6ES7235-0KD22-0XA8选型手册

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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

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**(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**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较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**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**部分的子集。Profibus的传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，较大传输距离在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、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**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**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，通讯速率较高可达1Mbit/s(40m)，直接传输距离较远可达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、SA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。

4 基于现场总线技术的纺织生产控制系统

纺织工业的信息化建设是未来几年纺织工厂的追求和建设重点，而数字化的纺织生产体系正是其的基础。它将全面提升纺织工厂的管理水平，对工厂的技术、质量、经济务推动的进步都将产生直接的明显的推进作用。

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

由于现场总线技术在可靠性、开放性、经济性、全数字化传送方面具有无比的优越性，适应了现代纺织工业的高质量、、小批量、多品种、快速响应、低耗、清洁生产的需要，目前，现场总线技术已经开始在纺纱、化纤、机织、针织、染整及服装等纺织机械设备中得到大量的应用，以简化生产系统组成结构，形成柔性化生产体系；**产品质量，降低生产成本；促进了纺织工业的计算机集成化生产。

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**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SulzeTextile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AIRFLOWAFT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

现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，它的出现使传统的控制系统结构产生了性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统—现场总线控制系统。现场总线控制系统作为工业自动化的发展方向，为我国纺织工业的自动化领域提供了良好的机遇。随着现场工业总线产品使用的普及，研发成本消化，生产成本降低，现场工业总线产品将大幅度应用于纺织工业自动化系统，现场工业总线系统技术将在纺织自动化中得到普遍使用和长足的发展。

一、前言

随着人类社会文明的不断进步，生产技术迅猛发展，尤其计算机技术和通信技术的飞速前进，使我国工业生产的自动化程度不断完善，节约了生产成本、解放了生产力，生产效率也得到提高。尤其随着我国电力的紧缺，全国各地电力项目的启动，使各生产DCS系统的生产企业有了广阔的市场。

虽然电力项目增多，但是人们对DCS系统的要求却更高了。人们不在是单纯的要求增加控制功能这样简单的问题，而是要求增强DCS系统可靠性和稳定性，减少运行人员的操作量，减少检修人员的工作量，提高DCS自动化水平，对过程控制响应快，减少通信部分的故障。

当前新建电厂的主要特点就是要求控制系统自动化程度高，维护和运行人员少，机组能够长周期稳定运行，而能够实现这些主要还是依赖使用的控制系统可靠性、稳定性和具有的强大控制功能。

DCS控制系统的意义在于“分散控制，集中管理”。过程控制分散好处就在于把危险分散，由于过程控制器完成的功能不同，承担的任务不同，所以当一个控制器出现问题，不会影响其他控制器稳定运行，同时集中管理是把分散的部分集中管理，协调分散的控制器能够共同完成一项控制任务。以往的控制系统确实也体现了这种意义。各DCS生产厂家在生产实践中不断的总结经验，对控制系统不断的改进，使DCS系统日趋完善。现有DCS系统虽然成熟，但各生产厂家生产DCS系统时都使用自己的**技术，并严格保密自己的技术，如果需要与不同的系统通信只有借助网关等设备完成。

借助网关通信对管理系统和日常生活使用的网络十分适合，但是用于工业控制就存在很多问题，在我们七台河电厂的一期两台机组控制系统DCS部分是美国Honeywell公司的TDC3000系统而汽轮机主机部分的控制系统是GE公司的MARKV控制系统，由于两种控制系统的网络构成、网络协议的不同所以在通信方面存在问题，基于上述原因两个系统的联络都是依靠信号线硬线连接，这样虽然可靠性增加，但是却增加了系统的负荷率，违反了DCS系统的运行规范。所以寻求这种矛盾的途径就是采用使用了现场总线技术的控制系统。

二、现场总线的特点及优点

现场总线是生产过程区域现场设备/仪表和控制室系统之间的一种串行、数字式的双向通信的数据总线，是一门新兴的技术，同时也是控制系统今后主要的发展方向。这种新兴的技术在不久后就会全面应用于工业生产中。这种技术不只是新颖，而且设计思想对生产自动化程度以及生产效率的提高都有益处。

现场总线技术所具有的特点：

1、有较强的开放性。

    现场总线较大程度的开放了控制系统，通信协议一致开放，使用户在选择控制系统时不多考虑技术和设备的问题存在，各个厂家只要遵从标准，就完全可以实现不同厂家的设备之间实现信息互换。

2、现场总线具有互操作性和互用性。

     互操作性在互联的设备之间，系统之间的信息的传递与沟通，相互之间设备虽然来自不同厂家但是由于协议相同，可互相完成相同的工作。

     互用性不同厂家的设备如果有着相似的功能就可以相互替代，这样在设备损坏的情况下，可以使用不同厂家的设备，提高现场缺陷的。

3、控制系统的精性高。

     由于现场总线采用的是数字化通信的方式，所以不需要像DCS那样进行A/D和D/A转换，没有了D/A和A/D转换传输的数据精度就提高了，通信的速度也提高了，从而系统运行可靠性得到改善。

4、现场总线的使控制系统的就地控制分散性加强。

现场总线所连接现场设备都是高度智能化的设备，在这样的设备当中都设计了自己的控制回路，完全独立完成对现场工况的闭环控制，减少由于控制站故障的原因而引起的机组停运设备损坏的事故发生。

    现场总线的优点：

1、减少由于设备信号制不统一而出现的检修烦琐问题。

    我们现有的很多DCS系统使用的信号并不是统一的标准，模拟量信号包括有4-20Ma、0-5V的不同的电流、电压信号给检修工作带来大的不方便。而采用现场总线控制系统完全没有这种不便利的因素存在，在数据线上以相同的形式传送数据，增强了数据的可信度。

2、减少维修工作量，提高工作效率。

现场总线和就地设备都是通过网络进行，人们在进行维修工作时对现场设备的检查完全可以在工程师站或操作员站得以实现，对现场设备的设置通过网络直接下载到现场设备当中，并通过定期对参数的检查间接的确定设备是否故障，另外采用现场总线的控制系统的报警不单可以对现场控制站出现的硬件故障进行诊断分析，查明故障原因，通过工程师和操作员站的报警来提示检修人员进行设备维护。

3、在一定程度上提高机组的安全性。

    现在的DCS系统有很多情况下出现信号接地把控制系统的IO卡件烧毁或控制系统的电源短路失电，造成系统在故障状态下运行，或者出现非计划停运。这种事故出现后排查起来十分困难，既费工又费时。而现场总线的产生，轻而易举的解决这累问题，同时对查找出现故障的设备提供方便。

4、现场设备的免维护量提高。

由于采用了现场智能设备，所以检修工作大大降低，同时现场设备免维护的量加大，设备可以保证能够长周期稳定的运行。七台河电厂现场的HONEYWELL变送器是一种智能型变送器，此变送器的精度很高达到了0.1%,在检修的过程中,对此变送器热工专业一对重要参数的变送器抽检,在检验过程发现这种变送器性能十分好,基本可以达到免维护的要求。

虽然现场总线技术在电厂中有很广泛应用，但是现在还有很多的问题没有完全解决，所以现场总线的并没有完全应用到现场DCS系统中。

三、应注意的几个问题

1、现场总线噪音问题

现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方，就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全噪音。

2、冗余问题

现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的，因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。虽然是这样，但是由于没有冗余功能，所以一旦总线故障，虽然可以完全依靠就地来完成功能调节，却无法让运行人员监视到全系统运行状况，按照热控的检修标准在控制系统机组主要运行参数的监视就应该停止机组运行，所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。

3、维修成本较高

如果在以往的DCS系统改为有现场总线技术的DCS系统，现场的设备需要全部更换，以便适应现场总线的需要，现场智能设备承担的调节功能增加也会使其造价的成本增加，同样维修中，如果更换一样仪表都会有很昂贵的费用。减低这种费用就要选择信誉较好的厂家，使用其设备，如果设备的性能好，对环境适应能力强，同样可以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。

4、对机组保护设计应重点考虑

    电厂中热控较重要的是对热控保护的严格设计，防止保护不发生误动同时也要保证保护不发生拒动，要求在控制系统的IO卡件以及设备上要求采用三取二的要求：如汽包水位变送器设计、炉膛负压的设计在DCS上要求现场的三个设备分别进入三个不相同的IO卡件当中，三个不同的IO卡件分属不同的控制站，达到保护不因为一个设备、一个IO卡件、一个控制站的故障而导致的保护误动现象。

现场总线对这方面应该着重考虑，由于现场总线现场布置需要我们改变这种设计，否则就要增加费用，如就地设备需要在就地完成三取二功能，而且信号需要分别与三条就地总线到达三个控制柜，这无疑增加了工作量，同时也增加了费用，只有这样才能达到现场的设计要求。

现场的总线现在还存在着一定的缺陷，所以在电厂中在大多数的监视系统和外围设备上应用广泛，原因就是外围设备的缺陷和停运不会对主业生产造成影响，同时总线用于外围设备控制可以使控制系统设计简洁明快