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隨著計算機技術、通信技術和控制技術的發展，現場總線技術逐漸被廣泛運用到工業控制系統中，在紡織工業中也開始得到應用。本文介紹了現場總線的基本原理，對現行的幾種現場總線進行了比較，在分析總結數字化紡織生產控制系統發展新特點的基礎上，介紹了現在國內外紡織行業在應用現場總線方面的情況。 1 引言 隨著我國紡織工業持續快速的發展，現代紡織技術將以電子信息技術為主導，以智能化生產為主要特征[1]。目前，國產紡織機械設備控制系統的開發多側重于實現單臺設備的紡織工藝性能自動化，將機器所具有的先進功能封閉在單機系統內，而忽略了系統的網絡化構成，其結果勢必使機器的結構（特別是其控制系統）愈來愈復雜，使機器成為紡織企業自動化體系中的“孤島”。進入90 年代以來，現場總線技術以及基于該技術的控制系統在國內外引起人們高度重視，成為世界范圍內的自動化技術發展的熱點，它綜合運用了微處理器技術、網絡技術、通信技術和自動控制技術，將微處理器置入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信的能力，不但提高了信號測量、控制和傳輸的精度，也為實現其遠程傳輸創造了條件。 在紡織工業由傳統工業向現代工業轉變的過程中，基于現場總線的控制技術為紡織工業控制系統向分散化、網絡化、智能化的發展提供了機遇。本文通過對現場總線基本原理的介紹，比較了當今比較常用的幾種現場總線的特點及應用場合，搭建了基于現場總線控制技術的數字化紡織生產系統的框架模型。 2 現場總線的基本原理 現場總線是當今3C（Computer、Communication、Control）技術發展的結合點，也是過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術發展的交匯點，是信息技術、網絡技術的發展在控制領域的集中體現，是信息技術、網絡技術延伸到現場的必然結果。 根據國際電工委員會（IEC，International Electrotechnical Commission）標準和現場總線基金會（FF，Fieldbus Foundation）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡[2]。現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其都具有數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些檢測、控制和通信任務的網絡節點。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接成的網絡系統；使用公開、規范的通信協議，在位于生產控制現場的多個微機化測控設備之間、以及現場儀表與用作監控、管理的遠程計算機之間，實現數據傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統。 現場總線主要是面向過程控制，除傳輸數字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，網絡交換的數據單元是幀（Frame）。與集散控制系統（Distributed Control System，DCS） 相比，現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）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、分散性等優點。 綜上所述，現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通信網絡，它遵循ISO/OSI開放系統互聯參考模型的全部或部分通信協議。 3 常見的幾種現場總線技術 上世紀80 年代以來，國際上的知名大公司先后推出了幾種工業現場總線和現場通訊協議，目前流行的主要有FF（Fieldbus Foundation 基金會現場總線）、Profibus（Process Fieldbus）、CAN（Controller Area Network 控制器局域網）、LonWorks （Local Operation Network 局部操作網）、WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol 世界工廠儀表協議）等。其主要技術差異及適用場合如下： 3.1 FF 現場總線 基金會現場總線以ISO/OSI 開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF 通訊模型的相應層次，并在應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1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防暴環境。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。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC11582 標準，物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。主要應用在過程自動化領域，如：化工、電力、油田和廢水處理等。 3.2 Profibus 現場總線 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、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集。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。其傳輸介質可以是雙絞線和光纜。主要應用領域有：DP 型適合于加工自動化領域的應用，如制藥、水泥、食品、電力、發電、輸配電；FMS 適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化制造業自動化；PA 型則是用于過程自動化的總線類型。 3.3 CAN 現場總線 CAN 的網絡設計采用了符合ISO/OSI 網絡標準模型的三層結構模型：即物理層、數據鏈路層和應用層，網絡的物理層和鏈路層的功能由CAN 接口器件完成，而應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；采用短幀結構，傳輸時間短，抗干擾；節點分不同優先級，可滿足不同的實時性要求。其傳輸介質可以用雙絞線、同軸電纜或光纖等，通訊速率最高可達1Mbit/s（40m），直接傳輸距離最遠可達10km（5kbit/s）。主要應用領域有：汽車制造、機器人、液壓系統、分散性I/O、工具機床、醫療器械。 3.4 Lonworks 現場總線 LonWorks 采用了與OSI 參考模型相似的7 層協議結構，LonWorks 技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron 芯片。Neuron 芯片實現完整的LonWorks 的LonTalk 通信協議，節點間可以對等通信。LonWorks 通信速率為78K bit/s～1.25M bit/s，支持多種物理介質，有雙絞線、光纖、同軸電纜、電力線載波及無線通信等；并支持多種拓撲結構，組網靈活。主要應用領域有：工業控制、樓宇自動化、數據采集、SCADA 系統等，在組建分布式監控網絡方面有優越的性能。 3.5 WorldFIP 現場總線 WorldFIP 現場總線體系結構分為過程級、控制級和監控級等3 級，其協議由物理層、數據鏈路層和應用層組成。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用結構。用單一的WorldFIP 總線可滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅動系統的需要。主要應用領域有：電力工業、鐵路、交通、工業控制、樓宇。 4 基于現場總線技術的紡織生產控制系統 紡織工業的信息化建設是未來幾年紡織工廠的追求和建設重點，而數字化的紡織生產體系正是其不可或缺的基礎。它將全面提升紡織工廠的管理水平，對工廠的技術、質量、經濟和服務推動的進步都將產生直接的明顯的推進作用。 數字化的紡織機械采用現代先進的控制技術：以CPU為核心的控制器，以電力電子技術為基礎的新型驅動技術，以現場總線技術為代表的網絡及高速數據通訊技術。實現數據的實時準確采集和高速傳輸，實現分布式、現場化和抗干擾性能的提高，實現生產過程的自動化、智能化，完成紡織機械與現代先進控制技術的結合，為紡織企業的信息化從設備層打下堅實的基礎。 按照網絡的連接結構，一般將企業網絡系統分為4層：控制層、監控層、管理層、信息層，基于現場總線技術的紡織生產信息化系統如圖1。 現場總線控制層是各種生產信息的來源。各種棉紡、織造、印染機械的控制器只要具有現場總線通訊接口，通過適當的編程，就可以將機械的運行數據實時傳送到監控系統。現場總線監控層完成車間級設備檢測和控制。應用組態軟件編程和現場總線網絡，整合車間內各個單臺機械設備控制系統，以清晰友好的人機界面實現全車間設備的生產狀態、產量、效率的監視，同時還可以對設備的工藝參數進行統一設置，故障報警、參數記錄、顯示歷史趨勢和實時曲線，生成和打印各種生產報表。管理層是工廠級的信息管理系統。控制系統均可以按照用戶的需求，通過多種總線、工業網絡建立數據庫，對數據進行處理并分類送到各個管理部門，實現數據的查詢、統計、分析和數據報表。現場總線信息層將控制過程、信息管理、通信網絡融為一體，實現數據共享，有關人員登陸到Web 服務器，就可根據各自的權限監控到生產現場的設備的運行情況。 5 應用案例 由于現場總線技術在可靠性、開放性、經濟性、全數字化傳送方面具有無比的優越性，適應了現代紡織工業的高質量、低成本、小批量、多品種、快速響應、高效低耗、清潔生產的需要，目前，現場總線技術已經開始在紡紗、化纖、機織、針織、染整及服裝等紡織機械設備中得到大量的應用，以簡化生產系統組成結構，形成柔性化生產體系；保障產品質量，降低生產成本；促進了紡織工業的計算機集成化生產。 在國外推出的采用現場總線技術的化纖、織造及染整等設備中，將不同廠家標準的模塊化的現場設備分散在機器的各個部位，利用控制網絡集成技術將其組配成專用系統，系統硬件設計變得簡單明了，降低了布線成本。例如，瑞士Sulze Textile 推出的G6300 劍桿織機，機器中的引緯、送經、卷取、織邊均采用伺服電動機，主控制器為32 位的多處理器結構，織機中各現場設備用CAN 現場總線連接組成控制網絡，織物規格的機織條件設定、控制數據轉換均可遠程控制或現場設定。德國THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染機，采用LonWorks現場總線控制網絡結構的THEN-DYNET（TDN）控制系統，機器中的氣流控制閥、進水出水閥、換熱器控制閥等執行器，染液溫度及布料速度等傳感器均為具備功能自治的現場設備，并且作為整機控制網絡中的一個節點與上位PLC 控制器連接。 我國自1993年起開始對現場總線進行研究，并于1996年正式將現場總線技術的研究和產品開發列為“九五”國家重點科技攻關項目，至1998年己有一些不完全的現場總線OEM新產品推出。國內紡織機械廠不失時機地積極引進先進的現場總線技術，結合各類紡織機械的功能特點，在現場總線產品的系統集成上進行了重點研究。如上海二紡機股份有限公司開發的四電機驅動的粗紗機采用了CAN總線。大容量滌綸紡絲、后處理生產線全部采用Profibus總線。上海太平洋機電集團在開發的年產3萬噸滌綸短纖維成套設備中，研制了基于現場總線的控制系統，達到了國際同類產品的先進水平。 6 結束語 現場總線技術是當今自動化領域技術發展的熱點之一，它的出現使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化，使自控系統朝著智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化的方向邁進，形成新型的網絡集成式全分布式控制系統—現場總線控制系統。現場總線控制系統作為工業自動化的發展方向，為我國紡織工業的自動化領域提供了良好的機遇。隨著現場工業總線產品使用的普及，研發成本消化，生產成本降低，現場工業總線產品將大幅度應用于紡織工業自動化系統，現場工業總線系統技術將在紡織自動化中得到普遍使用和長足的發展。 |
