现场总线控制系统在化纤纺织机械中的应用

王 成

（宁波绿色纺织品有限公司，浙江 宁波 315000）

随着近年来我国计算机技术、自动控制技术的全面发展，现场总线技术已经在工业控制系统中得到了充分应用。自20世纪90年代开始，我国各种智能传感技术、微处理器基础和过程控制技术全面发展，在实际工作中已经形成了更健全的控制系统—现场总线控制系统。

1 现场总线和现场总线控制系统概述

现场总线就是在安装或制造阶段对现场装置和控制室中的数字信息进行数据连接，是将现场智能设备和自动控制系统连接的网络结构。在网络节点中，微处理器的主要作用就是对智能化仪器进行检测、控制和通信管理[1]。现场总线控制系统主要是在传统测量和控制仪表中设置专用微处理器，通过自动化技术实现现场控制器和设备的连接，保证系统实现数字运算和设备的有效连接，引导系统实现数字运算和通信、逻辑控制等功能发展，在完成独立检测工作后，及时操控现场智能仪器，形成更健全的网络系统。现场总线控制系统在运行期间可以实现信息传递和数据共享，在满足现代化工业发展需求的基础上推进自动化和网络化建设[2]。

2 常见的现场总线控制系统

在数字化社会的发展背景下，传统控制系统已经无法发挥稳定优势，因此在数字化技术推进过程中，化纤纺织机械也加强了对新型计算机控制技术、现场总线网络通信技术的研究[3]。当前，国际运行的总线和总线标准共计百余种，但是在发展过程中，占据较大市场份额且产生了显著影响的化纤纺织机械总线一共有3种。

2.1 过程现场总线

过程现场总线（Progress Field Bus）是目前国际通用的开放式现场总线标准，也是唯一实现集成和工厂自动化现场总线解决的工作方案。在实际工作中，该总线不需要依赖产品制造商，对不同厂商生产的设备也不需要进行接口就可以实现通信要求。过程现场总线主要由3种协议类型组合而成，其中，PD的传输速率更高，为12.0 Mbit/s，可以在装置级别和现场级别工作中发挥显著的自动化优势。PA传输速率为31.25 kbit/s，可以在现场过程自动化中发挥优势，具备显著安全性特点和供电特征优势[4]。FMS可以在车间生产和厂房工作中进行监控，在构建控制和管理一体化系统期间，实现信息集成。过程现场总线控制系统主要由以下环节组成：（1）主站为可编程控制器，最常见的就是个人计算机（Personal Computer，PC）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等主站类型，这类主站在具体工作中可以独立完成编程、组态、通信和诊断。（2）主站为PLC（智能型、分散式和非智能型）、驱动器、执行机构和传感器等现场设备。按照现场设备具体接口要求，将过程现场总线控制系统分为3种类型：（1）总线接口型，指的是现场智能设备中不涵盖过程现场总线接口，因此，需要介质分散式接口进行现场设备连接。针对现场设备也要积极进行分组联系，在通组中对现场设备集中系统进行调整，保证在具体模式操作期间可以充分发挥现场总线技术优势[5]。（2）单一总线型，主要是指在现场设备中设置过程现场总线接口，在该系统运行期间，可以加强对现场总线技术的应用，在分布式系统作用下，充分发挥现场总线技术的应用优势。（3）混合型，主要是指现场设备中部分过程现场总线需要采用分散式方法。其中，分散式在现场总线接口中的灵活性更强，集成效果显著。

2.2 CAN现场总线

控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线是德国在20世纪80年代为汽车领域开发的一项全新技术，主要处理PLC和远程计算机、过程控制系统的通信网络问题。CAN现场总线分为物理层、数据链路层和应用层，CAN接口位置达到网络物理层和数据链路层功能要求后，要确保处理器实现应用层功能。CAN现场总线在通信期间受到短帧结构的作用，可以充分发挥传输速度优势，在降低外部干扰影响的基础上，达到实时性和可靠性要求。

2.3 LonWorks总线

局部操作网络技术（Local Operation Network，LonWorks）总线是美国提出的一项技术手段，该技术通信最小速度为300.00 kbit/s，最大速度达到1.5 Mbit/s。LonWorks总线主要借助无线电、电力线、光纤等多种物理通信介质。在多种结构的帮助下，网络系统也更全面，且在工业控制和楼宇自动化发展中实现了广泛应用。

现场总线控制系统的结构如图1所示。

图1 现场总线控制系统的结构

3 传统控制系统与现代化现场总线控制系统的差异

现场总线技术指的是设备层中的工业控制网络技术，是对现场智能设备进行连接的重要传输技术。研究发现，当前现场总线技术和传统控制方法的区别主要集中为：（1）传统控制系统阶段，控制器和其他功能模块作为同一系列产品，具备一致的物理结构设计方案，在传统PLC控制系统中，设备和模块完成连接后，PLC需要及时和模块相连，以实现对现场设备的控制和监测。（2）在现场总线控制系统中，通过传感器、开关设备、驱动器等现场总线接口，控制器可以更好地与现场设备连接。

4 应用案例

在近年来的设备发展中，国内外纺织机械厂在现场总线控制系统方面的专业化水平不断提升，现场总线控制系统在纺纱、化纤、染整纺织机械领域已得到广泛应用。国际化的现场设备转变了传统测量和设备控制要求，在不同现场总线技术的帮助下，现场总线系统的硬件设计更简便，可在实际工作中发挥显著的安全性优势，并且得到了生产商和制造商的广泛认同。国外在大容量涤纶纺丝和生产线处理过程中，现场总线控制系统不断得到发展和优化。

比如在大型涤纶短纤维纺丝联合机控制系统中，现场总线控制系统在化纤纺织机械中的应用情况：某大型涤纶短纤维纺丝系指的是年产量在3万吨以上的涤纶短纤维直接纺丝工艺。主要工作流程为熔体分配、纺丝、牵引、喂入、输出丝桶等。按照用户差异性特点，在系统设置期间还可以根据需求设置操作员、工程师总站等。纺丝联合机在管控期间通常分为纺丝、卷绕喂入和盛丝3套系统，在控制过程中，将PLC作为主站，利用变频器、现场管控的从站，保证通信过程中对DP总线运转的管理。PLC在工作中也可以设置总线，在人机界面设置触摸屏，明确工艺参数后，实现运行管控、故障预警和查询功能。在仿制控制系统中，需要及时对压力、温度等变化内容进行监管，设置现场管理，在人机交互界面完成工艺参数的设定和修改，在数据采集期间，完成对设备运转流程的科学管控。

应用示例：（1）交流伺服技术。在纺织设备中应用交流伺服技术是为了提高设备的性能，满足高精度控制的要求。目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机和圆网印花机等设备应用了交流伺服技术；（2）步进电机系统。步进电机是一种离散运动装置，和现代数字控制技术有着本质联系。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机；（3）交流变频调速技术。变频调速器几乎在各个工序的机械上都得到了应用，包括开清棉机、梳棉机、条卷机、精梳机、并条机、粗纱机、细纱机和络筒机等，还有浆纱机、整经机等织造机械。

5 结语

当前，我国科学技术水平不断提升，社会各行业都实现了稳定发展。其中，化纤领域对群众生产生活的影响更为深远。因此，在自动化控制系统中应用现场总线技术，不仅可以保证系统发展的稳定性，还能弥补传统控制系统的不足，促进新型自动控制系统的数字化和智能化发展。