紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術的研究及應用

隨著計算機技術、通信技術和控制技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術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(cè)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(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(zhuǎn)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(jié)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(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[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(jié)構(gòu)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(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(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。主要應用領域有：電力工業(yè)、鐵路、交通、工業(yè)控制、樓宇。[!--empirenews.page--]

4 基于現(xiàn)場總線技術的紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)

紡織工業(yè)的信息化建設是未來幾年紡織工廠的追求和建設重點，而數(shù)字化的紡織生產(chǎn)體系正是其不可或缺的基礎。它將全面提升紡織工廠的管理水平，對工廠的技術、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：以CPU為核心的控制器，以電力電子技術為基礎的新型驅(qū)動技術，以現(xiàn)場總線技術為代表的網(wǎng)絡及高速數(shù)據(jù)通訊技術。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)代先進控制技術的結(jié)合，為紡織企業(yè)的信息化從設備層打下堅實的基礎。

按照網(wǎng)絡的連接結(jié)構(gòu)，一般將企業(yè)網(wǎng)絡系統(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?，就可以將機械的運行數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線監(jiān)控層完成車間級設備檢測和控制。應用組態(tài)軟件編程和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，整合車間內(nèi)各個單臺機械設備控制系統(tǒng)，以清晰友好的人機界面實現(xiàn)全車間設備的生產(chǎn)狀態(tài)、產(chǎn)量、效率的監(jiān)視，同時還可以對設備的工藝參數(shù)進行統(tǒng)一設置，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?，F(xiàn)場總線信息層將控制過程、信息管理、通信網(wǎng)絡融為一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有關人員登陸到Web 服務器，就可根據(jù)各自的權限監(jiān)控到生產(chǎn)現(xiàn)場的設備的運行情況。

5 應用案例

由于現(xiàn)場總線技術在可靠性、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)的計算機集成化生產(chǎn)。

在國外推出的采用現(xiàn)場總線技術的化纖、織造及染整等設備中，將不同廠家標準的模塊化的現(xiàn)場設備分散在機器的各個部位，利用控制網(wǎng)絡集成技術將其組配成專用系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設計變得簡單明了，降低了布線成本。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機，主控制器為32 位的多處理器結(jié)構(gòu)，織機中各現(xiàn)場設備用CAN 現(xiàn)場總線連接組成控制網(wǎng)絡，織物規(guī)格的機織條件設定、控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換均可遠程控制或現(xiàn)場設定。德國THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染機，采用LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的THEN-DYNET(TDN)控制系統(tǒng)，機器中的氣流控制閥、進水出水閥、換熱器控制閥等執(zhí)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(xiàn)場設備，并且作為整機控制網(wǎng)絡中的一個節(jié)點與上位PLC 控制器連接。

我國自1993年起開始對現(xiàn)場總線進行研究，并于1996年正式將現(xiàn)場總線技術的研究和產(chǎn)品開發(fā)列為“九五”國家重點科技攻關項目，至1998年己有一些不完全的現(xiàn)場總線OEM新產(chǎn)品推出。國內(nèi)紡織機械廠不失時機地積極引進先進的現(xiàn)場總線技術，結(jié)合各類紡織機械的功能特點，在現(xiàn)場總線產(chǎn)品的系統(tǒng)集成上進行了重點研究。如上海二紡機股份有限公司開發(fā)的四電機驅(qū)動的粗紗機采用了CAN總線。大容量滌綸紡絲、后處理生產(chǎn)線全部采用Profibus總線。上海太平洋機電集團在開發(fā)的年產(chǎn)3萬噸滌綸短纖維成套設備中，研制了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平。

6 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、分散化的方向邁進，形成新型的網(wǎng)絡集成式全分布式控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為工業(yè)自動化的發(fā)展方向，為我國紡織工業(yè)的自動化領域提供了良好的機遇。隨著現(xiàn)場工業(yè)總線產(chǎn)品使用的普及，研發(fā)成本消化，生產(chǎn)成本降低，現(xiàn)場工業(yè)總線產(chǎn)品將大幅度應用于紡織工業(yè)自動化系統(tǒng)，現(xiàn)場工業(yè)總線系統(tǒng)技術將在紡織自動化中得到普遍使用和長足的發(fā)展。