紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術的應用
1 引言
隨著我國紡織工業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展,現(xiàn)代紡織技術將以電子信息技術為主導,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(tǒng)的開發(fā)多側重于實現(xiàn)單臺設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)絡化構成,其結果勢必使機器的結構(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 術以及基于該技術的控制系統(tǒng)在國內(nèi)外引起人們高度重視,成為世界范圍內(nèi)的自動化技術發(fā)展的熱點,它綜合運用了微處理器技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和自動控制 技術,將微處理器置入現(xiàn)場自控設備,使設備具有數(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)轉變的過程中,基于現(xiàn)場總線的控制技術為紡織工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、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)技術發(fā)展的結合點,也是過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的交匯點,是信息技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展在控制領域的集中體現(xiàn),是信息技術、網(wǎng)絡技術延伸到現(xiàn)場的必然結果。
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)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡[2]?,F(xiàn)場總線技 術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)場智能儀表設備互連的實時控制通信網(wǎng)絡,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
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,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,最大傳輸距離在 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。主要應用領域有:DP 型適合于加工自動化領域的應用,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)絡設計采用了符合ISO/OSI 網(wǎng)絡標準模型的三層結構模型:即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層,網(wǎng)絡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;采用短幀結構,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)議結構,LonWorks 技術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;并支持多種拓撲結構,組網(wǎng)靈活。主要應用領域有: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)場總線體系結構分為過程級、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構。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。主要應用領域有:電力工業(yè)、鐵路、交通、工業(yè)控制、樓宇。