生產(chǎn)控制系統中現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用

隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)逐漸被廣泛運用到工業(yè)控制系統中，在紡織工業(yè)中也開(kāi)始得到應用。本文介紹了現場(chǎng)總線(xiàn)的基本原理，對現行的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行了比較，在分析總結數字化紡織生產(chǎn)控制系統發(fā)展新特點(diǎn)的基礎上，介紹了現在國內外紡織行業(yè)在應用現場(chǎng)總線(xiàn)方面的情況。

1 引言

隨著(zhù)我國紡織工業(yè)持續快速的發(fā)展，現代紡織技術(shù)將以電子信息技術(shù)為主導，以智能化生 產(chǎn)為主要特征[1]。目前，國產(chǎn)紡織機械設備控制系統的開(kāi)發(fā)多側重于實(shí)現單臺設備的紡織工藝性能自動(dòng)化，將機器所具有的先進(jìn)功能封閉在單機系統內，而忽略 了系統的網(wǎng)絡(luò )化構成，其結果勢必使機器的結構(特別是其控制系統)愈來(lái)愈復雜，使機器成為紡織企業(yè)自動(dòng)化體系中的“孤島”。進(jìn)入90 年代以來(lái)，現場(chǎng)總線(xiàn)技 術(shù)以及基于該技術(shù)的控制系統在國內外引起人們高度重視，成為世界范圍內的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，它綜合運用了微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制 技術(shù)，將微處理器置入現場(chǎng)自控設備，使設備具有數字計算和數字通信的能力，不但提高了信號測量、控制和傳輸的精度，也為實(shí)現其遠程傳輸創(chuàng )造了條件。

在紡織工業(yè)由傳統工業(yè)向現代工業(yè)轉變的過(guò)程中，基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制技術(shù)為紡織工業(yè)控制系統向分散化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的發(fā)展提供了機遇。本文通過(guò)對現場(chǎng)總線(xiàn)基本原理的介紹，比較了當今比較常用的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)及應用場(chǎng)合，搭建了基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)的數字化紡織生產(chǎn)系統的框架模型。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)的基本原理

現場(chǎng)總線(xiàn)是當今3C(Computer、Communication、Control)技術(shù)發(fā)展的結合點(diǎn)，也是過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的交匯點(diǎn)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的集中體現，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)延伸到現場(chǎng)的必然結果。

根據國際電工委員會(huì )(IEC，International Electrotechnical Commission)標準和現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )(FF，Fieldbus Foundation)的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )[2]?，F場(chǎng)總線(xiàn)技 術(shù)將專(zhuān)用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其都具有數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。通過(guò)普通雙絞線(xiàn)把多個(gè) 測量控制儀表、計算機等作為節點(diǎn)連接成的網(wǎng)絡(luò )系統;使用公開(kāi)、規范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現場(chǎng)的多個(gè)微機化測控設備之間、以及現場(chǎng)儀表與用作監控、管 理的遠程計算機之間，實(shí)現數據傳輸與信息共享，形成各種適應實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統。

現場(chǎng)總線(xiàn)主要是面向過(guò)程控制，除傳輸數字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，網(wǎng)絡(luò )交換的數據單元是幀(Frame)。與集散控制系統(Distributed Control System，DCS) 相比，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(Fieldbus Control System，FCS)具有可靠性高以及更好的安全性、互換性和互操作性、開(kāi)放性、分散性等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，現場(chǎng)總線(xiàn)是將自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表設備互連的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò )，它遵循ISO/OSI開(kāi)放系統互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。

3 常見(jiàn)的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

上世紀80 年代以來(lái)，國際上的知名大公司先后推出了幾種工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)通訊協(xié)議，目前流行的主要有FF(Fieldbus Foundation 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn))、 Profibus(Process Fieldbus)、CAN(Controller Area Network 控制器局域網(wǎng))、LonWorks (Local Operation Network 局部操作網(wǎng))、WorldFIP(Factory Instrumentation Protocol 世界工廠(chǎng)儀表協(xié)議)等。其主要技術(shù)差異及適用場(chǎng)合如下：

3.1 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)以ISO/OSI 開(kāi)放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF 通訊模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶(hù)層。FF 分低速H1 和高速H2 兩種通訊速率。H1 的傳輸速率為1.25kbit/s，通訊距離可達1900m(可加中繼器延長(cháng))，可支持總線(xiàn)供電，支持本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2 的傳輸速率為1M 和2.5kbit/s 兩種，其通訊距離分別為750m 和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)發(fā)射，協(xié)議符合IEC11582 標準，物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。主要應用在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，如：化工、電力、油田和廢水處理等。

3.2 Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)

Profibus 系列由Profibus-DP、Profibus-FMS 和Profibus-PA 等3 個(gè)兼容部分組成。Profibus采用了OSI 模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集。Profibus的傳輸速率為9.6kbit/s～12Mbit/s，最大傳輸距離在 12Mbit/s 時(shí)為100m，1.5Mbit/s 時(shí)為400m，可用中繼器延長(cháng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)和光纜。主要應用領(lǐng)域有：DP 型適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應用，如制藥、水泥、食品、電力、發(fā)電、輸配電;FMS 適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化制造業(yè)自動(dòng)化;PA 型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型。

3.3 CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)

CAN 的網(wǎng)絡(luò )設計采用了符合ISO/OSI 網(wǎng)絡(luò )標準模型的三層結構模型：即物理層、數據鏈路層和應用層，網(wǎng)絡(luò )的物理層和鏈路層的功能由CAN 接口器件完成，而應用層的功能由處理器來(lái)完成。通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性;采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，抗干擾;節點(diǎn)分不同優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同 的實(shí)時(shí)性要求。其傳輸介質(zhì)可以用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖等，通訊速率最高可達1Mbit/s(40m)，直接傳輸距離最遠可達10km(5kbit /s)。主要應用領(lǐng)域有：汽車(chē)制造、機器人、液壓系統、分散性I/O、工具機床、醫療器械。

3.4 Lonworks 現場(chǎng)總線(xiàn)

LonWorks 采用了與OSI 參考模型相似的7 層協(xié)議結構，LonWorks 技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron 芯片。Neuron 芯片實(shí)現完整的LonWorks 的LonTalk 通信協(xié)議，節點(diǎn)間可以對等通信。LonWorks 通信速率為78K bit/s～1.25M bit/s，支持多種物理介質(zhì)，有雙絞線(xiàn)、光纖、同軸電纜、電力線(xiàn)載波及無(wú)線(xiàn)通信等;并支持多種拓撲結構，組網(wǎng)靈活。主要應用領(lǐng)域有：工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數據采集、SCADA系統等，在組建分布式監控網(wǎng)絡(luò )方面有優(yōu)越的性能。

3.5 WorldFIP 現場(chǎng)總線(xiàn)

WorldFIP 現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構分為過(guò)程級、控制級和監控級等3級，其協(xié)議由物理層、數據鏈路層和應用層組成。其通信速率有31.25K bit/s、1M bit/s、2.5M bit/s、25M bit/s。傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線(xiàn)和光纖。它能滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需要，適合于集中型、分散型和主站/從站型等多種類(lèi)型的應用結構。用單一的 WorldFIP 總線(xiàn)可滿(mǎn)足過(guò)程控制、工廠(chǎng)制造加工和各種驅動(dòng)系統的需要。主要應用領(lǐng)域有：電力工業(yè)、鐵路、交通、工業(yè)控制、樓宇。

4 基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的紡織生產(chǎn)控制系統

紡織工業(yè)的信息化建設是未來(lái)幾年紡織工廠(chǎng)的追求和建設重點(diǎn)，而數字化的紡織生產(chǎn)體系正是其不可或缺的基礎。它將全面提升紡織工廠(chǎng)的管理水平，對工廠(chǎng)的技術(shù)、質(zhì)量、經(jīng)濟和服務(wù)推動(dòng)的進(jìn)步都將產(chǎn)生直接的明顯的推進(jìn)作用。

數字化的紡織機械采用現代先進(jìn)的控制技術(shù)：以CPU為核心的控制器，以電力電子技術(shù)為基礎的新型驅動(dòng)技術(shù)，以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為代表的網(wǎng)絡(luò )及高速數據通訊技術(shù)。實(shí)現數據的實(shí)時(shí)準確采集和高速傳輸，實(shí)現分布式、現場(chǎng)化和抗干擾性能的提高，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，完成紡織機械與現代先進(jìn)控制技術(shù)的結合，為紡織企業(yè)的信息化從設備層打下堅實(shí)的基礎。

按照網(wǎng)絡(luò )的連接結構，一般將企業(yè)網(wǎng)絡(luò )系統分為4層：控制層、監控層、管理層、信息層，基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的紡織生產(chǎn)信息化系統如圖1。

現場(chǎng)總線(xiàn)控制層是各種生產(chǎn)信息的來(lái)源。各種棉紡、織造、印染機械的控制器只要具有現場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口，通過(guò)適當的編程，就可以將機械的運行數據實(shí)時(shí)傳送到監控系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)監控層完成車(chē)間級設備檢測和控制。應用組態(tài)軟件編程和現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò )，整合車(chē)間內各個(gè)單臺機械設備控制系統，以清晰友好的人機界面實(shí)現全車(chē)間設備的生產(chǎn)狀態(tài)、產(chǎn)量、效率的監視，同時(shí)還可以對設備的工藝參數進(jìn)行統一設置， 故障報警、參數記錄、顯示歷史趨勢和實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，生成和打印各種生產(chǎn)報表。管理層是工廠(chǎng)級的信息管理系統?？刂葡到y均可以按照用戶(hù)的需求，通過(guò)多種總線(xiàn)、工 業(yè)網(wǎng)絡(luò )建立數據庫，對數據進(jìn)行處理并分類(lèi)送到各個(gè)管理部門(mén)，實(shí)現數據的查詢(xún)、統計、分析和數據報表?，F場(chǎng)總線(xiàn)信息層將控制過(guò)程、信息管理、通信網(wǎng)絡(luò )融為一體，實(shí)現數據共享，有關(guān)人員登陸到Web 服務(wù)器，就可根據各自的權限監控到生產(chǎn)現場(chǎng)的設備的運行情況。

5 應用案例

由于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在可靠性、開(kāi)放性、經(jīng)濟性、全數字化傳送方面具有無(wú)比的優(yōu)越性，適應了現代紡織工業(yè)的高質(zhì)量、低成本、小批量、多品種、快速響應、高效低耗、清潔生產(chǎn)的需要，目前，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在紡紗、化纖、機織、針織、染整及服裝等紡織機械設備中得到大量的應用，以簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統組成結構，形成柔性化生產(chǎn)體系;保障產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本;促進(jìn)了紡織工業(yè)的計算機集成化生產(chǎn)。

在國外推出的采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的化纖、織造及染整等設備中，將不同廠(chǎng)家標準的模塊化的現場(chǎng)設備分散在機器的各個(gè)部位，利用控制網(wǎng)絡(luò )集成技術(shù)將其組配成專(zhuān)用系統，系統硬件設計變得簡(jiǎn)單 明了，降低了布線(xiàn)成本。例如，瑞士Sulze Textile 推出的G6300 劍桿織機，機器中的引緯、送經(jīng)、卷取、織邊均采用伺服電動(dòng)機，主控制器為32 位的多處理器結構，織機中各現場(chǎng)設備用CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)連接組成控制網(wǎng)絡(luò )，織物規格的機織條件設定、控制數據轉換均可遠程控制或現場(chǎng)設定。德國THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染機，采用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )結構的THEN-DYNET(TDN)控制系統，機器中的氣流控制閥、進(jìn)水出水閥、換熱器控制閥等執行器，染液溫度及布料速度等傳感器均為具備功能自治的現場(chǎng)設備，并且作為整機控制網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)節點(diǎn)與上位PLC控制器連接。

我國自1993年起開(kāi)始對現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行研究，并于1996年正式將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)列為“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目，至1998年己有一些不完全的現場(chǎng)總線(xiàn)OEM新產(chǎn)品推出。國內紡織機械廠(chǎng)不失時(shí)機地積極引進(jìn)先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，結合各類(lèi)紡織機械的功能特點(diǎn)，在現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品的系統集成上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。如上海二紡機股份有限公司開(kāi)發(fā)的四電機驅動(dòng)的粗紗機采用了CAN總線(xiàn)。大容量滌綸紡絲、后處理生產(chǎn)線(xiàn)全部采用Profibus總線(xiàn)。上海太平洋機電集團在開(kāi)發(fā)的年產(chǎn)3萬(wàn)噸滌綸短纖維成套設備中，研制了基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統，達到了國際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

6 結束語(yǔ)

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它的出現使傳統的控制系統結構產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統朝著(zhù)智能化、數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、分散化的方向邁進(jìn)，形成新型的網(wǎng)絡(luò )集成式全分布式控制系統—現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統作為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向，為我國紡織工業(yè)的自動(dòng)化領(lǐng)域提供了良好的機遇。隨著(zhù)現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)產(chǎn)品使用的普及，研發(fā)成本消化，生產(chǎn)成本降低，現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)產(chǎn)品將大幅度應用于紡織工業(yè)自動(dòng)化系統，現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)系統技術(shù)將在紡織自動(dòng)化中得到普遍使用和長(cháng)足的發(fā)展。