DeviceNet現(xiàn)場總線的汽車涂裝線控制系統(tǒng)設(shè)計

一、概述

DeviceNet現(xiàn)場總線是世界一流的自動化控制和信息解決方案供應(yīng)商美國羅克韋爾自動化(Rockwell Automation)公司推出的最優(yōu)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)NetLinx的底層網(wǎng)絡(luò)。

1.1 DeviceNet系統(tǒng)組成：

一個完整的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)由以下幾部分組成：

① 主控器(PLC或PC)

② 現(xiàn)場輸入/輸出模塊：用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置，如：傳感器、按鈕、指示燈、閥門、變送器等，產(chǎn)品包括可直接安裝在惡劣工業(yè)環(huán)境的IP67防護等級的輸入/輸出模塊和適合安裝在操作臺和控制柜中的IP20防護等級的輸入/輸出模塊。

③ 其他現(xiàn)場裝置：變頻器，人機界面等復(fù)雜的現(xiàn)場裝置，可以通過獨立的DeviceNet接口連接到現(xiàn)場總線上，以獲取更多的信息。

④電纜及網(wǎng)絡(luò)附件：各種總線電纜、輔助電源電纜、連接現(xiàn)場輸入/輸出裝置的電纜和接插件、無源多端口接線盒、總線T型頭、電源T型頭、終端電阻等。

1.2 DeviceNet系統(tǒng)特點：

① DeviceNet具有強大的抗電磁干擾的能力。

② 軟件支持在線自動建立系統(tǒng)，使用更方便。網(wǎng)絡(luò)最多支持64個節(jié)點。

③ 總線電源與通訊信號使用同一電纜。

④ 通訊速率/通訊距離。

在汽車生產(chǎn)線中，輸送設(shè)備是汽車生產(chǎn)流水線的主干，高效率的汽車生產(chǎn)必然要求先進的生產(chǎn)線控制方式。早期采用的是傳統(tǒng)的PLC集中控制，控制系統(tǒng)精度低、操作不便;所有的數(shù)字量與模擬量I/O點均從PLC柜內(nèi)接線，導(dǎo)線用量大、布線復(fù)雜、故障率高，給現(xiàn)場調(diào)試和維護帶來了諸多不便，嚴重地影響了生產(chǎn)，已不適應(yīng)現(xiàn)代化汽車企業(yè)的生產(chǎn)要求。

針對上述存在問題，提出一種在汽車生產(chǎn)過程中進行車身輸送并實現(xiàn)自動化控制的系統(tǒng)。

二、汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)主要組成

上海匯眾汽車儀征輕客基地油漆車間包括前處理、電泳底漆、密封膠、中涂漆、面漆和空腔注蠟等工序。

本汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，包括輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)，其中：

輸送系統(tǒng)包括用于將車身輸送至各個工序的鏈條輸送機、滾床、移行機、旋轉(zhuǎn)裝置、升降機以及多個檢測單元;

控制系統(tǒng)包括電泳烘干控制模塊、噴涂控制模塊和面漆檢查控制模塊，基于DeviceNet現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)，其上連接的輸入設(shè)備有按鈕、急停開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、行程開關(guān)和PLC，用于通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制上述輸送系統(tǒng)的傳輸;

輸出系統(tǒng)基于EtherNet網(wǎng)絡(luò)，用于將電泳烘干控制模塊、噴涂控制模塊和面漆檢查控制模塊與EtherNet上的監(jiān)控計算機連接，應(yīng)用組態(tài)軟件可以顯示各生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)、自動故障報警，記錄故障點，調(diào)出相關(guān)的控制程序。

2.2 各分系統(tǒng)主要組成

基于DeviceNet及As-i現(xiàn)場總線的汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，共分為三個工序: 電泳烘干工序、噴涂工序和面漆檢查工序。以上三個工序各自使用一組控制模塊，電泳烘干控制模塊、噴涂控制模塊和面漆檢查控制模塊，每組控制柜各配有一套 OMRON CS1系列PLC，三臺PLC將通過Controller Link網(wǎng)連接，同時通過Ethernet網(wǎng)連接監(jiān)控計算機。每套PLC還采用一個人機界面作現(xiàn)場監(jiān)控。

圖1是本汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，包括輸送系統(tǒng)1、控制系統(tǒng)2和輸出系統(tǒng)3，其中：輸送系統(tǒng)1包括用于將車身輸送至各個工序的鏈條輸送機、滾床、移行機、旋轉(zhuǎn)裝置、升降機，輸送系統(tǒng)還包括吊掛車身的懸掛積放鏈、用于運送車身的空中滑橇系統(tǒng)、用于移動車身的地面滑橇系統(tǒng)、升降機、移行機等。設(shè)備數(shù)量多，具有高度的分散性，這導(dǎo)致I/O點數(shù)多，控制線路長。須采用以DeviceNet為底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

圖1 汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的示意

控制系統(tǒng)2包括電泳烘干控制模塊、噴涂控制模塊和面漆檢查控制模塊，各個控制模塊基于DeviceNet現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)，其上連接的輸入設(shè)備有按鈕、急停開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、行程開關(guān)和中控計算機(PLC)，用于通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制上述輸送系統(tǒng)的傳輸，并通過 Controller Link使各個工序之間相互通信。Controler Link是OMRON的主要的FA級別的網(wǎng)絡(luò)，它支持在PLC之間及PLC和上位機之間的自動數(shù)據(jù)鏈接，也可以使用信息服務(wù)進行可編程的數(shù)據(jù)傳送，可以得到高容量，柔性數(shù)據(jù)鏈接及高容量的數(shù)據(jù)傳送，對低成本的通信系統(tǒng)，可使用雙絞線電纜。

輸出系統(tǒng)3將電泳烘干控制模塊的PLC連接到 EtherNet上的監(jiān)視計算機3，應(yīng)用組態(tài)軟件可以顯示各生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)、自動故障報警，紀錄故障點，調(diào)出相關(guān)的控制程序，可執(zhí)行多種通信：用TCP/IP傳送數(shù)據(jù)或UDP/IP Socket Services,執(zhí)行OMRON標準FINS指令，用FINS傳送數(shù)據(jù)或用STMP傳送郵件，根據(jù)需要選擇通信服務(wù)，并將PLC柔性的連接到信息級別的 Ethernet網(wǎng)絡(luò)上。

圖2 汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的電泳烘干工序現(xiàn)場平面圖

圖2是電泳烘干工序現(xiàn)場平面圖，電泳烘干及冷卻部分輸送系統(tǒng)是整個涂裝生產(chǎn)線的長度是最長的，輸送線的任務(wù)就是把工件按照人的要求從位置A移向位置B,動作方式多種多樣,有直線、旋轉(zhuǎn)、上下、按需停止、不同速度的切換等等。實現(xiàn)同樣功能的往往是相同類型的設(shè)備，所以整個生產(chǎn)線的設(shè)備類型有限而依靠控制來實現(xiàn)參數(shù)不同的功能。汽車生產(chǎn)輸送線常見設(shè)備有鏈條輸送機、滾床、移行機、旋轉(zhuǎn)裝置、升降機等等。

在此以生產(chǎn)線的一部分(電泳烘干及冷卻)的設(shè)計過程為例(此部分包括幾個典型的輸送設(shè)備)，來說明控制任務(wù)是如何通過基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。此部分生產(chǎn)線輸送設(shè)備的任務(wù)是完成電泳烘干到打磨前的工件輸送。按流程順序它包括鏈式升降機PL-C1(4m)、單速滾床PGD-C7(6m)、雙速滾床PGS-C1(2.7m)、電泳烘干雙鏈(52.1m)、雙速滾床PGS-C2(2.7m)、鏈式升降機PL-C2(4m)、單速滾床PGD- C8(6m)、單速滾床PGD-C9(8.9m)、單速滾床PGD-C10(6m)、移行裝置(PTR-C1)、旋轉(zhuǎn)裝置(PRO-C3)、單鏈LD- 2(74.6m)、停止器ST-C2、停止器ST- C2-1。設(shè)備自動運行時的主要依據(jù)是車身位置。一般情況下單速滾床需布置檢測點和停止點，雙速滾床需布置檢測點和減速點，停止器需設(shè)占位、開端、閉端、復(fù)位，升降機需設(shè)上限、下限、上升減速、下降減速、上升限位、下降限位以及斷鏈保護，移行裝置和旋轉(zhuǎn)裝置各需設(shè)兩個位置檢測及一個減速點。減速點的使用一般都起到緩沖高速的作用。在貫通上下樓層的升降機旁側(cè)還需布置作業(yè)人員侵入的檢測點，以防事故發(fā)生。這樣，整個涂裝車間將使用大量的位置傳感器，包括接近開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)、壓力開關(guān)等。[!--empirenews.page--]

圖3控制系統(tǒng)現(xiàn)場檢測單元通過AS-I網(wǎng)關(guān)與DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖

如圖3所示，本汽車涂裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，中控計算機PLC通過AS-I網(wǎng)關(guān)與輸送系統(tǒng)中的各個檢測單元進行信息轉(zhuǎn)換傳輸。各個工序的控制模塊，電泳烘干控制模塊、噴涂控制模塊和面漆檢查控制模塊中的中控計算機與現(xiàn)場總線之間是不能直接連接的，現(xiàn)場的檢測開關(guān)分布非常分散，而這些檢測點的信息需要輸入到位于控制柜中的PLC，如果采用傳統(tǒng)的方法，每個輸入點的信號單獨送到PLC的基本輸入單元，可以想象現(xiàn)場的布線將非常復(fù)雜和繁瑣，導(dǎo)致工程費用高，接線時間長，采用現(xiàn)場總線的方法，可以解決原來的種種弊端。

現(xiàn)場總線方式相當于把輸入輸出(I/O)模塊放到了現(xiàn)場的各個角落，各個檢測點可以近距離把信號送到輸入模塊,指示燈和電磁閥等需要的輸出信號也可以就近從輸出模塊中獲得。

圖中的每個分布于現(xiàn)場的各個模塊即一個NODE，它們的連接即形成AS-Interface網(wǎng)絡(luò)。為了使AS-Interface網(wǎng)絡(luò)連接到上層DeviceNet現(xiàn)場總線系統(tǒng)并進行數(shù)據(jù)交換，需要 AS-Interface主控機，通常被稱為網(wǎng)關(guān)。所用網(wǎng)關(guān)型號為VAG-DN-K5,它是P+F公司和羅克韋爾公司共同開發(fā)的，它完全可以看作是上層 DeviceNet現(xiàn)場總線的從站，或者說是通過AS-I電纜連接的帶124個輸入點和124個輸出點的DeviceNet現(xiàn)場總線的I/O卡。

從圖5中可以看出本次項目AS-I網(wǎng)采用的拓撲結(jié)構(gòu)是線型，是按油漆車間流水線走向設(shè)計的，實際上AS-I網(wǎng)還可以選星型或者樹型。每個AS-I網(wǎng)關(guān)可以連接最多31個AS-I節(jié)點或248個分散元件，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間的傳送速率約為167Kbits/s。

AS-I網(wǎng)只有一個主控機數(shù)據(jù)報文格式和一個子站響應(yīng)格式：主控機報文總是14位并包括10個用戶位。子站響應(yīng)總是7個位并包括4個用戶位。主控機依次查詢每個子站。每個子站通過唯一的地址被確認。

2.3 系統(tǒng)工作原理

設(shè)置和運行DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的過程主要是完成DeviceNet組態(tài),遠程I/O通信功能使得在從單元和CPU之間能自動傳送I/O數(shù)據(jù)，而不需要編寫特別的程序，為了達到此功能，就需要在CPU單元的I/O存儲區(qū)中為每個從單元分配字地址，以便于在CX-Programmer環(huán)境下對系統(tǒng)輸入輸出的邏輯關(guān)系進行編程。這里以具有代表性的基本輸入，基本輸出，一個遠程輸入和一個遠程輸出模塊為例，其中也介紹了不在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的基本I/O的地址分配。

各種硬件通過電纜連接好，其中計算機的串口連接CPU的RS 232C端口，并且通過PC卡式的組態(tài)件3G8E2-DRM21連接到DeviceNet。