現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在化纖紡織機(jī)械中的應(yīng)用

王 成

（寧波綠色紡織品有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著近年來(lái)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的全面發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了充分應(yīng)用。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)各種智能傳感技術(shù)、微處理器基礎(chǔ)和過(guò)程控制技術(shù)全面發(fā)展，在實(shí)際工作中已經(jīng)形成了更健全的控制系統(tǒng)—現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線就是在安裝或制造階段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置和控制室中的數(shù)字信息進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，是將現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，微處理器的主要作用就是對(duì)智能化儀器進(jìn)行檢測(cè)、控制和通信管理[1]。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要是在傳統(tǒng)測(cè)量和控制儀表中設(shè)置專用微處理器，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制器和設(shè)備的連接，保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算和設(shè)備的有效連接，引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算和通信、邏輯控制等功能發(fā)展，在完成獨(dú)立檢測(cè)工作后，及時(shí)操控現(xiàn)場(chǎng)智能儀器，形成更健全的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在運(yùn)行期間可以實(shí)現(xiàn)信息傳遞和數(shù)據(jù)共享，在滿足現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上推進(jìn)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)[2]。

2 常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

在數(shù)字化社會(huì)的發(fā)展背景下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法發(fā)揮穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)，因此在數(shù)字化技術(shù)推進(jìn)過(guò)程中，化纖紡織機(jī)械也加強(qiáng)了對(duì)新型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究[3]。當(dāng)前，國(guó)際運(yùn)行的總線和總線標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)百余種，但是在發(fā)展過(guò)程中，占據(jù)較大市場(chǎng)份額且產(chǎn)生了顯著影響的化纖紡織機(jī)械總線一共有3種。

2.1 過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（Progress Field Bus）是目前國(guó)際通用的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，也是唯一實(shí)現(xiàn)集成和工廠自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線解決的工作方案。在實(shí)際工作中，該總線不需要依賴產(chǎn)品制造商，對(duì)不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備也不需要進(jìn)行接口就可以實(shí)現(xiàn)通信要求。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線主要由3種協(xié)議類型組合而成，其中，PD的傳輸速率更高，為12.0 Mbit/s，可以在裝置級(jí)別和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別工作中發(fā)揮顯著的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)。PA傳輸速率為31.25 kbit/s，可以在現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程自動(dòng)化中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，具備顯著安全性特點(diǎn)和供電特征優(yōu)勢(shì)[4]。FMS可以在車間生產(chǎn)和廠房工作中進(jìn)行監(jiān)控，在構(gòu)建控制和管理一體化系統(tǒng)期間，實(shí)現(xiàn)信息集成。過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要由以下環(huán)節(jié)組成：（1）主站為可編程控制器，最常見(jiàn)的就是個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等主站類型，這類主站在具體工作中可以獨(dú)立完成編程、組態(tài)、通信和診斷。（2）主站為PLC（智能型、分散式和非智能型）、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具體接口要求，將過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分為3種類型：（1）總線接口型，指的是現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中不涵蓋過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線接口，因此，需要介質(zhì)分散式接口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也要積極進(jìn)行分組聯(lián)系，在通組中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集中系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，保證在具體模式操作期間可以充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)[5]。（2）單一總線型，主要是指在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中設(shè)置過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線接口，在該系統(tǒng)運(yùn)行期間，可以加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，在分布式系統(tǒng)作用下，充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。（3）混合型，主要是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中部分過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線需要采用分散式方法。其中，分散式在現(xiàn)場(chǎng)總線接口中的靈活性更強(qiáng)，集成效果顯著。

2.2 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線是德國(guó)在20世紀(jì)80年代為汽車領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)全新技術(shù)，主要處理PLC和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、過(guò)程控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，CAN接口位置達(dá)到網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能要求后，要確保處理器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線在通信期間受到短幀結(jié)構(gòu)的作用，可以充分發(fā)揮傳輸速度優(yōu)勢(shì)，在降低外部干擾影響的基礎(chǔ)上，達(dá)到實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

2.3 LonWorks總線

局部操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Local Operation Network，LonWorks）總線是美國(guó)提出的一項(xiàng)技術(shù)手段，該技術(shù)通信最小速度為300.00 kbit/s，最大速度達(dá)到1.5 Mbit/s。LonWorks總線主要借助無(wú)線電、電力線、光纖等多種物理通信介質(zhì)。在多種結(jié)構(gòu)的幫助下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也更全面，且在工業(yè)控制和樓宇自動(dòng)化發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)代化現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的差異

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)指的是設(shè)備層中的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備進(jìn)行連接的重要傳輸技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和傳統(tǒng)控制方法的區(qū)別主要集中為：（1）傳統(tǒng)控制系統(tǒng)階段，控制器和其他功能模塊作為同一系列產(chǎn)品，具備一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中，設(shè)備和模塊完成連接后，PLC需要及時(shí)和模塊相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)。（2）在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，通過(guò)傳感器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)總線接口，控制器可以更好地與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。

4 應(yīng)用案例

在近年來(lái)的設(shè)備發(fā)展中，國(guó)內(nèi)外紡織機(jī)械廠在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)方面的專業(yè)化水平不斷提升，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在紡紗、化纖、染整紡織機(jī)械領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)際化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)測(cè)量和設(shè)備控制要求，在不同現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的幫助下，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便，可在實(shí)際工作中發(fā)揮顯著的安全性優(yōu)勢(shì)，并且得到了生產(chǎn)商和制造商的廣泛認(rèn)同。國(guó)外在大容量滌綸紡絲和生產(chǎn)線處理過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不斷得到發(fā)展和優(yōu)化。

比如在大型滌綸短纖維紡絲聯(lián)合機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在化纖紡織機(jī)械中的應(yīng)用情況：某大型滌綸短纖維紡絲系指的是年產(chǎn)量在3萬(wàn)噸以上的滌綸短纖維直接紡絲工藝。主要工作流程為熔體分配、紡絲、牽引、喂入、輸出絲桶等。按照用戶差異性特點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)置期間還可以根據(jù)需求設(shè)置操作員、工程師總站等。紡絲聯(lián)合機(jī)在管控期間通常分為紡絲、卷繞喂入和盛絲3套系統(tǒng)，在控制過(guò)程中，將PLC作為主站，利用變頻器、現(xiàn)場(chǎng)管控的從站，保證通信過(guò)程中對(duì)DP總線運(yùn)轉(zhuǎn)的管理。PLC在工作中也可以設(shè)置總線，在人機(jī)界面設(shè)置觸摸屏，明確工藝參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管控、故障預(yù)警和查詢功能。在仿制控制系統(tǒng)中，需要及時(shí)對(duì)壓力、溫度等變化內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)管，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)管理，在人機(jī)交互界面完成工藝參數(shù)的設(shè)定和修改，在數(shù)據(jù)采集期間，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)流程的科學(xué)管控。

應(yīng)用示例：（1）交流伺服技術(shù)。在紡織設(shè)備中應(yīng)用交流伺服技術(shù)是為了提高設(shè)備的性能，滿足高精度控制的要求。目前已有高檔梳棉機(jī)、帶自調(diào)勻整的并條機(jī)、新型粗紗機(jī)、數(shù)控細(xì)紗機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)和圓網(wǎng)印花機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了交流伺服技術(shù)；（2）步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)裝置，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)聯(lián)系。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)；（3）交流變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速器幾乎在各個(gè)工序的機(jī)械上都得到了應(yīng)用，包括開(kāi)清棉機(jī)、梳棉機(jī)、條卷機(jī)、精梳機(jī)、并條機(jī)、粗紗機(jī)、細(xì)紗機(jī)和絡(luò)筒機(jī)等，還有漿紗機(jī)、整經(jīng)機(jī)等織造機(jī)械。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，社會(huì)各行業(yè)都實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定發(fā)展。其中，化纖領(lǐng)域?qū)θ罕娚a(chǎn)生活的影響更為深遠(yuǎn)。因此，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，不僅可以保證系統(tǒng)發(fā)展的穩(wěn)定性，還能彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的不足，促進(jìn)新型自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化發(fā)展。