紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術(shù)的研究及應(yīng)用設(shè)計(jì)

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(dǎo)，以智能化生產(chǎn)為主要特征[1]。目前，國產(chǎn)紡織機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的開發(fā)多側(cè)重于實(shí)現(xiàn)單臺設(shè)備的紡織工藝性能自動化，將機(jī)器所具有的先進(jìn)功能封閉在單機(jī)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(jī)器的結(jié)構(gòu)(特別是其控制系統(tǒng))愈來愈復(fù)雜，使機(jī)器成為紡織企業(yè)自動化體系中的“孤島”。進(jìn)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(diǎn)，它綜合運(yùn)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(jì)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龋矠閷?shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)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(jī)遇。本文通過對現(xiàn)場總線基本原理的介紹，比較了當(dāng)今比較常用的幾種現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及應(yīng)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(dāng)今3C(Computer、Communication、Control)技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點(diǎn)，也是過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(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，InternationalElectrotechnicalCommission)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會(FF，F(xiàn)ieldbusFoundation)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]?，F(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(jì)算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某些檢測、控制和通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過普通雙絞線把多個(gè)測量控制儀表、計(jì)算機(jī)等作為節(jié)點(diǎn)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(gè)微機(jī)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應(yīng)實(shí)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)(DistributedControlSystem，DCS)相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，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(diǎn)。

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(shí)時(shí)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(jì)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(FieldbusFoundation基金會現(xiàn)場總線)、Profibus(ProcessFieldbus)、CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng))、LonWorks(LocalOperationNetwork局部操作網(wǎng))、WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol世界工廠儀表協(xié)議)等。其主要技術(shù)差異及適用場合如下：

3.1FF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(yīng)用層為FF通訊模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。主要應(yīng)用在過程自動化領(lǐng)域，如：化工、電力、油田和廢水處理等。

3.2Profibus現(xiàn)場總線

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(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)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，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線和光纜。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：DP型適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)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。3.3CAN現(xiàn)場總線

CAN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用了符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型的三層結(jié)構(gòu)模型：即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(yīng)用層的功能由處理器來完成。通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾；節(jié)點(diǎn)分不同優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)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(dá)1Mbit/s(40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(5kbit/s)。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：汽車制造、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散性I/O、工具機(jī)床、醫(yī)療器械。

3.4Lonworks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(shí)現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)間可以對等通信。LonWorks通信速率為78Kbit/s～1.25Mbit/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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活。

主要應(yīng)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。

3.5WorldFIP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(yīng)用層組成。其通信速率有31.25Kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s、25Mbit/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(yīng)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(yīng)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(diǎn)，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(jì)和服務(wù)推動的進(jìn)步都將產(chǎn)生直接的明顯的推進(jìn)作用。

數(shù)字化的紡織機(jī)械采用現(xiàn)代先進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集和高速傳輸，實(shí)現(xiàn)分布式、現(xiàn)場化和抗干擾性能的提高，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化，完成紡織機(jī)械與現(xiàn)代先進(jìn)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(jiān)實(shí)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(jī)械的控制器只要具有現(xiàn)場總線通訊接口，通過適當(dāng)?shù)木幊蹋涂梢詫C(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線監(jiān)控層完成車間級設(shè)備檢測和控制。應(yīng)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(gè)單臺機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)，以清晰友好的人機(jī)界面實(shí)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(shí)還可以對設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，故障報(bào)警、參數(shù)記錄、顯示歷史趨勢和實(shí)時(shí)曲線，生成和打印各種生產(chǎn)報(bào)表。管理層是工廠級的信息管理系統(tǒng)?？刂葡到y(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(jìn)行處理并分類送到各個(gè)管理部門，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和數(shù)據(jù)報(bào)表?，F(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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有關(guān)人員登陸到Web服務(wù)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(yùn)行情況。

5 應(yīng)用案例

由于現(xiàn)場總線技術(shù)在可靠性、開放性、經(jīng)濟(jì)性、全數(shù)字化傳送方面具有無比的優(yōu)越性，適應(yīng)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(yīng)、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(jī)織、針織、染整及服裝等紡織機(jī)械設(shè)備中得到大量的應(yīng)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(jìn)了紡織工業(yè)的計(jì)算機(jī)集成化生產(chǎn)。

在國外推出的采用現(xiàn)場總線技術(shù)的化纖、織造及染整等設(shè)備中，將不同廠家標(biāo)準(zhǔn)的模塊化的現(xiàn)場設(shè)備分散在機(jī)器的各個(gè)部位，利用控制網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)將其組配成專用系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)變得簡單明了，降低了布線成本。

例如，瑞士SulzeTextile推出的G6300劍桿織機(jī)，機(jī)器中的引緯、送經(jīng)、卷取、織邊均采用伺服電動機(jī)，主控制器為32位的多處理器結(jié)構(gòu)，織機(jī)中各現(xiàn)場設(shè)備用CAN現(xiàn)場總線連接組成控制網(wǎng)絡(luò)，織物規(guī)格的機(jī)織條件設(shè)定、控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換均可遠(yuǎn)程控制或現(xiàn)場設(shè)定。德國THEN推出的AIRFLOWAFT匹染機(jī)，采用LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的THEN-DYNET(TDN)控制系統(tǒng)，機(jī)器中的氣流控制閥、進(jìn)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(shè)備，并且作為整機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與上位PLC控制器連接。

我國自1993年起開始對現(xiàn)場總線進(jìn)行研究，并于1996年正式將現(xiàn)場總線技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)列為“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(jī)械廠不失時(shí)機(jī)地積極引進(jìn)先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合各類紡織機(jī)械的功能特點(diǎn)，在現(xiàn)場總線產(chǎn)品的系統(tǒng)集成上進(jìn)行了重點(diǎn)研究。如上海二紡機(jī)股份有限公司開發(fā)的四電機(jī)驅(qū)動的粗紗機(jī)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(jī)電集團(tuán)在開發(fā)的年產(chǎn)3萬噸滌綸短纖維成套設(shè)備中，研制了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

6 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)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(luò)化、分散化的方向邁進(jìn)，形成新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布式控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。現(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(lǐng)域提供了良好的機(jī)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(yīng)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(shù)將在紡織自動化中得到普遍使用和長足的發(fā)展。