纺织生产控制系统中现场总线的研究及其应用

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，InternationalElectrotechnicalCommission）标准和现场总线基金会（FF，FieldbusFoundation）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（DistributedControlSystem，DCS）相比，现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，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（FieldbusFoundation基金会现场总线）、Profibus（ProcessFieldbus）、 CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）、LonWorks（LocalOperationNetwork局部操作网）、WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol世界工厂仪表协议）等。其主要技术差异及适用场合如下：
3.1FF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。
3.2Profibus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。

3.3CAN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。
3.4Lonworks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 78Kbit/s～1.25Mbit/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。
3.5WorldFIP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 31.25Kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s、25Mbit/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。