現(xiàn)場拆除 進(jìn)行離線校驗(yàn)，既影響生產(chǎn)又很繁瑣，而且有些變送器是安裝在高溫、高壓、危險(xiǎn)爆炸場所或者人們很難達(dá)到的地點(diǎn)，采用智能變送器避免了以上繁瑣危險(xiǎn)的工作 [7]。 變送器的發(fā)展是與傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展分不開的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。 另外智能變送器組態(tài)的內(nèi)容包括遠(yuǎn)程設(shè)定變送器標(biāo)號(hào)，線性輸出或是方根輸出，測量范圍，阻尼時(shí)間常數(shù)等。變更測量范圍時(shí)，不需要把變送器從過程線管線上拆下來，也不需要對變送器送入差壓信號(hào)或壓力信號(hào)，只需要通過SFC 鍵盤的簡單操作就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、變更和校準(zhǔn)，就像我們用遙控器對電視機(jī) 或錄像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱一樣。這種變更和校準(zhǔn)不需要電流電壓表參與，而且零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整互不干擾。這樣一來就大大減少了工廠檢修停工期和縮短維修時(shí)間。智能變送器的自診斷功能也給使用和維修帶來不少實(shí)惠，比如JTD 200 型變送器，自診斷的內(nèi)容包括組態(tài)檢查、通訊檢查、變送器工作檢查、過程異常檢查等。診斷顯示共有 27 種型式，通過這些顯示，立即可以識(shí)別問題所在區(qū)段。智能通訊器和現(xiàn)場變送器通訊的方式各家公司是不一樣的，有的是無線的，有的是將通訊信號(hào)子以調(diào)制，通過 4～ 20mA 的直流信號(hào)線進(jìn)行傳送。智能變送器是微處理機(jī)技術(shù)和 通訊技術(shù)進(jìn)入變送儀表的必然產(chǎn)物，它使儀表變得更靈巧。微機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)將會(huì)進(jìn)入越來越多的儀表。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此它最適用于測量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測量精度高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應(yīng)用場合。具體應(yīng)用場合敘述如下： 根據(jù) ISA SP— 50 委員會(huì)定義的現(xiàn)場總線概念，智能變送器將在現(xiàn)場總線中扮演主要角色，具有 PID 調(diào)節(jié)功能的變送器可以進(jìn)一步將集中控制的危險(xiǎn)性分散到最小，同時(shí)采用數(shù)字通訊，節(jié)省了大量的模擬通訊電線。目前智能變送器的價(jià)格已經(jīng)接近普通變送器的水平 。而對使用者來說，可以在控制室內(nèi)對現(xiàn)場 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 變送器進(jìn)行調(diào)整，更改量程，組態(tài)等操作，相當(dāng)方便。 對于現(xiàn)場總線尚未普及的情況，智能變送器可用于高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場合，可減少維護(hù)人員的工作量及死亡的可能性。 對于一些環(huán)境溫度及過程靜壓變化較大而要求測量精度高的場合，利用智能變送器具有溫度及靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ?，可明顯提高變送器的測量準(zhǔn)確性，如儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)灌區(qū)液位的測量點(diǎn)以及冬季與夏季、晝夜之間溫差較大，很容易使普通變送器誤差增加一倍，而智能變送器卻能夠克服 這一缺點(diǎn)，提高測量精度。 近年來，受市場經(jīng)濟(jì)的影響，煉油廠加工的原油性質(zhì)及處理量有較大的波動(dòng)，導(dǎo)致部分流量的測量回路經(jīng)常出現(xiàn)超量程或低量程運(yùn)行，而采用的 FC 系列變送器，量程比太?。?10： 1），改量程時(shí)變送器需換型，給生產(chǎn)維護(hù)帶來了不便，也增加了各種量程的變送器的備用數(shù)量，增加了企業(yè)固定資金的投入。智能變送器具有 40： 1 的量程比，很容易克服上述困難。由于其更高的性能價(jià)格比，智能變送器不僅在二十一世紀(jì)的數(shù)字化時(shí)代，而且在現(xiàn)場總線時(shí)期也是大有可為的，必定有美好的應(yīng)用前景 [1]。 現(xiàn)場信 號(hào)通信的發(fā)展概況