現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在化纖紡織機械中的應用

隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和自動(dòng)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。從上世紀90年代開(kāi)始，伴隨著(zhù)微處理器技術(shù)、智能傳感技術(shù)和過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了一種先進(jìn)的工業(yè)測量、控制系統—現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(Fieldbus Control System,FCS)。由于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統比傳統控制系統(DistributedControl System , DCS)具有安全可靠性高、互換性、開(kāi)放性、分散性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統自從產(chǎn)生以來(lái)，逐漸成為世界范圍內的自動(dòng)控制系統領(lǐng)域發(fā)展的新熱點(diǎn)，引起人們的重視，在化纖紡織機械中也開(kāi)始得到應用。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的基本概念和結構

現場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)，是用來(lái)連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)控制系統的雙向傳輸、多分支網(wǎng)絡(luò )結構的數字化的計算機局域網(wǎng)絡(luò )，其網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是以微處理器為基礎的具有檢測、控制、通信能力的智能式儀表或自動(dòng)控制設備。人們通過(guò)將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)引人自動(dòng)控制系統中，逐步形成基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統。

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是通過(guò)將專(zhuān)用微處理器CPU置入傳統的測量和控制儀表中，將自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和設備互連，使系統具有數字運算、邏輯控制和通信的功能，成為可以獨立完成檢測、控制和通信任務(wù)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，通過(guò)使用普通雙絞線(xiàn)將現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表、遠程計算機等連接起來(lái)構成的網(wǎng)絡(luò )系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統使用國際上通用、規范的通信協(xié)議，在位于最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表之間和遠程計算機之間，實(shí)現實(shí)時(shí)數據傳輸和信息共享，構成滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)實(shí)際需要的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化的控制系統。典型的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統結構如圖1所示。

2 常見(jiàn)的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

數字化的化纖紡織機械通過(guò)在傳統控制系統中引人新型計算機控制技術(shù)、基于現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和智能檢測技術(shù)、新型驅動(dòng)等自動(dòng)化技術(shù)構成自動(dòng)控制系統，可以實(shí)現信息的實(shí)時(shí)采集和高速數字傳輸，實(shí)現化纖紡織工業(yè)生產(chǎn)的智能化和高度自動(dòng)化，通過(guò)將傳統的化纖紡織機械升級成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，為我國化纖紡織企業(yè)的數字化、信息化打下了基礎。目前國際上現有總線(xiàn)及總線(xiàn)標準不下200種，具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的已經(jīng)應用于化纖紡織機械的總線(xiàn)有三種。

2.1過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus

過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)Profrbus(Progress Field Bus)是一種國際性的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準，是唯一的全集成H1(過(guò)程)和H2(工廠(chǎng)自動(dòng)化)現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案。該總線(xiàn)不依賴(lài)于產(chǎn)品制造商，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備無(wú)須對其接口進(jìn)行特別調整就可通信。Profibus過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)是由Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三種協(xié)議類(lèi)型組成。Profibus-DP的傳輸速率最高為12Mbit/s，主要用于現場(chǎng)級和裝置級的自動(dòng)化；Profibus-PA的傳輸速率為31.25 kbit/s，主要用于現場(chǎng)級過(guò)程自動(dòng)化，具有本質(zhì)安全和總線(xiàn)供電特性；Profibus-FMS主要用于車(chē)間級或廠(chǎng)級監控，構成控制和管理一體化系統，進(jìn)行系統信息集成。Profibus過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)以開(kāi)放式系統互連模型(OSI)作為參考模型，該模型共有7層。使用雙絞線(xiàn)、雙線(xiàn)電纜或光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率介于9.6-12×10³kbit/s之間。
Profibus過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統由以下幾部分組成：

一類(lèi)主站是可編程控制器，如PC、PLC等主站，該類(lèi)主站可以完成編程、組態(tài)、診斷、通信等功能。

二類(lèi)主站有PLC(智能型I/O)、分散式I/O(非智能I/O)、驅動(dòng)器、傳感器、執行機構等現場(chǎng)設備。

根據現場(chǎng)設備有無(wú)Profibus總線(xiàn)接口，過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統又可以分成總線(xiàn)接口型、單一總線(xiàn)型和混合型三種形式：

(1)總線(xiàn)接口型是指現場(chǎng)智能設備沒(méi)有Profibus接口，使用分散式輸Ⅳ輸出接口與現場(chǎng)設備相連。通常對于現場(chǎng)設備可以分組，并且同組內現場(chǎng)設備相對集中的系統，該模式可以充分發(fā)揮現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)單一總線(xiàn)型是指現場(chǎng)設備有Profibus接口的總線(xiàn)系統，該模式可充分使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，構成分布式系統，是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用的理想情況。

(3)混合型是指現場(chǎng)設備部分具備Profibus接口，這時(shí)應采用Profibus現場(chǎng)設備加分散式I/O混合使用的方法。分散式I/O可作為通用的現場(chǎng)總線(xiàn)接口，是一種靈活的集成方案。

2.2 CAN現場(chǎng)總線(xiàn)

控制器局域網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)(Controler Area Network，CAN)是由德國B(niǎo)osch公司于20世紀80年代為解決汽車(chē)中各種控制器、執行機構、監測儀器、傳感器之間的數據通信而提出并開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)型串行通信網(wǎng)絡(luò )，主要用于PLC和遠程計算機之間、邏輯運算控制和過(guò)程控制系統之間的通信網(wǎng)絡(luò )。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)采用物理層、數據鏈路層和應用層結構模型，CAN接口器件完成網(wǎng)絡(luò )的物理層和數據鏈路層的功能，處理器完成應用層的功能。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)通訊時(shí)采用短幀結構，具有傳輸速度快，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)；由于總線(xiàn)具有優(yōu)先級不同的節點(diǎn)，可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、可靠性的要求?？梢允褂秒p絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，該總線(xiàn)最大尋址節點(diǎn)數可達99個(gè)，傳輸速率最高為5Mbit/s；使用同軸電纜和標準連接頭連接時(shí)，最大傳輸距離可達1km；采用光纜通訊時(shí)，最大傳輸距離為25km。主要應用在紡織機械、液壓系統、汽車(chē)制造、分散性I/O、機器人、醫療器械和工具機床等領(lǐng)域。

2.3 LonWorks總線(xiàn)

局部操作網(wǎng)絡(luò )技術(shù)總線(xiàn)(Local OperationNetwork)是美國Echelon公司開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其通信速率最低為300 kbit／s，最高可以達到1.5 Mbit/s，通信距離最高可達2 700m。LonWorks總線(xiàn)使用同軸電纜、無(wú)線(xiàn)電、雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖等多種物理通訊介質(zhì)；使用多種拓撲結構組成不同的網(wǎng)絡(luò )，由與ISO參考模型類(lèi)似的7層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議組成。在LonWorks總線(xiàn)的全部7層協(xié)議中，采用網(wǎng)絡(luò )邏輯地址尋址方式，優(yōu)先級機制保證了通信的實(shí)時(shí)性，安全機制采用證實(shí)方式，因此通過(guò)該總線(xiàn)可以構建大型網(wǎng)絡(luò )控制系統。LonWorks總線(xiàn)主要應用于工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。

3 傳統控制系統和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的區別

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)就是設備層的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，也就是連接現場(chǎng)智能設備(例如變頻器、PLC等)和車(chē)間的通訊網(wǎng)絡(luò )，更適合于中等量數據(100—500)的傳輸?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與傳統的控制方法(如DCS系統)相比，有以下區別：

(1)在傳統控制系統中，控制器(或稱(chēng)CPU或處理器)與VO模塊及其他功能模塊、機架為同一系列產(chǎn)品，有一致的物理結構設計，傳統PLC控制系統的I/O設備與PLC I/O模塊連接，PLC通過(guò)模擬量(4—20 mA)或開(kāi)關(guān)量(如24VDC)控制監測現場(chǎng)設備。