本质安全、低成本的传感器总线

一目了然 NeSSI 撒开 通信体系结构 物理层规格

在过去的几十年里，分析仪已经发展成为复杂的化学传感器和自动化仪器，这些仪器已经从实验室迁移到现场，集成到实时过程控制系统中。然而，分析系统的前端设计-样品处理和制备-多年来没有明显改善，包括集成接口。

在1999年ISA研讨会上，对分析仪样品处理和制备系统设计的彻底反思被认为是新采样/传感器倡议(nesi)。在华盛顿大学过程分析化学中心(CPAC)的保护下，一个由最终用户、供应商和学者组成的联盟开发了nesi样品系统的愿景和规格，包括:模块化和小型化样品组件;智能传感器;在潜在爆炸性环境中取样点的现场安装能力;并且易于集成到工厂控制系统中。

nesi规范定义了两个允许简化系统集成的接口“rails”。流体导轨通过提供标准接口来连接设备之间的流动路径，从而实现模块化。nesi母线通过在智能采样系统组件、分析仪和过程控制系统之间提供IS电源和数字通信，实现了智能换能器和现场安装功能。

2002年8月，一个1.5英寸。在ANSI/ISA 76.00.02标准中采用了用于流体导轨的nsi组件占地面积-平方，该标准定义了表面安装流体分配组件的特性和物理尺寸。流体导轨控制密封面的尺寸和位置，允许在不修改整个系统的情况下改变一个系统元件，从而简化了设计和维护。

ANSI/ISA 76.00.02的采用导致了所谓的nesi第一代微型和模块化样品系统的出现。例如，模块化平台组件(MPC)由表面贴装层组成，由阀门、过滤器和适配器等组件组成;提供在所述表面贴装组件之间的流动通道的基板层;以及用于两个或多个平行基板之间的流道的流形层。

NeSSI联盟随后将注意力转向了总线轨道，发布了nesi第二代规范。该规范要求将样品系统中使用的传统手动转子计、压力表和计量阀升级为自动化的智能压力、温度和流量传感器，并具有即插即用功能。新的传感器将监控样品处理和制备过程，并由一系列智能阀门控制。

由于许多nesi系统预计将部署在炼油厂和化工厂中常见的潜在爆炸性环境中，该联盟确定了IS传感器总线作为nesi Gen II成为现实的关键技术。不幸的是，IS nesi总线标准的采用还没有像流体轨道标准那样迅速。

总线的难题

从表面上看，选择一个开放标准的IS传感器总线似乎是在各种协议中进行选择，包括:FOUNDATION现场总线、Profibus PA、HART或ControlNet。然而，nesi联盟认为，由于对架构、尺寸和成本的考虑，这些总线并不特别适合将填充nesi第二代系统的智能设备类型。

在架构上，IS总线与nesi设备的设计不匹配。通常，IS总线被设计为在长距离(例如，foundation现场总线1.9公里)上以复杂的消息格式操作一些复杂的设备。然而，nesi II代组件是简单的传感器和执行器，支持基本配置和诊断功能，因此需要不那么复杂的通信(nesi设备与通常位于10米以下的本地控制器通信)。

在尺寸问题上，1.5英寸。平方的ANSI/ISA 76.00.02占地面积严重限制了可以安装在nesi II代设备上的电子设备的数量。除了HART之外，主要的IS总线至少需要:一个相对强大的微控制器，一个协议控制器ASIC(专用集成电路)，一个总线接口和驱动电路。所需电子元件的尺寸和数量使得将IS总线(连同必要的输入/输出(I/O)电路、连接器和其他杂类电子元件)挤进nesi的占地面积非常困难。

最后，与nesi设备相比，IS总线的相对成本很高。IS总线被设计用于大型过程控制阀和变送器中，其中总线技术占设备总成本的一小部分。nesi设备的成本通常比大型过程控制阀或变送器要低得多，这使得使用一种IS总线技术的智能nesi设备的成本远远高于其非联网设备。

不使用过程分析的行业(半导体、消费电子和汽车)使用更简单、更小、更便宜的总线，如USB和CAN(控制器区域网络)。然而，这些选择在本质上并不安全。

考虑到这些选择，决策者面临着nesi总线难题:他们是让其中一辆IS总线更简单、更小、更便宜，还是让其中一辆更简单、更小、更便宜的总线本质上是安全的?

技术解决方案

2003年夏天，由美国国家标准与技术研究所(NIST)主办的nesi研讨会解决了nesi总线难题，确定了CANopen协议作为控制nesi第二代设备的潜在IS总线。当时，IEEE P1451.6项目刚刚组织起来，以协调IEEE 1451系列智能传感器接口标准传感器电子数据表(TEDS)与CAN在自动化(CiA)中管理的CANopen标准设备配置文件(DS 404)。TEDS和DS 404设备配置文件的协调促进了IEEE 1451和CANopen设备之间的互操作性，增加了用户对兼容现场设备的选择。

IEEE P1451.6的主要优点是提供了一种开放的标准方法，传感器和闭环控制器制造商可以通过该方法为具有成本效益的传感器和执行器网络提供标准的即插即用多通道设备。CANopen简化了设备通信，因为它为在CAN总线上开发自动化解决方案提供了灵活方便的方法。

在ISO开放系统互连(OSI)参考模型中，CAN作为物理层(第1层)和数据链路层(第2层)。CANopen(第7层)作为应用层。OSI第3层到第6层在CAN中不使用。除了CANopen之外，在所谓的“设备配置文件”中还描述了预定义的接口，这些配置文件特定于设备类型(例如压力和温度)和行业标准。

CiA成员已经开发了设备配置文件，指定传感器和闭环控制器如何在即插即用网络的应用层上连接。一种配置文件，CiA DS 404 V1.2 (CANopen设备配置文件测量设备和闭环控制器)，已经在应用中进行了10多年的测试和验证。CANopen设备配置文件如DS 404 V1.2描述了用于测量或闭环控制不同物理量的单元。它们使用功能块描述——包括数字输入、模拟输入、数字输出、模拟输出、控制器、报警和设备——可以组合起来创建真正的设备。一旦配置，设备就可以运行测量或控制任务，而无需与主机系统进行进一步的实时通信。控制回路在控制装置中实现。

CiA将DS 404 V1.2的授权授权给IEEE，以便在P1451.6规范中使用，并添加了IS定义以满足新的要求。一旦现有的传感器和闭环控制器满足额外的IS要求，它们将很容易在NeSSI Gen II设备中实施。

作为一种选择，IEEE P1451.6解决了nesi网络的IS要求。首先，它仔细检查了低功耗通信和控制电路的物理要求。其次，采用了美国德州仪器公司的新型低功耗3.3 v BiCMOS(双极互补金属氧化物半导体)技术，为IS nesi总线提供了技术可行性。

BiCMOS技术使用低功耗CAN电子器件，使其非常适合IS应用。CMOS是一种电压模式技术，需要非常小的静态电流来维持稳态工作点。(SN65HVD233 CAN收发器只需要3.3 v的电源电压，CMOS晶体管允许低压，大电流输出。)对于其他双极技术来说，这可能不是情况，其中晶体管是电流模式器件，需要稳态输入电流来维持工作点。

在nesi系统中，联网设备聚集在一个较小的区域内，通常小于1 × 1米，通常距离安全区域小于10米。nesi联盟意识到，这种短的物理网络长度意味着总线电压可以大大降低，而标准的24v直流电需要驱动信号达到一英里或更远的距离。nesi总线的短距离允许更易于管理的10v直流总线电压，在保持内在安全可行性的同时，允许功率预算增加五倍。IEEE P1451.6物理层如图所示。

典型的IEEE P1451.6 IS应用程序在一个系统上有20个节点。当19个节点用ACK位响应来自第20个节点的消息时，该系统的最坏情况电流消耗发生。如IP9页上的照片所示，仅需要128 mA就可以为所有20个设备供电，并提供19个同时的主导位。这大约是使用5v CAN收发器完成相同任务所需功率的三分之一。当收发器空闲时，它消耗极低的静态电流，使大部分功率预算可用于诊断和操作。

采用CMOS的双极晶体管还提供低传播延迟和稳定的工作点，用于共模电压控制和噪声抑制。CAN收发器中的共模噪声抑制对于无差错数据传输和减少可能导致严重故障的未检测错误的实例至关重要。此外，与单线通信技术相比，CMOS差分电路对环境的辐射噪声要小得多。

接下来是什么?

nesi联盟已经在其第二代规范中做出了规定，允许采用和推荐新兴标准，如IEEE P1451.6来实施IS样品处理和准备(参见“IEEE P1451.6产品和市场路线图”图表)。

除了化工和石化市场，在CANopen通信已经部署的领域，本质安全系统也存在其他机会。一个例子是机器人在汽车制造业中的应用。为了解决这个问题和其他市场，IEEE P1451.6标准可以扩展，以利用CANopen“应用配置文件”作为专为目标行业设计的即插即用标准。

IEEE P1451.6物理层规范

参数	价值	单位
来源:控制工程，信息来自世伟洛克、德州仪器、CAN in Automation和IXXAT。
总线长度	10	米
电压(Uo)	9.5	V直流
电流(Io)	1000年	妈
电容(有限公司)	500	nF
电感(Lo)	8
节点	127	地址
连接器- M12	5	电路
速度	125	Kbps
CAN隐式位	8	妈
CAN主控位	25	妈

IEEE P1451.6产品、市场路线图

来源:控制工程，信息来自世伟洛克、德州仪器、CAN in Automation和IXXAT。
在开发中	•采用IEEE P1451.6 TEDS和IS硬件的IEEE P1451.6原型。
	•首次主动安装IEEE P1451.6接口，根据修订后的nesi总线规范在多通道传感器上运行。
计划	•制定合格换能器的测试程序。
	•开发具有IEEE P1451.6接口的标准从机产品，如I/O模块，阀门执行器，泵和电机。
	•开发管理节点，如nesi总线传感器执行器管理器(SAM)， plc, DSC和其他主控制器。
未来	•开发特定的“应用概要”(例如，药品加工)，其中特定的应用知识是标准通信协议的一部分。

作者信息

Rick Ales是世伟洛克公司的产品经理;Steve Corrigan是德州仪器公司的系统工程师;Cyrilla Menon是CAN自动化北美区总经理;Bill Seitz是IXXAT的总裁。

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