网络化智能传感技术发展浅析

摘要：网络化智能传感技术是智能传感技术和计算机网络技术结合的产物。本文介绍了基于现场总线和IEEE P1451标准族的智能传感技术的发展现状，提出基于IEEE P1451智能变送器接口标准族的智能传感技术是未来网络化智能传感技术的发展方向。　　关键词：网络化传感器；智能传感器；现场总线；IEEE P1451 　　1、引言　　传感器技术、通信技术与计算机技术构成现代信息的三大基础，它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理，是当代科学技术发展的一个重要标志。随着科学技术的发展，数字化、智能化和网络化已成为时代发展趋势：计算机技术和通信技术结合进而产生了计算机网络技术；计算机技术和传感器技术结合产生了智能传感器技术；将三者融为一体（计算机网络技术与智能传感技术结合）便产生了网络化智能传感技术。网络化智能传感技术已成为人们关注的热点[1],本文仅就网络化智能传感技术的发展现状与发展趋势作简要论述。　　2、网络化智能传感技术　　网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的采集、处理和传输真正统一协调的新型智能传感器，原理框图如图1所示。 　　网络化智能传感器与其它类型传感器相比，具有如下特点：　　⑴具有智能传感功能。随着嵌入式技术、集成电路技术和微控制器的引入，使传感器成为硬件和软件的结合体，一方面传感器的功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高，另一方面传感器具有了自识别和自校正功能，同时利用软件技术实现传感器的非线性补偿、零点漂移和温度补偿等；　　⑵ 具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器方便地接入工业控制网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便。　　3、基于现场总线的智能传感技术 　　现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术，按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场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”。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统工业总线”。　　现场总线技术是在仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的。现场总线是连结智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放式和双向的通信网络。随着各种智能传感器、变送器和执行器的出现，一种新的工业控制系统体系?D数字化到现场、控制功能到现场、设备管理到现场的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）必将取代传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System）。基于现场总线的智能传感器如图2所示。　　3.1现场总线的本质含义　　现场总线不仅是一种通信协议，也不仅是用数字信号传输的仪表代替模拟信号（4～20mA DC）传输的仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS代替传统的集散控制系统DCS，实现现场通信网络与控制系统的集成。其本质含义体现在以下六个方面[2]：　　⑴ 全数字化通信　　和半数字化的DCS不同，现场总线系统是一个纯数字系统。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统的性能。　　⑵ 现场设备互连　　现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆和光纤等。　　⑶ 互操作性　　互操作性的含义来自不同制造厂的现场设备，不仅可以互相通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。　　⑷ 分散功能块　　FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，实现了彻底的分散控制。　　⑸ 通信线供电　　现场总线的常用传输介质是双绞线，通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量。　　⑹ 开放式互连网络　　现场总线为开放式互连网络，既可与同类网络互连，也可与不同网络互连，还可以实现网络数据库共享。　　3.2 现场总线存在的不足　　现场总线技术自20世纪80年代产生以来，一直受到人们的极大关注，被誉为自控领域的一次革命。进入90年代以来，现场总线控制系统一度成为人们的研究热点，各种各样的现场总线产品不断涌现。随着现场总线控制系统在生产现场的实际应用，基于现场总线的智能传感技术也面临着诸多问题。　　一方面，现场总线国际标准的制定因技术、商业利益等原因造成多标准共存。IEC 61158规定了FF、Profibus等8种现场总线标准，加上IEC TC17已通过的3种现场总线国际标准（ICE 62026），导致目前现场总线国际标准共有12种之多。由于各个标准采用的通信协议完全不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题，影响了总线式智能传感器的应用。　　另一方面，现场总线还存在着瓶颈问题。表现在：现场总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果；系统组台参数过于复杂，且其设定的好坏对系统性能影响很大；生产运行需大量人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。　　4、基于IEEE P1451接口标准族的智能传感技术　　IEEE P1451标准族是基于目前现场总线标准不一，各种现场总线标准都有自己规定的通信协议，互不兼容，从而给智能传感技术的应用、扩展和维护等带来不利影响的基础上提出来的。目的是通过定义一整套通用的通信接口，大大简化由传感器/执行器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，并能够最终实现各个厂家的产品相互之间的互换性与互操作性。　　4.1 IEEE P1451智能变送器接口标准族简介　　IEEE P1451提议标准族定义了变送器（传感器或执行器）的软硬件接口。该组所有标准都支持电子数据表（TEDS）概念，这为变送器提供了自识别（self-identification）和即插即用(plug-and-play)功能。以下是IEEE P1451家族系列标准的简要介绍。　　⑴　IEEE P1451.0[3]　　IEEE P1451.0提议标准，即通用的功能、通信协议和变送器电子数据表格式（Common Functions，Communication Protocols，and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE P1451提议标准族由几个标准组成，尽管它们之间有共同的特征，但是却不存在通用的功能、通信协议和电子数据表格式的设置，这影响了这些标准之间的互操作性，阻碍了这些标准在用户群中的广泛使用。IEEE P1451.0提议标准就是为解决这一问题提出来的，通过定义一个包含基本命令设置和通信协议的独立于NCAP到变送器模块接口的物理层，为不同的物理接口提供通用、简单的标准，以达到加强这些标准之间的互操作性。　　⑵ IEEE Std 1451.1[4] 　　IEEE Std 1451.1标准，即智能变送器网络应用处理器信息模型（Network Capable Application Processor（NCAP）Information Model for smart transducer），1999年7月通过了IEEE认可。该标准采用面向对象的方法精确地定义了通用的智能传感器信息模型，涵盖了网络化变送器的各种应用，通过一个标准的应用编程接口（API）来实现从模型到网络协议的映射，采用一系列功能模块比如I／O驱动硬件抽象等来支持各种各样的变送器，如图3所示。　　⑶ IEEE Std 1451.2[5] 　　IEEE Std 1451.2标准，即变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格式（Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats），1997年9月通过了IEEE认可。该标准具体定义了电子数据表格式TEDS和一个10线数字接口TII（Transducer Independent Interface）以及变送器与微处理器间通信协议（如图4所示），使智能传感器／执行器模块具有了即插即用能力，测控网络也可以通过访问TEDS来监测和配置传感器／执行器通道。　　⑷ IEEE Std 1451.3 　　IEEE Std 1451.3标准，即分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式（Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats for Distributed Multidrop System），2003年10月通过了IEEE认可。该标准利用展布频谱技术（spread spectrum technique），在一根信号电缆上实现数据同步采集、通信和对连接在变送器总线上的电子设备供电。IEEE 1451.3分布式多点变送器接口如图5所示。　　⑸ IEEE P1451.4 　　IEEE P1451.4提议标准，即混合模式通信协议和变送器电子数据表格式（Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。IEEE 1451.1、IEEE 1451.2和IEEE 1451.3标准主要针对可数字方式读的具有网络处理能力的传感器和执行器。IEEE P1451.4标准主要致力于基于已存在的模拟量变送器连接方法提出一个混合模式智能变送器通信协议：混合模式接口一方面支持数字接口对TEDS的读写，另一方面也支持模拟接口对现场仪器的测量；同时使用紧凑的TEDS对模拟传感器的简单、低成本的连接。基于IEEE P1451.4混合模式智能变送器接口如图6所示。　　⑹ IEEE P1451.5 　　IEEE P1451.5提议标准，即无线通信与变送器电子数据表格式（Wireless Communication and Transducer Electronic Data Sheet（TEDS）Formats）。该提议标准于2001年6月最新推出的，旨在现有的IEEE P1451框架下，构筑一个开放的标准无线传感器接口，以适应工业自动化等不同应用领域的需求。　　4.2 IEEE P1451智能变送器接口标准族体系结构　　IEEE P1451标准可以分为面向软件的接口与面向硬件的接口两大部分。软件接口部分借助面向对象模型来描述网络化智能变送器的行为，定义了一套使智能变送器顺利接入不同测控网络的软件接口规范；同时通过定义一个通用的功能、通信协议和电子数据表格式，以达到加强IEEE P1451族系列标准之间的互操作性。软件接口部分主要由IEEE 1451.1和IEEE P1451.0组成。硬件接口部分是由IEEE 1451.2、IEEE 1451.3、IEEE P1451.4和IEEE P1451.5组成，主要是针对智能传感器的具体应用而提出来的。图7描述了IEEE P1451标准族的整体框架和各成员间的关系。 　　需要指出的是，145l.X虽然是互相协同工作的，但它们也可以彼此独立发挥作用。1451.1可以不需要任何1451.X硬件接口而使用，1451.X硬件接口也可以不需要1451.X软件接口，但其软件必须要提供相应的功能如传感器数据或信息的网络传输。　　5、结论　　网络化智能传感技术研究方兴未艾，建立、开发适用于工业控制系统的智能传感器接口将成为今后一段时间内国际标准化组织的主要任务。毫无疑问，随着IEEE P1451智能变送器接口标准族体系的建立与完善，基于IEEE P1451标准族所定义的网络化智能传感技术代表了未来测控系统的发展方向，必将会得到越来越广泛的应用。