現場總線控制系統在化纖紡織機械中的應用

隨著計算機技術、網絡通信技術和自動控制技術的發(fā)展，現場總線技術逐漸被廣泛運用到工業(yè)控制系統中。從上世紀90年代開始，伴隨著微處理器技術、智能傳感技術和過程控制技術的發(fā)展，逐漸形成了一種先進的工業(yè)測量、控制系統—現場總線控制系統(Fieldbus Control System,FCS)。由于現場總線控制系統比傳統控制系統(DistributedControl System , DCS)具有安全可靠性高、互換性、開放性、分散性好等一系列優(yōu)點，現場總線控制系統自從產生以來，逐漸成為世界范圍內的自動控制系統領域發(fā)展的新熱點，引起人們的重視，在化纖紡織機械中也開始得到應用。

1 現場總線和現場總線控制系統的基本概念和結構

現場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線，是用來連接現場智能設備和自動控制系統的雙向傳輸、多分支網絡結構的數字化的計算機局域網絡，其網絡節(jié)點是以微處理器為基礎的具有檢測、控制、通信能力的智能式儀表或自動控制設備。人們通過將現場總線技術引人自動控制系統中，逐步形成基于現場總線的控制系統。

現場總線控制系統是通過將專用微處理器CPU置入傳統的測量和控制儀表中，將自動化最底層的現場控制器和設備互連，使系統具有數字運算、邏輯控制和通信的功能，成為可以獨立完成檢測、控制和通信任務的實時控制通信網絡節(jié)點，通過使用普通雙絞線將現場控制器和現場智能儀表、遠程計算機等連接起來構成的網絡系統。現場總線的控制系統使用國際上通用、規(guī)范的通信協議，在位于最底層的現場控制器和現場智能儀表之間和遠程計算機之間，實現實時數據傳輸和信息共享，構成滿足工業(yè)現場實際需要的自動化、網絡化的控制系統。典型的現場總線控制系統結構如圖1所示。

2 常見的幾種現場總線控制系統

數字化的化纖紡織機械通過在傳統控制系統中引人新型計算機控制技術、基于現場總線的網絡通信技術和智能檢測技術、新型驅動等自動化技術構成自動控制系統，可以實現信息的實時采集和高速數字傳輸，實現化纖紡織工業(yè)生產的智能化和高度自動化，通過將傳統的化纖紡織機械升級成現場總線控制系統，為我國化纖紡織企業(yè)的數字化、信息化打下了基礎。目前國際上現有總線及總線標準不下200種，具有一定影響和已占有一定市場份額的已經應用于化纖紡織機械的總線有三種。

2.1過程現場總線Profibus

過程現場總線Profrbus(Progress Field Bus)是一種國際性的開放式現場總線標準，是唯一的全集成H1(過程)和H2(工廠自動化)現場總線解決方案。該總線不依賴于產品制造商，不同廠商生產的設備無須對其接口進行特別調整就可通信。Profibus過程現場總線是由Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三種協議類型組成。Profibus-DP的傳輸速率最高為12Mbit/s，主要用于現場級和裝置級的自動化；Profibus-PA的傳輸速率為31.25 kbit/s，主要用于現場級過程自動化，具有本質安全和總線供電特性；Profibus-FMS主要用于車間級或廠級監(jiān)控，構成控制和管理一體化系統，進行系統信息集成。Profibus過程現場總線以開放式系統互連模型(OSI)作為參考模型，該模型共有7層。使用雙絞線、雙線電纜或光纜作為傳輸介質，傳輸速率介于9.6-12×10³kbit/s之間。
Profibus過程現場總線控制系統由以下幾部分組成：

一類主站是可編程控制器，如PC、PLC等主站，該類主站可以完成編程、組態(tài)、診斷、通信等功能。

二類主站有PLC(智能型I/O)、分散式I/O(非智能I/O)、驅動器、傳感器、執(zhí)行機構等現場設備。

根據現場設備有無Profibus總線接口，過程現場總線控制系統又可以分成總線接口型、單一總線型和混合型三種形式：

(1)總線接口型是指現場智能設備沒有Profibus接口，使用分散式輸Ⅳ輸出接口與現場設備相連。通常對于現場設備可以分組，并且同組內現場設備相對集中的系統，該模式可以充分發(fā)揮現場總線技術的優(yōu)點。

(2)單一總線型是指現場設備有Profibus接口的總線系統，該模式可充分使用現場總線技術，構成分布式系統，是現場總線技術應用的理想情況。

(3)混合型是指現場設備部分具備Profibus接口，這時應采用Profibus現場設備加分散式I/O混合使用的方法。分散式I/O可作為通用的現場總線接口，是一種靈活的集成方案。

2.2 CAN現場總線

控制器局域網絡總線(Controler Area Network，CAN)是由德國Bosch公司于20世紀80年代為解決汽車中各種控制器、執(zhí)行機構、監(jiān)測儀器、傳感器之間的數據通信而提出并開發(fā)的總線型串行通信網絡，主要用于PLC和遠程計算機之間、邏輯運算控制和過程控制系統之間的通信網絡。CAN現場總線采用物理層、數據鏈路層和應用層結構模型，CAN接口器件完成網絡的物理層和數據鏈路層的功能，處理器完成應用層的功能。CAN現場總線通訊時采用短幀結構，具有傳輸速度快，抗干擾能力強等優(yōu)點；由于總線具有優(yōu)先級不同的節(jié)點，可滿足實時性、可靠性的要求?？梢允褂秒p絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質，該總線最大尋址節(jié)點數可達99個，傳輸速率最高為5Mbit/s；使用同軸電纜和標準連接頭連接時，最大傳輸距離可達1km；采用光纜通訊時，最大傳輸距離為25km。主要應用在紡織機械、液壓系統、汽車制造、分散性I/O、機器人、醫(yī)療器械和工具機床等領域。

2.3 LonWorks總線

局部操作網絡技術總線(Local OperationNetwork)是美國Echelon公司開發(fā)的現場總線技術，其通信速率最低為300 kbit／s，最高可以達到1.5 Mbit/s，通信距離最高可達2 700m。LonWorks總線使用同軸電纜、無線電、雙絞線、電力線、光纖等多種物理通訊介質；使用多種拓撲結構組成不同的網絡，由與ISO參考模型類似的7層網絡協議組成。在LonWorks總線的全部7層協議中，采用網絡邏輯地址尋址方式，優(yōu)先級機制保證了通信的實時性，安全機制采用證實方式，因此通過該總線可以構建大型網絡控制系統。LonWorks總線主要應用于工業(yè)控制、樓宇自動化等領域。

3 傳統控制系統和現場總線控制系統的區(qū)別

現場總線技術就是設備層的工業(yè)控制網絡技術，也就是連接現場智能設備(例如變頻器、PLC等)和車間的通訊網絡，更適合于中等量數據(100—500)的傳輸。現場總線技術與傳統的控制方法(如DCS系統)相比，有以下區(qū)別：

(1)在傳統控制系統中，控制器(或稱CPU或處理器)與VO模塊及其他功能模塊、機架為同一系列產品，有一致的物理結構設計，傳統PLC控制系統的I/O設備與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量(4—20 mA)或開關量(如24VDC)控制監(jiān)測現場設備。