紡織生產(chǎn)控制系統中現場(chǎng)總線(xiàn)的研究及其應用

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，InternationalElectrotechnicalCommission）標準和現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )（FF，FieldbusFoundation）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（DistributedControlSystem，DCS）相比，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FieldbusControlSystem，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（FieldbusFoundation基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)）、Profibus（ProcessFieldbus）、 CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng)）、LonWorks（LocalOperationNetwork局部操作網(wǎng)）、WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol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：
3.1FF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。
3.2Profibus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。