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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 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 3.1 FF 现场总线 3.2 Profibus 现场总线 3.3 CAN 现场总线 3.4 Lonworks 现场总线 3.5 WorldFIP 现场总线 4 基于现场总线技术的纺织生产控制系统 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 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 |