紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用

　　1 引言

　　隨著我國(guó)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(guó)產(chǎn)紡織機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)多側(cè)重于實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的紡織工藝性能自動(dòng)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(shì)必使機(jī)器的結(jié)構(gòu)（特別是其控制系統(tǒng)）愈來(lái)愈復(fù)雜，使機(jī)器成為紡織企業(yè)自動(dòng)化體系中的“孤島”。進(jìn)入90 年代以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技 術(shù)以及基于該技術(shù)的控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外引起人們高度重視，成為世界范圍內(nèi)的自動(dòng)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(dòng)控制 技術(shù)，將微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)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(hào)測(cè)量、控制和傳輸?shù)木?，也為?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(guò)程中，基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基本原理的介紹，比較了當(dāng)今比較常用的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，搭建了基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)的基本原理

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是當(dāng)今3C（Computer、Communication、Control）技術(shù)發(fā)展的結(jié)合點(diǎn)，也是過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)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(chǎng)的必然結(jié)果。

　　根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC，International Electrotechnical Commission）標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)（FF，F(xiàn)ieldbus Foundation）的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(chǎng)總線(xiàn)技 術(shù)將專(zhuān)用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)、控制和通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)普通雙絞線(xiàn)把多個(gè) 測(cè)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(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)控設(shè)備之間、以及現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主要是面向過(guò)程控制，除傳輸數(shù)字與模擬信號(hào)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(chǎng)總線(xiàn)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(kāi)放性、分散性等優(yōu)點(diǎn)。

　　綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(jiàn)的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

　　上世紀(jì)80 年代以來(lái)，國(guó)際上的知名大公司先后推出了幾種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)通訊協(xié)議，目前流行的主要有FF（Fieldbus Foundation 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)）、 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(chǎng)合如下：

　　3.1 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以ISO/OSI 開(kāi)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(hù)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(zhǎng)），可支持總線(xiàn)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(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)發(fā)射，協(xié)議符合IEC11582 標(biāo)準(zhǔn)，物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼。主要應(yīng)用在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，如：化工、電力、油田和廢水處理等。

　　3.2 Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　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(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)和光纜。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：DP 型適合于加工自動(dòng)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(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化制造業(yè)自動(dòng)化;PA 型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型。

　　3.3 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　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(lái)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(jí)，可滿(mǎn)足不同 的實(shí)時(shí)性要求。其傳輸介質(zhì)可以用雙絞線(xiàn)、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(chē)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。

　　3.4 Lonworks 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

　　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(duì)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(xiàn)、光纖、同軸電纜、電力線(xiàn)載波及無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(chǎng)總線(xiàn)

　　WorldFIP 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)分為過(guò)程級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)等3級(jí)，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(xiàn)和光纖。它能滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需要，適合于集中型、分散型和主站/從站型等多種類(lèi)型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。用單一的 WorldFIP 總線(xiàn)可滿(mǎn)足過(guò)程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動(dòng)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。