紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術(shù)的研究及應用
| 隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸被廣泛運用到工業(yè)控制系統(tǒng)中，在紡織工業(yè)中也開始得到應用。本文介紹了現(xiàn)場總線的基本原理，對現(xiàn)行的幾種現(xiàn)場總線進行了比較，在分析總結(jié)數(shù)字化紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)展新特點的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)在國內(nèi)外紡織行業(yè)在應用現(xiàn)場總線方面的情況。 1 引言 隨著我國紡織工業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，現(xiàn)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(shè)備控制系統(tǒng)的開發(fā)多側(cè)重于實現(xiàn)單臺設(shè)備的紡織工藝性能自動化，將機器所具有的先進功能封閉在單機系統(tǒng)內(nèi)，而忽略了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)成，其結(jié)果勢必使機器的結(jié)構(gòu)（特別是其控制系統(tǒng)）愈來愈復雜，使機器成為紡織企業(yè)自動化體系中的“孤島”。進入90 年代以來，現(xiàn)場總線技術(shù)以及基于該技術(shù)的控制系統(tǒng)在國內(nèi)外引起人們高度重視，成為世界范圍內(nèi)的自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，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)和自動控制技術(shù)，將微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力，不但提高了信號測量、控制和傳輸?shù)木?，也為實現(xiàn)其遠程傳輸創(chuàng)造了條件。 在紡織工業(yè)由傳統(tǒng)工業(yè)向現(xiàn)代工業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，基于現(xiàn)場總線的控制技術(shù)為紡織工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展提供了機遇。本文通過對現(xiàn)場總線基本原理的介紹，比較了當今比較常用的幾種現(xiàn)場總線的特點及應用場合，搭建了基于現(xiàn)場總線控制技術(shù)的數(shù)字化紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的框架模型。 2 現(xiàn)場總線的基本原理 現(xiàn)場總線是當今3C（Computer、Communication、Control）技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點，也是過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的交匯點，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(xiàn)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到現(xiàn)場的必然結(jié)果。 根據(jù)國際電工委員會（IEC，International Electrotechnical Commission）標準和現(xiàn)場總線基金會（FF，F(xiàn)ieldbus Foundation）的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其都具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；使用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化測控設(shè)備之間、以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線主要是面向過程控制，除傳輸數(shù)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(shù)據(jù)單元是幀（Frame）。與集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS） 相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）具有可靠性高以及更好的安全性、互換性和互操作性、開放性、分散性等優(yōu)點。 綜上所述，現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，它遵循ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議。 3 常見的幾種現(xiàn)場總線技術(shù) 上世紀80 年代以來，國際上的知名大公司先后推出了幾種工業(yè)現(xiàn)場總線和現(xiàn)場通訊協(xié)議，目前流行的主要有FF（Fieldbus Foundation 基金會現(xiàn)場總線）、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 世界工廠儀表協(xié)議）等。其主要技術(shù)差異及適用場合如下： 3.1 FF 現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線以ISO/OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)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），可支持總線供電，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、光纜和無線發(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。主要應用在過程自動化領(lǐng)域，如：化工、電力、油田和廢水處理等。 3.2 Profibus 現(xiàn)場總線 Profibus 系列由Profibus-DP、Profibus-FMS 和Profibus-PA 等3 個兼容部分組成。Profibus采用了OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)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，******傳輸距離在12Mbit/s 時為100m，1.5Mbit/s 時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線和光纜。主要應用領(lǐng)域有：DP 型適合于加工自動化領(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、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化制造業(yè)自動化；PA 型則是用于過程自動化的總線類型。 3.3 CAN 現(xiàn)場總線 CAN 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用了符合ISO/OSI 網(wǎng)絡(luò)標準模型的三層結(jié)構(gòu)模型：即物理層、數(shù)據(jù)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完成。通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，抗干擾；節(jié)點分不同優(yōu)先級，可滿足不同的實時性要求。其傳輸介質(zhì)可以用雙絞線、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：汽車制造、機器人、液壓系統(tǒng)、分散性I/O、工具機床、醫(yī)療器械。 3.4 Lonworks 現(xiàn)場總線 LonWorks 采用了與OSI 參考模型相似的7 層協(xié)議結(jié)構(gòu)，LonWorks 技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron 芯片。Neuron 芯片實現(xiàn)完整的LonWorks 的LonTalk 通信協(xié)議，節(jié)點間可以對等通信。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、光纖、同軸電纜、電力線載波及無線通信等；并支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活。主要應用領(lǐng)域有：工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA 系統(tǒng)等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有優(yōu)越的性能。 3.5 WorldFIP 現(xiàn)場總線 WorldFIP 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)分為過程級、控制級和監(jiān)控級等3 級，其協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)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)采用屏蔽雙絞線和光纖。它能滿足用戶的各種需要，適合于集中型、分散型和主站／從站型等多種類型的應用結(jié)構(gòu)。用單一的WorldFIP 總線可滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動系統(tǒng)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(xiàn)場總線技術(shù)的紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng) 紡織工業(yè)的信息化建設(shè)是未來幾年紡織工廠的追求和建設(shè)重點，而數(shù)字化的紡織生產(chǎn)體系正是其不可或缺的基礎(chǔ)。它將全面提升紡織工廠的管理水平，對工廠的技術(shù)、質(zhì)量、經(jīng)濟和服務推動的進步都將產(chǎn)生直接的明顯的推進作用。 數(shù)字化的紡織機械采用現(xiàn)代先進的控制技術(shù)：以CPU為核心的控制器，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的新型驅(qū)動技術(shù)，以現(xiàn)場總線技術(shù)為代表的網(wǎng)絡(luò)及高速數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時準確采集和高速傳輸，實現(xiàn)分布式、現(xiàn)場化和抗干擾性能的提高，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化，完成紡織機械與現(xiàn)代先進控制技術(shù)的結(jié)合，為紡織企業(yè)的信息化從設(shè)備層打下堅實的基礎(chǔ)。 按照網(wǎng)絡(luò)的連接結(jié)構(gòu)，一般將企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為4層：控制層、監(jiān)控層、管理層、信息層，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的紡織生產(chǎn)信息化系統(tǒng)如圖1。  現(xiàn)場總線控制層是各種生產(chǎn)信息的來源。各種棉紡、織造、印染機械的控制器只要具有現(xiàn)場總線通訊接口，通過適當?shù)木幊蹋涂梢詫C械的運行數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場總線監(jiān)控層完成車間級設(shè)備檢測和控制。應用組態(tài)軟件編程和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，整合車間內(nèi)各個單臺機械設(shè)備控制系統(tǒng)，以清晰友好的人機界面實現(xiàn)全車間設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)、產(chǎn)量、效率的監(jiān)視，同時還可以對設(shè)備的工藝參數(shù)進行統(tǒng)一設(shè)置，故障報警、參數(shù)記錄、顯示歷史趨勢和實時曲線，生成和打印各種生產(chǎn)報表。管理層是工廠級的信息管理系統(tǒng)。控制系統(tǒng)均可以按照用戶的需求，通過多種總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行處理并分類送到各個管理部門，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析和數(shù)據(jù)報表。現(xiàn)場總線信息層將控制過程、信息管理、通信網(wǎng)絡(luò)融為一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有關(guān)人員登陸到Web 服務器，就可根據(jù)各自的權(quán)限監(jiān)控到生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備的運行情況。 5 應用案例 由于現(xiàn)場總線技術(shù)在可靠性、開放性、經(jīng)濟性、全數(shù)字化傳送方面具有無比的優(yōu)越性，適應了現(xiàn)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(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)開始在紡紗、化纖、機織、針織、染整及服裝等紡織機械設(shè)備中得到大量的應用，以簡化生產(chǎn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，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；促進了紡織工業(yè)的計算 |
