西门子模块6ES7214-1AF40-0XB0
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（ICE 62026），导致目前现场总线共有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）bbbbats）。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）Inbbbbation 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**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）bbbbats），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）bbbbats 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）bbbbats）。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）bbbbats）。该提议标准于2001年6月新推出的，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。
武钢第二热轧厂采用新的工艺、新的设备提高带钢板材的质量,横切线为2250mm宽板线,属国内首条线,有2台矫直机组成,矫直机不仅能矫直板材,而且还能消除板材的内应力,提高板材的质量,每台矫直机采用了当今世界**的四个主液压缸的主压下装置.其中每一个缸的矫直力达14000KN,位置控制精度要求达到<0.05mm,随着计算机控制技术的发展,为实现其控制功能提供了一个有力的保证.主压下装置的位置AGC是矫直机的一个重要的控制环节,它由FM458进行位置信号、力的信号采集、计算,得出相应的AGC 输出值,输出到位置控制回路参加位置控制.
主液压缸位置闭环的控制,是PLC通过接受来自SMS模型机的位置同步设定值与校准值进行比较,然后与来自SMS模型机的倾斜值,旋转值, AGC运算输出值,经过计算得出位置实际设定值作为设定值,同时采集位置当前值作为位置反馈值,与设定值相减,其差值经过比例运算器运算产生一输出值,控制伺服阀驱动液压缸接近设定位置值, 当设定值与实际值的差值很小时,起动差值积分回路,对伺服阀进行补偿.
关键词：
二热轧 横切线 控制原理 控制流程
一、概述
随着各行各业的发展,人们对热轧带钢的质量要求越来越高,这种要求促使了人们用新的手段对带钢的加工工艺进行有效的控制,世界上一些**的工业化国家,均采用新的工艺、新的设备提高带钢板材的质量．
武钢第二热轧厂横切线为2250mm宽横切线,它在国内属首条线,由德国SMS-DEMAG公司设计的,此线有2台矫直机组成,矫直机不仅能矫直板材,而且还能消除板材的内应力,提高板材的质量,1号矫直机为带钢矫直机,它负责将开卷机开出的带钢进行矫直.2号矫直机为钢板矫直机,它负责将飞剪机剪成的钢板进行矫直,2台矫直机为一相对独立的系统,每台矫直机采用了当今世界**的四个主液压缸的主压下装置、顶部液压缸楔铁位置控制装置、底辊液压缸楔铁位置控制装置等多项**的技术设备.其中每一个缸的矫直力达14000KN,位置控制精度要求达到<0.05mm,随着计算机控制技术的发展,为实现其控制功能提供了一个有力的保证.
二、横切线生产工艺图
三、控制系统的基本组成
矫直机控制系统由1台SIEMENS S7-400 PLC,2台FM458应用功能处理器,2台EXM438 I/O模板,2台PROFBUS网络处理模板,1台Ethernet处理模板,电源模板,1８槽底板,及远程I/O站ET200等设备组成.
３.1机箱
机箱是SIEMENS PLC的硬件基础,用于插装各种模板,本系统采用的是SIEMENS S7-400的18槽中央机箱,机箱提供内部通讯总线,以实现模板之间的内部通讯及CPU-416与FM-458之间的通讯.
３.2 CPU控制器
矫直机控制系统由SIEMENS S7-400 PLC组成,由1块CPU-416模块,完成对2台矫直机的逻辑控制、顶部楔铁位置、底部楔铁位置、网络通讯、与FM458的通讯及I/O的控制功能,开发软件为STEP7,它们运行在bbbbbbs NT环境下,另外远程I/O采用ET200站,位置传感器均通过PROFBUS网连接,然后通过光缆连接到主机。
３.3应用功能处理器
使用2块FM-458应用功能处理器及I/O模板,分别对1、2号矫直机的主压下装置的位置AGC进行控制,它们运行在bbbbbbs NT环境下.FM458应用功能处理器必须放置在带有SIMATIC P-BUS,K-BUS总线的S7-400底板上.FM458能进行128MHz 64bit的浮点数运算,有0.1ms的快速循环周期等.其I/O连接通过EXM438 I/O模板进行,EXM438模板提供数字和模拟I/O及增量和值编码器通道.
３.4 PROFBUS网通讯模板
负责PROFBUS网络的通讯工作,该系统中分布式I/O ET200站,位置传感器等均连接在PROFBUS网上。
四、控制功能
４.1.主压下装置的位置AGC控制
主压下装置的位置AGC是矫直机的一个重要的控制环节,它由FM458通过CFC编程的,进行位置信号、力的信号采集、计算,得出相应的AGC 输出值,输出到位置控制回路参加位置控制,主要控制方法是PLC采集入口,出口侧的力分别相加得出总力,相减得出差值。
1)总力乘上AGC系数,减去校准的弹跳系数作为积分的设定值, 设定值再与积分反馈值相减得出积分输入量,输入到积分器,积分器输出后与同步比例放大倍数Kp相乘,经限幅处理后输出到位置控制环节,与位置控制给定值进行相加.参与位置控制.
2)相减得差值乘上AGC的系数后再乘上倾斜系数作为积分的设定值,设定值再与积分反馈值相减得出积分输入量, 输入到积分器,积分器输出后与同步比例放大倍数Kp相乘,经上,下限幅处理后输出到位置倾斜控制环节, 与位置控制给定值进行相加.参与位置控制.
４.２主压下装置的位置闭环控制
每台矫直机有四个主液压缸,它们与矫直机的上辊架直接相连接,主压下液压缸直接负责矫直工作,它的位置精度好坏直接影响矫直质量. 它由FM458编程控制,具体控制框图如下图所示:
主液压缸位置闭环的控制,是PLC通过接受来自SMS模型机的位置同步设定值与校准值进行比较,然后与来自SMS模型机的倾斜值,旋转值, AGC运算输出值,经过计算得出位置实际设定值作为设定值,同时采集位置当前值作为位置反馈值,与设定值相减,其差值经过比例运算器运算产生一输出值,控制伺服阀驱动液压缸接近设定位置值, 当设定值与实际值的差值很小时,起动差值积分回路,对伺服阀进行补偿.
主液压缸校准环节的控制,力的闭环只是用于校准环节,在校准环节中,首先,矫直机的上辊架在开起大位,当校准命令起动后, 矫直机的上辊架按位置控制方式向下压,当上辊架与校准垫板全面接触,且四个主液压钢接触压力均达到时,PLC产生一命令将当前主液压缸的位置闭环方式切换到力的闭环方式下进行控制,按F1.1力的设定值进行控制.当四个缸的力均到达F1.1后,PLC再产生一命令切换到力的设定值F1.2,按F1.2进行控制, 当四个缸的力均到达F1.2后.PLC产生一命令读当前值作为校准值,之后将上辊架抬升到大位,校准工作完成.
四. 工艺流程
矫直机自动控制工艺流程,如流程图所示