纺织生产控制系统中现场总线技术的研究及应用

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，现场总线技术逐渐被广泛运用到工业控制系统中，在纺织工业中也开始得到应用。本文介绍了现场总线的基本原理，对现行的几种现场总线进行了比较，在分析总结数字化纺织生产控制系统发展新特点的基础上，介绍了现在国内外纺织行业在应用现场总线方面的情况。1 引言随着我国纺织工业持续快速的发展，现代纺织技术将以电子信息技术为主导，以智能化生产为主要特征[1]。目前，国产纺织机械设备控制系统的开发多侧重于实现单台设备的纺织工艺性能自动化，将机器所具有的先进功能封闭在单机系统内，而忽略了系统的网络化构成，其结果势必使机器的结构（特别是其控制系统）愈来愈复杂，使机器成为纺织企业自动化体系中的“孤岛”。进入90 年代以来，现场总线技术以及基于该技术的控制系统在国内外引起人们高度重视，成为世界范围内的自动化技术发展的热点，它综合运用了微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力，不但提高了信号测量、控制和传输的精度，也为实现其远程传输创造了条件。在纺织工业由传统工业向现代工业转变的过程中，基于现场总线的控制技术为纺织工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展提供了机遇。本文通过对现场总线基本原理的介绍，比较了当今比较常用的几种现场总线的特点及应用场合，搭建了基于现场总线控制技术的数字化纺织生产系统的框架模型。2 现场总线的基本原理现场总线是当今3C（Computer、Communication、Control）技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。根据国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）标准和现场总线基金会（FF，Fieldbus Foundation）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络[2]。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统；使用公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线主要是面向过程控制，除传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，网络交换的数据单元是帧（Frame）。与集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 相比，现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）具有可靠性高以及更好的安全性、互换性和互操作性、开放性、分散性等优点。综上所述，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循ISO/OSI开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。3 常见的几种现场总线技术上世纪80 年代以来，国际上的知名大公司先后推出了几种工业现场总线和现场通讯协议，目前流行的主要有FF（Fieldbus Foundation 基金会现场总线）、Profibus（Process Fieldbus）、CAN（Controller Area Network 控制器局域网）、LonWorks （Local Operation Network 局部操作网）、WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol 世界工厂仪表协议）等。其主要技术差异及适用场合如下：3.1 FF 现场总线基金会现场总线以ISO/OSI 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通讯模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF 分低速H1 和高速H2 两种通讯速率。H1 的传输速率为1.25kbit/s，通讯距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。H2 的传输速率为1M 和2.5kbit/s 两种，其通讯距离分别为750m 和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC11582 标准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。主要应用在过程自动化领域，如：化工、电力、油田和废水处理等。3.2 Profibus 现场总线Profibus 系列由Profibus-DP、Profibus-FMS 和Profibus-PA 等3 个兼容部分组成。Profibus采用了OSI 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集。Profibus的传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，最大传输距离在12Mbit/s 时为100m，1.5Mbit/s 时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线和光缆。主要应用领域有：DP 型适合于加工自动化领域的应用，如制药、水泥、食品、电力、发电、输配电；FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化制造业自动化；PA 型则是用于过程自动化的总线类型。3.3 CAN 现场总线CAN 的网络设计采用了符合ISO/OSI 网络标准模型的三层结构模型：即物理层、数据链路层和应用层，网络的物理层和链路层的功能由CAN 接口器件完成，而应用层的功能由处理器来完成。通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；采用短帧结构，传输时间短，抗干扰；节点分不同优先级，可满足不同的实时性要求。其传输介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤等，通讯速率最高可达1Mbit/s（40m），直接传输距离最远可达10km（5kbit/s）。主要应用领域有：汽车制造、机器人、液压系统、分散性I/O、工具机床、医疗器械。3.4 Lonworks 现场总线LonWorks 采用了与OSI 参考模型相似的7 层协议结构，LonWorks 技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron 芯片。Neuron 芯片实现完整的LonWorks 的LonTalk 通信协议，节点间可以对等通信。LonWorks 通信速率为78K bit/s～1.25M bit/s，支持多种物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波及无线通信等；并支持多种拓扑结构，组网灵活。主要应用领域有：工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA 系统等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。3.5 WorldFIP 现场总线WorldFIP 现场总线体系结构分为过程级、控制级和监控级等3 级，其协议由物理层、数据链路层和应用层组成。其通信速率有31.25K bit/s、1M bit/s、2.5M bit/s、25M bit/s。传输介质采用屏蔽双绞线和光纤。它能满足用户的各种需要，适合于集中型、分散型和主站／从站型等多种类型的应用结构。用单一的WorldFIP 总线可满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。主要应用领域有：电力工业、铁路、交通、工业控制、楼宇。4 基于现场总线技术的纺织生产控制系统纺织工业的信息化建设是未来几年纺织工厂的追求和建设重点，而数字化的纺织生产体系正是其不可或缺的基础。它将全面提升纺织工厂的管理水平，对工厂的技术、质量、经济和服务推动的进步都将产生直接的明显的推进作用。数字化的纺织机械采用现代先进的控制技术：以CPU为核心的控制器，以电力电子技术为基础的新型驱动技术，以现场总线技术为代表的网络及高速数据通讯技术。实现数据的实时准确采集和高速传输，实现分布式、现场化和抗干扰性能的提高，实现生产过程的自动化、智能化，完成纺织机械与现代先进控制技术的结合，为纺织企业的信息化从设备层打下坚实的基础。按照网络的连接结构，一般将企业网络系统分为4层：控制层、监控层、管理层、信息层，基于现场总线技术的纺织生产信息化系统如图1。现场总线控制层是各种生产信息的来源。各种棉纺、织造、印染机械的控制器只要具有现场总线通讯接口，通过适当的编程，就可以将机械的运行数据实时传送到监控系统。现场总线监控层完成车间级设备检测和控制。应用组态软件编程和现场总线网络，整合车间内各个单台机械设备控制系统，以清晰友好的人机界面实现全车间设备的生产状态、产量、效率的监视，同时还可以对设备的工艺参数进行统一设置，故障报警、参数记录、显示历史趋势和实时曲线，生成和打印各种生产报表。管理层是工厂级的信息管理系统。控制系统均可以按照用户的需求，通过多种总线、工业网络建立数据库，对数据进行处理并分类送到各个管理部门，实现数据的查询、统计、分析和数据报表。现场总线信息层将控制过程、信息管理、通信网络融为一体，实现数据共享，有关人员登陆到Web 服务器，就可根据各自的权限监控到生产现场的设备的运行情况。5 应用案例由于现场总线技术在可靠性、开放性、经济性、全数字化传送方面具有无比的优越性，适应了现代纺织工业的高质量、低成本、小批量、多品种、快速响应、高效低耗、清洁生产的需要，目前，现场总线技术已经开始在纺纱、化纤、机织、针织、染整及服装等纺织机械设备中得到大量的应用，以简化生产系统组成结构，形成柔性化生产体系；保障产品质量，降低生产成本；促进了纺织工业的计算机集成化生产。
在国外推出的采用现场总线技术的化纤、织造及染整等设备中，将不同厂家标准的模块化的现场设备分散在机器的各个部位，利用控制网络集成技术将其组配成专用系统，系统硬件设计变得简单明了，降低了布线成本。例如，瑞士Sulze Textile 推出的G6300 剑杆织机，机器中的引纬、送经、卷取、织边均采用伺服电动机，主控制器为32 位的多处理器结构，织机中各现场设备用CAN 现场总线连接组成控制网络，织物规格的机织条件设定、控制数据转换均可远程控制或现场设定。德国THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染机，采用LonWorks现场总线控制网络结构的THEN-DYNET（TDN）控制系统，机器中的气流控制阀、进水出水阀、换热器控制阀等执行器，染液温度及布料速度等传感器均为具备功能自治的现场设备，并且作为整机控制网络中的一个节点与上位PLC 控制器连接。
 
我国自1993年起开始对现场总线进行研究，并于1996年正式将现场总线技术的研究和产品开发列为“九五”国家重点科技攻关项目，至1998年己有一些不完全的现场总线OEM新产品推出。国内纺织机械厂不失时机地积极引进先进的现场总线技术，结合各类纺织机械的功能特点，在现场总线产品的系统集成上进行了重点研究。如上海二纺机股份有限公司开发的四电机驱动的粗纱机采用了CAN总线。大容量涤纶纺丝、后处理生产线全部采用Profibus总线。上海太平洋机电集团在开发的年产3万吨涤纶短纤维成套设备中，研制了基于现场总线的控制系统，达到了国际同类产品的先进水平。6 结束语现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统—现场总线控制系统。现场总线控制系统作为工业自动化的发展方向，为我国纺织工业的自动化领域提供了良好的机遇。随着现场工业总线产品使用的普及，研发成本消化，生产成本降低，现场工业总线产品将大幅度应用于纺织工业自动化系统，现场工业总线系统技术将在纺织自动化中得到普遍使用和长足的发展。