隨著計算機技術,、通信技術和控制技術的發(fā)展,，現(xiàn)場總線技術逐漸被廣泛運用到工業(yè)控制系統(tǒng)中，在紡織工業(yè)中也開始得到應用,。本文介紹了現(xiàn)場總線的基本原理,，對現(xiàn)行的幾種現(xiàn)場總線進行了比較，在分析總結(jié)數(shù)字化紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)展新特點的基礎上,，介紹了現(xiàn)在國內(nèi)外紡織行業(yè)在應用現(xiàn)場總線方面的情況,。 
   
    1 引言 
    隨著我國紡織工業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，現(xiàn)代紡織技術將以電子信息技術為主導,，以智能化生產(chǎn)為主要特征[1],。目前，國產(chǎn)紡織機械設備控制系統(tǒng)的開發(fā)多側(cè)重于實現(xiàn)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(tǒng)內(nèi),，而忽略了系統(tǒng)的網(wǎng)絡化構(gòu)成,，其結(jié)果勢必使機器的結(jié)構(gòu)（特別是其控制系統(tǒng)）愈來愈復雜，使機器成為紡織企業(yè)自動化體系中的“孤島”,。進入90 年代以來,，現(xiàn)場總線技術以及基于該技術的控制系統(tǒng)在國內(nèi)外引起人們高度重視，成為世界范圍內(nèi)的自動化技術發(fā)展的熱點,，它綜合運用了微處理器技術,、網(wǎng)絡技術、通信技術和自動控制技術,，將微處理器置入現(xiàn)場自控設備,，使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力，不但提高了信號測量,、控制和傳輸?shù)木?，也為實現(xiàn)其遠程傳輸創(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)變的過程中,，基于現(xiàn)場總線的控制技術為紡織工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化,、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展提供了機遇,。本文通過對現(xiàn)場總線基本原理的介紹,，比較了當今比較常用的幾種現(xiàn)場總線的特點及應用場合，搭建了基于現(xiàn)場總線控制技術的數(shù)字化紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的框架模型,。 
    2 現(xiàn)場總線的基本原理 
    現(xiàn)場總線是當今3C（Computer,、Communication、Control）技術發(fā)展的結(jié)合點,，也是過程控制技術,、自動化儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的交匯點，是信息技術,、網(wǎng)絡技術的發(fā)展在控制領域的集中體現(xiàn),，是信息技術、網(wǎng)絡技術延伸到現(xiàn)場的必然結(jié)果,。 
    根據(jù)國際電工委員會（IEC,，International Electrotechnical Commission）標準和現(xiàn)場總線基金會（FF,，F(xiàn)ieldbus Foundation）的定義,，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸,、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡[2]?，F(xiàn)場總線技術將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其都具有數(shù)字計算和數(shù)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(wǎng)絡節(jié)點,。通過普通雙絞線把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡系統(tǒng),；使用公開,、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化測控設備之間,、以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控,、管理的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享,，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng),。 
    現(xiàn)場總線主要是面向過程控制，除傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外,，還可傳輸控制信息,，網(wǎng)絡交換的數(shù)據(jù)單元是幀（Frame）。與集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System,，DCS） 相比,，現(xiàn)場總線控制系統(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,、開放性、分散性等優(yōu)點,。 
    綜上所述,，現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通信網(wǎng)絡，它遵循ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的全部或部分通信協(xié)議,。 
    3 常見的幾種現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場總線和現(xiàn)場通訊協(xié)議，目前流行的主要有 FF（Fieldbus Foundation 基金會現(xiàn)場總線）,、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,。其主要技術差異及適用場合如下： 
    3.1 FF 現(xiàn)場總線 
    基金會現(xiàn)場總線以ISO/OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層,、數(shù)據(jù)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(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,、光纜和無線發(fā)射，協(xié)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(zhì)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(fā)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(yè)自動化；PA 型則是用于過程自動化的總線類型,。 
    3.3 CAN 現(xiàn)場總線 
    CAN 的網(wǎng)絡設計采用了符合ISO/OSI 網(wǎng)絡標準模型的三層結(jié)構(gòu)模型：即物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，網(wǎng)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(jié)構(gòu),，傳輸時間短，抗干擾,；節(jié)點分不同優(yōu)先級,，可滿足不同的實時性要求。其傳輸介質(zhì)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(tǒng),、分散性I/O,、工具機床、醫(yī)療器械,。 
    3.4 Lonworks 現(xiàn)場總線 
    LonWorks 采用了與OSI 參考模型相似的7 層協(xié)議結(jié)構(gòu),，LonWorks 技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron 芯片。 Neuron 芯片實現(xiàn)完整的LonWorks 的LonTalk 通信協(xié)議,，節(jié)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(zhì),，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(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活,。主要應用領域有：工業(yè)控制,、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集,、SCADA 系統(tǒng)等,，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡方面有優(yōu)越的性能。 
    3.5 WorldFIP 現(xiàn)場總線 
    WorldFIP 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)分為過程級,、控制級和監(jiān)控級等3 級,，其協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)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(zhì)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(jié)構(gòu),。用單一的WorldFIP 總線可滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動系統(tǒng)的需要,。主要應用領域有：電力工業(yè),、鐵路、交通,、工業(yè)控制,、樓宇。 
    4 基于現(xiàn)場總線技術的紡織生產(chǎn)控制系統(tǒng) 
    紡織工業(yè)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(shù)字化的紡織生產(chǎn)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(zhì)量,、經(jīng)濟和服務推動的進步都將產(chǎn)生直接的明顯的推進作用。 
    數(shù)字化的紡織機械采用現(xiàn)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(qū)動技術,，以現(xiàn)場總線技術為代表的網(wǎng)絡及高速數(shù)據(jù)通訊技術。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時準確采集和高速傳輸,，實現(xiàn)分布式,、現(xiàn)場化和抗干擾性能的提高，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化,、智能化,，完成紡織機械與現(xiàn)代先進控制技術的結(jié)合，為紡織企業(yè)的信息化從設備層打下堅實的基礎,。 
        現(xiàn)場總線控制層是各種生產(chǎn)信息的來源,。各種棉紡、織造,、印染機械的控制器只要具有現(xiàn)場總線通訊接口,，通過適當?shù)木幊蹋涂梢詫C械的運行數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線監(jiān)控層完成車間級設備檢測和控制,。應用組態(tài)軟件編程和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，整合車間內(nèi)各個單臺機械設備控制系統(tǒng),，以清晰友好的人機界面實現(xiàn)全車間設備的生產(chǎn)狀態(tài),、產(chǎn)量、效率的監(jiān)視，同時還可以對設備的工藝參數(shù)進行統(tǒng)一設置,，故障報警,、參數(shù)記錄、顯示歷史趨勢和實時曲線,，生成和打印各種生產(chǎn)報表,。管理層是工廠級的信息管理系統(tǒng),?？刂葡到y(tǒng)均可以按照用戶的需求，通過多種總線,、工業(yè)網(wǎng)絡建立數(shù)據(jù)庫,，對數(shù)據(jù)進行處理并分類送到各個管理部門，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢,、統(tǒng)計,、分析和數(shù)據(jù)報表。現(xiàn)場總線信息層將控制過程,、信息管理,、通信網(wǎng)絡融為一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,，有關人員登陸到Web 服務器,，就可根據(jù)各自的權限監(jiān)控到生產(chǎn)現(xiàn)場的設備的運行情況。 
    5 應用案例 
    由于現(xiàn)場總線技術在可靠性,、開放性,、經(jīng)濟性、全數(shù)字化傳送方面具有無比的優(yōu)越性,，適應了現(xiàn)代紡織工業(yè)的高質(zhì)量,、低成本、小批量,、多品種,、快速響應、高效低耗,、清潔生產(chǎn)的需要,，目前，現(xiàn)場總線技術已經(jīng)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(chǎn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，形成柔性化生產(chǎn)體系；保障產(chǎn)品質(zhì)量,，降低生產(chǎn)成本,；促進了紡織工業(yè)的計算機集成化生產(chǎn)。 
    在國外推出的采用現(xiàn)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(xiàn)場設備分散在機器的各個部位，利用控制網(wǎng)絡集成技術將其組配成專用系統(tǒng),，系統(tǒng)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(jīng),、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(jié)構(gòu),，織機中各現(xiàn)場設備用CAN 現(xiàn)場總線連接組成控制網(wǎng)絡,，織物規(guī)格的機織條件設定、控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換均可遠程控制或現(xiàn)場設定,。德國THEN 推出的AIRFLOW AFT 匹染機,，采用LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的THEN- DYNET（TDN）控制系統(tǒng)，機器中的氣流控制閥,、進水出水閥,、換熱器控制閥等執(zhí)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(xiàn)場設備,，并且作為整機控制網(wǎng)絡中的一個節(jié)點與上位PLC 控制器連接,。 
    我國自1993年起開始對現(xiàn)場總線進行研究，并于1996年正式將現(xiàn)場總線技術的研究和產(chǎn)品開發(fā)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(xiàn)場總線OEM新產(chǎn)品推出,。國內(nèi)紡織機械廠不失時機地積極引進先進的現(xiàn)場總線技術，結(jié)合各類紡織機械的功能特點,，在現(xiàn)場總線產(chǎn)品的系統(tǒng)集成上進行了重點研究,。如上海二紡機股份有限公司開發(fā)的四電機驅(qū)動的粗紗機采用了CAN總線。大容量滌綸紡絲,、后處理生產(chǎn)線全部采用Profibus總線,。上海太平洋機電集團在開發(fā)的年產(chǎn)3萬噸滌綸短纖維成套設備中，研制了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng),，達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平,。 
    6 結(jié)束語 
    現(xiàn)場總線技術是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著智能化,、數(shù)字化,、信息化、網(wǎng)絡化,、分散化的方向邁進,，形成新型的網(wǎng)絡集成式全分布式控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為工業(yè)自動化的發(fā)展方向,，為我國紡織工業(yè)的自動化領域提供了良好的機遇,。隨著現(xiàn)場工業(yè)總線產(chǎn)品使用的普及，研發(fā)成本消化,，生產(chǎn)成本降低,，現(xiàn)場工業(yè)總線產(chǎn)品將大幅度應用于紡織工業(yè)自動化系統(tǒng),，現(xiàn)場工業(yè)總線系統(tǒng)技術將在紡織自動化中得到普遍使用和長足的發(fā)展,。 
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