紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)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(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(jìn)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(fù)雜，使機器成為紡織企業(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，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(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，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(biāo)準(zhǔn)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］?，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)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔(dān)某些檢測、控制和通信任務(wù)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(yuǎn)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(yīng)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(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（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(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。

　　3.2 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(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(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。

　　3.3 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(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(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?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。

　　3.5 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(yīng)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(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。