DeviceNet在無塵紙生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹了DeviceNet 現(xiàn)場總線技術(shù)以及它在無塵紙生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；敘述了DeviceNet 現(xiàn)場總線的原理，特點，應(yīng)用及維護等。
Abstract: This article introduced the research of the DeviceNet field bus in the automation control system of the Airlaid process; it specified DeviceNet’s principle、 characteristic、application、 maintenance and troubleshooting etc.
關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場總線，DeviceNet，開放式網(wǎng)絡(luò)；無塵紙。
Key words: Fieldbus, DeviceNet, Open network, Airlaid.
1．引言：
無塵紙（又名膨化芯材）是一種高附加值的新型衛(wèi)生用品。它具有卓越的高吸濕性、可靠鎖水性、衛(wèi)生安全性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于婦女衛(wèi)生巾、成人尿失禁、嬰兒紙尿褲等產(chǎn)品領(lǐng)域。為滿足亞太地區(qū)對無塵紙日益增長的市場需求，世界無紡布行業(yè)巨頭英國BBA集團公司于1999年在中國天津投資成立了博愛（中國）膨化芯材有限公司；并安裝了目前世界上最先進的無塵紙生產(chǎn)線，于2001年秋正式投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力16000噸。
無塵紙的卓越特性不但來自于高品質(zhì)的生產(chǎn)原料，更取決于穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)工藝。我公司無塵紙生產(chǎn)線的強勁產(chǎn)能和產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)，源自世界一流的羅克韋爾自動化公司開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及設(shè)備。尤其是設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線DeviceNet的應(yīng)用，不但提高了控制系統(tǒng)的可靠性與實時性，更極大方便了設(shè)備的操作、監(jiān)控，設(shè)備維護及故障診斷與排除等。
由于DeviceNet設(shè)備網(wǎng)是基于生產(chǎn)者/客戶網(wǎng)絡(luò)模式，它使控制數(shù)據(jù)能夠同時到達網(wǎng)上的各個站點單元，網(wǎng)絡(luò)利用率高；它允許狀態(tài)切換的報文發(fā)送，可以實現(xiàn)更快的響應(yīng)，有效地減少了網(wǎng)絡(luò)通訊量。周期性的報文發(fā)送，提供了更好的確定性；對等通信，允許數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息在設(shè)備間進行交換；這些優(yōu)點都為更高的生產(chǎn)率提供了有力保障。
2．無塵紙生產(chǎn)線的開放式網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)：
我公司無塵紙生產(chǎn)線全套從歐洲進口,是目前本行業(yè)內(nèi)最先進的設(shè)備.其控制系統(tǒng)吸收了美國羅克
韋爾公司的全方位自動化的理念，貫穿其Netlinx體系的各級網(wǎng)絡(luò)。

圖1羅克韋爾自動化通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖
實現(xiàn)了從信息層(Ethernet)到控制層（ControlNet）和現(xiàn)場層(DeviceNet)的無縫連接。如圖1所示.
無塵紙要求較為嚴格的生產(chǎn)工藝條件，它屬于一種干法造紙(Dry Forming)的過程。其基本工藝過程是：在恒溫、恒濕、恒氣壓的環(huán)境中將粉碎的木漿、纖維、SAP、PE 粉末等原材料通過成型站均勻成型，再經(jīng)過噴膠、加熱/熔化、熱壓、冷卻、分切、打卷等過程，制造出合格產(chǎn)品。
我公司的生產(chǎn)線控制層共包括九臺具有以太網(wǎng)功能的A-B PLC5(八臺)和A-B SLC500（一臺）可編程序控制器。它們分別控制：空調(diào)(Main Air condition)、原材料準備(Raw material preparation)、松卷機(Tissue Unwinder)、熱油加熱系統(tǒng)(Hot oil System)、過濾包裝系統(tǒng)(Main Filter system)、主線控制系統(tǒng)(Main Line)、打卷系統(tǒng)(Reel)等九個工藝區(qū)域。
其中六臺PLC安裝在位于廠房中部的馬達控制中心MCC1房間的PLC控制柜內(nèi)。各PLC的以太網(wǎng)接口都通過雙絞線連接到PLC柜內(nèi)的集線器（HUB）上。另三臺PLC安裝在設(shè)備現(xiàn)場的控制柜內(nèi)，它們的以太網(wǎng)接口都通過光纖也連接到MCC1的集線器（HUB）上。
五臺裝有RSview32軟件的A-B 工業(yè)PC機安裝在中控室內(nèi)，它們的以太網(wǎng)接口都連接到中控室一個HUB上，再通過一根光纖也連接到PLC柜內(nèi)的HUB上。該網(wǎng)通過HUB還與企業(yè)Intranet相連，這樣一來，通過TCP/IP協(xié)議組成Ethernet網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成信息（管理）層。（ 如下圖2 所示：控制層和信息層網(wǎng)絡(luò)示意圖）

圖2 控制層和信息層網(wǎng)絡(luò)示意圖

各臺可編程序控制器除掛接本地及遠程I/O模塊、Panel View人機界面等裝置外，大多安裝了DeviceNet掃描器（1771-SDN或1747-SDN），并通過DeviceNet通訊模塊（1336-GM5,1203-GK5，1794-ADN等）下掛現(xiàn)場智能設(shè)備，如變頻器，電機軟起動器，F(xiàn)lex I/O,9000系列光電開關(guān)等組成DeviceNet設(shè)備網(wǎng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場級裝置的有效控制。

３．DeviceNet 的功能及特點：
DeviceNet 是基于CAN-BUS技術(shù)的一種現(xiàn)場總線，它是一種開放型的，符合IEC61158國際現(xiàn)場總線工業(yè)標準的通訊網(wǎng)絡(luò)。
DeviceNet 用于現(xiàn)場設(shè)備與PLC之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率可設(shè)定為125、250、500KPBS，傳輸最大距離為500米，最多節(jié)點（站點）為64個，允許在線組態(tài)和帶電熱插拔。
DeviceNet支持主/從、多主、對等等通訊方式。用戶的PLC可以利用控制程序及上位PC機的數(shù)據(jù)，通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備有效監(jiān)控。
DeviceNet 可以用羅克韋爾公司的RS Networx for DeviceNet 或DeviceNet Manager 軟件進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和管理。
DeviceNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，實時性強，它采用生產(chǎn)者／客戶模式，提供了強有力的故障診斷與排除能力，是一種理想的設(shè)備層現(xiàn)場總線。

４．無塵紙生產(chǎn)線Devicenet 網(wǎng)絡(luò)的物理構(gòu)造。
我公司DeviceNet網(wǎng)絡(luò)以四臺A-B PLC5-40E和一臺SLC5/04為主機。PLC機本地機架上都安裝了DeviceNet掃描器模塊（A-B 1771-SDN或1747-SDN）。1771掃描器有兩個通道，每個通道最多可以外接64個站（一般應(yīng)接63個）。每個PLC利用本機網(wǎng)絡(luò)掃描器通過DeviceNet通訊適配器 (1203-GK5,1336-GM5，1794-AND等)來下掛本控制區(qū)域的各臺現(xiàn)場總線設(shè)備。這些站點主要包括：A-B 變頻器（1336F，1336E，160SSC系列，）A－B電機軟起動器（SMC 150系列） FLEX I/O（1794系列）； ARMOR Block　防護型I/O組件,9000系列光電開關(guān)等。
典型的DeviceNet　網(wǎng)絡(luò)采用干線／支線物理結(jié)構(gòu)形式。而我公司采用的是雛菊鏈（Daisy　Chain）的環(huán)行連接形式，利用Belden標準圓形五芯屏蔽通訊電纜將各個站點連接起來。( 如下圖3所示，雛菊鏈的DeviceNet設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)；以變頻器網(wǎng)絡(luò)為例)

圖3變頻器雛菊鏈（Daisy　Chain）的DeviceNet設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)
由于我廠的設(shè)備分布比較分散，某些站點之間相距較遠。尤其是一些現(xiàn)場站點，相距離超過100米。因此所有DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率都設(shè)定為125KBPS, 以確保通訊可靠。除了分布式I/O, 人機界面和傳感器等站點位于生產(chǎn)現(xiàn)場外,一百余臺變頻器的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布在兩個馬達控制中心（MCC）室，這就實現(xiàn)了對電動機的集中控制，統(tǒng)一管理。（ 如圖4所示：MCC 室內(nèi)DeviceNet變頻器網(wǎng)絡(luò)一角 注:圖中黃色電纜是網(wǎng)絡(luò)通訊纜）
在DeviceNet各工作站之間，我們大都采用了敞開式分接口（ 注：現(xiàn)場的一些站采用密封的T型分接口或密封連接口 ），將站與站之間的電源線、通訊線、屏蔽線分別地并聯(lián)接在一起，組成雛菊鏈形式的物理拓撲結(jié)構(gòu)。在首尾終端兩站分別安裝了終端電阻。（121Ω，1%，1/4W）

圖4 MCC 室內(nèi)DeviceNet變頻器網(wǎng)絡(luò)一角
5 DeviceNet的組態(tài)軟件及控制實現(xiàn)。
利用設(shè)備網(wǎng)RS-232-C的PC接口適配人器（1770-KFD）或設(shè)備網(wǎng)PC卡（1784-PCD）可以實現(xiàn)PC機與PLC的設(shè)備網(wǎng)掃描器的通訊.
DeviceNet的管理軟件RS Networx for DeviceNet 是基于Windows平臺的軟件，利用它可以組態(tài)設(shè)備網(wǎng)并進行項目管理和網(wǎng)絡(luò)故障診斷等。它支持A-B及第三方設(shè)備組態(tài)電子數(shù)據(jù)表（EDS）。
DeviceNet規(guī)約定義了顯式報文（Explicit Message）和I/O報文（I/O Message）兩種不同性質(zhì)的報文，兩種報文可以同時在總線上傳送。
組態(tài)過程中,首先應(yīng)組態(tài)掃描器，設(shè)置掃描器與PLC之間的I/O地址界面，建立掃描器與各站適配器之間的通訊。
組態(tài)網(wǎng)絡(luò)上各個站時，先要定義各個站的地址(即站號)。站的地址可以不連續(xù)，但要與各站適配器DIP開關(guān)設(shè)定相一致。
對于Flex I/O 或Armor Block I/O 等I/O類型的工作站，我們采用I/O報文（I/O Message）的形式，分配各站的輸入和輸出。I/O報文是周期傳送的，具有較高的優(yōu)先級，從而保證它的實時性。
對于變頻器、軟起動器等設(shè)備類站點，我們采用顯式報文（Explicit Message）的形式，分配PLC和各站之間發(fā)送/接收的字長;定義通訊方式和(我們定義為polled 方式,每個掃描周期);建立與PLC之間對應(yīng)的“軟”I/O關(guān)系。
再利用PLC５的編程軟件ＲＳlogix5編制出塊傳送（BTR/BTW）命令，實現(xiàn)ＰＬＣ對設(shè)備網(wǎng)上工作站I/O信息采集和控制。PLC控制程序就可以根據(jù)各站的工作狀態(tài)向各站發(fā)出控制命令，以達到工藝要求。
由于我公司的各PLC都連接到Ethernet上，網(wǎng)上中控制室內(nèi)有Rsview32監(jiān)控工作站。各顯示器可顯示出RS view不同工藝區(qū)域的監(jiān)控界面。在中控室既可以控制全廠的設(shè)備，也可查看各站點的當前工作狀態(tài)，人機界面非常友好。

6．DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的使用體會。
（１）DeviceNet現(xiàn)場總線可以節(jié)省大量費用。
從安裝階段來看，只通過一根通訊纜，就實現(xiàn)了對整個網(wǎng)上各站點供電及通訊，相對于點對點的控制方式，節(jié)省大量的電纜,橋架等。不但縮短了安裝時間，而且降低了安裝費用。
從控制上來看：利用網(wǎng)絡(luò)通訊及“軟”Ｉ／Ｏ方式，也節(jié)約了I/O模塊和大筆資金。
如對變頻器工作站，啟動/停止，加速/減速等命令；電壓、電流、溫度等參數(shù)，都可從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)，節(jié)約了I/O模塊，尤其是模擬I/O模塊，費用相當昂貴。
（２）設(shè)備故障率大大降低，且診斷方便，排除迅速。
DeviceNet由于僅用一條通訊電纜控制整個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備故障率大大降低；各站點通訊端子支持帶電熱插拔，若某一站點出現(xiàn)問題及故障排除，不影響網(wǎng)上其他站點正常工作。
采用數(shù)據(jù)通訊方式來控制各站，不但極大減少了傳統(tǒng)點對點方式的電纜數(shù)量，也使故障環(huán)節(jié)大大減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性進一步提高。
通過設(shè)備網(wǎng)使MCC的集中控制的形式十分有效，極大方便了設(shè)備故障的診斷。例如對變頻器的控制，由于采用MCC及網(wǎng)絡(luò)控制方式，一百余臺變頻器僅有五種典型控制電路，便于記憶及故障查找。當某臺變頻器發(fā)生故障時，不但可以從總控室看到報警信息，還可以從網(wǎng)絡(luò)掃描器或變頻器的人機界面上獲得報警信息，方便快捷。
（３）系統(tǒng)監(jiān)控更加方便、智能化。
通過RSview監(jiān)控界面方式，中控室可以隨時訪問和控制設(shè)備網(wǎng)上的一些站點,根據(jù)需要調(diào)整控制參數(shù)又;可以監(jiān)控網(wǎng)上設(shè)備的工作狀態(tài)，例如電機電流、溫度等參數(shù)，以確保各設(shè)備正常工作。

7. DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的維護及故障處理體會：
（1）通訊干擾問題
我廠運轉(zhuǎn)調(diào)試階段曾經(jīng)發(fā)生過某些站點的狀態(tài)顯示（控制室RSview人機界面）與其實際工作狀態(tài)有時不相一致或控制命令執(zhí)行不嚴格現(xiàn)象。經(jīng)診斷及分析, 我們主要采取了以下措施。
1）. 檢查并緊固各終端電阻，防止信號反射。
終端電阻是用來防止（降低）通訊信號反射。為檢查終端電阻工作是否正常，可以在斷電（只有在預防性維護或系統(tǒng)故障時才可以）的情況下，測量網(wǎng)上任何兩個CAN-H（藍色線）與 CAN-L（白色線）端子之間的電阻應(yīng)在60Ω-70Ω左右即可（因我廠用的是菊花鏈結(jié)構(gòu)）。
2）.可靠連接DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的接地導線，消除外界噪音干擾。
為防止環(huán)流，信號電纜的屏蔽線僅能在一端接地。接地點最好從最接近網(wǎng)絡(luò)的物理中心站點處引出，以達到最佳效果，最大限度的消除噪音干擾.我廠的接地線是從PLC機架的掃描器站點引出的.
接地方法為：將Ｖ－與Shield及Drain與PE可靠連接

通過1），2）以上兩種方法及定期PM檢查就可確保網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作良好可靠。
此外，為確保通訊可靠，網(wǎng)絡(luò)布線時應(yīng)注意以下情況：
1）．為了避免通訊電纜受動力電纜干擾，通訊纜應(yīng)單獨布線。若通訊纜與動力纜共用線槽時，通訊纜應(yīng)穿金屬屏蔽管布線。
2）。站點之間相距較遠或網(wǎng)絡(luò)總距離較大時，應(yīng)使用粗芯通訊電纜。

（2）若某一站點的設(shè)備發(fā)生故障，而庫存又沒有同型號的備件更換，可能會造成麻煩。
若設(shè)備某站點發(fā)生故障，庫存有同型號的備件，換上同型號的備件后，該站即可正常工作。若換上不同型號的備件，則該網(wǎng)絡(luò)掃描器檢測到的該物理站點（EDS）與掃描列表(Scan list)不一致.掃描器就會有報警, 該站也無法正常工作。這時，你不得不重新組態(tài)一下掃描列表再下裝到掃描器，此站才能正常工作，這是一個應(yīng)該注意的問題。

8.結(jié)束語：
無塵紙生產(chǎn)線由于采用了DeviceNet 現(xiàn)場總線控制技術(shù)，極大提高了控制系統(tǒng)的可靠性和實時性。利用現(xiàn)場總線技術(shù)進行生產(chǎn)線的自動化控制是一種理想的解決方案?，F(xiàn)場總線技術(shù)的顯著優(yōu)點，決定著其廣泛應(yīng)用是控制領(lǐng)域的必然趨勢。

主要參考文獻：

（1）《DeviceNet scanner Module installation instruction》 Allen-Bradley, Publication 1771-5.14-July 1997
（2）《DeviceNet Communications Module》 Rockwell Automation Publication 1203-5.3-February, 1999.
(2) 《艾倫-布拉德利 自動化系統(tǒng)產(chǎn)品目錄》 Rockwell Automation Publication B112-ZH-March 1999
(3)《可編程序控制器系統(tǒng)》浙江大學羅克韋爾自動化技術(shù)中心 編