現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在化纖紡織機(jī)械中的應(yīng)用
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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸被廣泛運(yùn)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中。從上世紀(jì)90年代開始，伴隨著微處理器技術(shù)、智能傳感技術(shù)和過程控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了一種先進(jìn)的工業(yè)測量、控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS)。由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(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(diǎn)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自從產(chǎn)生以來，逐漸成為世界范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的新熱點(diǎn)，引起人們的重視，在化纖紡織機(jī)械中也開始得到應(yīng)用。
1 現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念和結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，是用來連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)的雙向傳輸、多分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是以微處理器為基礎(chǔ)的具有檢測、控制、通信能力的智能式儀表或自動(dòng)控制設(shè)備。人們通過將現(xiàn)場總線技術(shù)引人自動(dòng)控制系統(tǒng)中，逐步形成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是通過將專用微處理器CPU置入傳統(tǒng)的測量和控制儀表中，將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和設(shè)備互連，使系統(tǒng)具有數(shù)字運(yùn)算、邏輯控制和通信的功能，成為可以獨(dú)立完成檢測、控制和通信任務(wù)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過使用普通雙絞線將現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)等連接起來構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)使用國際上通用、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表之間和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享，構(gòu)成滿足工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際需要的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。典型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 常見的幾種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
數(shù)字化的化纖紡織機(jī)械通過在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中引人新型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能檢測技術(shù)、新型驅(qū)動(dòng)等自動(dòng)化技術(shù)構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集和高速數(shù)字傳輸，實(shí)現(xiàn)化纖紡織工業(yè)生產(chǎn)的智能化和高度自動(dòng)化，通過將傳統(tǒng)的化纖紡織機(jī)械升級成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，為我國化纖紡織企業(yè)的數(shù)字化、信息化打下了基礎(chǔ)。目前國際上現(xiàn)有總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下200種，具有一定影響和已占有一定市場份額的已經(jīng)應(yīng)用于化纖紡織機(jī)械的總線有三種。
2.1過程現(xiàn)場總線Profibus
過程現(xiàn)場總線Profrbus(Progress Field Bus)是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，是唯一的全集成H1(過程)和H2(工廠自動(dòng)化)現(xiàn)場總線解決方案。該總線不依賴于產(chǎn)品制造商，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備無須對其接口進(jìn)行特別調(diào)整就可通信。Profibus過程現(xiàn)場總線是由Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三種協(xié)議類型組成。Profibus-DP的傳輸速率最高為12Mbit/s，主要用于現(xiàn)場級和裝置級的自動(dòng)化；Profibus-PA的傳輸速率為31.25 kbit/s，主要用于現(xiàn)場級過程自動(dòng)化，具有本質(zhì)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(gòu)成控制和管理一體化系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)信息集成。Profibus過程現(xiàn)場總線以開放式系統(tǒng)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(zhì)，傳輸速率介于9.6-12×103kbit/s之間。
Profibus過程現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備。
根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備有無Profibus總線接口，過程現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(xiàn)場智能設(shè)備沒有Profibus接口，使用分散式輸Ⅳ輸出接口與現(xiàn)場設(shè)備相連。通常對于現(xiàn)場設(shè)備可以分組，并且同組內(nèi)現(xiàn)場設(shè)備相對集中的系統(tǒng)，該模式可以充分發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
(2)單一總線型是指現(xiàn)場設(shè)備有Profibus接口的總線系統(tǒng)，該模式可充分使用現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，是現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的理想情況。
(3)混合型是指現(xiàn)場設(shè)備部分具備Profibus接口，這時(shí)應(yīng)采用Profibus現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場總線接口，是一種靈活的集成方案。
2.2 CAN現(xiàn)場總線
控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線(Controler Area Network，CAN)是由德國Bosch公司于20世紀(jì)80年代為解決汽車中各種控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、監(jiān)測儀器、傳感器之間的數(shù)據(jù)通信而提出并開發(fā)的總線型串行通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于PLC和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間、邏輯運(yùn)算控制和過程控制系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN現(xiàn)場總線采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型，CAN接口器件完成網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，處理器完成應(yīng)用層的功能。CAN現(xiàn)場總線通訊時(shí)采用短幀結(jié)構(gòu)，具有傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；由于總線具有優(yōu)先級不同的節(jié)點(diǎn)，可滿足實(shí)時(shí)性、可靠性的要求。可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，該總線最大尋址節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)99個(gè)，傳輸速率最高為5Mbit/s；使用同軸電纜和標(biāo)準(zhǔn)連接頭連接時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)1km；采用光纜通訊時(shí)，最大傳輸距離為25km。主要應(yīng)用在紡織機(jī)械、液壓系統(tǒng)、汽車制造、分散性I/O、機(jī)器人、醫(yī)療器械和工具機(jī)床等領(lǐng)域。
2.3 LonWorks總線
局部操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)總線(Local OperationNetwork)是美國Echelon公司開發(fā)的現(xiàn)場總線技術(shù)，其通信速率最低為300 kbit／s，最高可以達(dá)到1.5 Mbit/s，通信距離最高可達(dá)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(zhì)；使用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成不同的網(wǎng)絡(luò)，由與ISO參考模型類似的7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成。在LonWorks總線的全部7層協(xié)議中，采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先級機(jī)制保證了通信的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此通過該總線可以構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。LonWorks總線主要應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
3 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的區(qū)別
現(xiàn)場總線技術(shù)就是設(shè)備層的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就是連接現(xiàn)場智能設(shè)備(例如變頻器、PLC等)和車間的通訊網(wǎng)絡(luò)，更適合于中等量數(shù)據(jù)(100—500)的傳輸?，F(xiàn)場總線技術(shù)與傳統(tǒng)的控制方法(如DCS系統(tǒng))相比，有以下區(qū)別：
(1)在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，控制器(或稱CPU或處理器)與VO模塊及其他功能模塊、機(jī)架為同一系列產(chǎn)品，有一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的I/O設(shè)備與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量(4—20 mA)或開關(guān)量(如24VDC)控制監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備。
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