DeviceNet在無(wú)塵紙生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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摘要:本文主要介紹了DeviceNet 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及它在無(wú)塵紙生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用;敘述了DeviceNet 現(xiàn)場(chǎng)總線的原理,特點(diǎn),應(yīng)用及維護(hù)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(chǎng)總線,DeviceNet,開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò);無(wú)塵紙。
Key words: Fieldbus, DeviceNet, Open network, Airlaid.
1.引言:
無(wú)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(diǎn),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(duì)無(wú)塵紙日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,世界無(wú)紡布行業(yè)巨頭英國(guó)BBA集團(tuán)公司于1999年在中國(guó)天津投資成立了博愛(ài)(中國(guó))膨化芯材有限公司;并安裝了目前世界上最先進(jìn)的無(wú)塵紙生產(chǎn)線,于2001年秋正式投產(chǎn),年生產(chǎn)能力16000噸。
無(wú)塵紙的卓越特性不但來(lái)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(wú)塵紙生產(chǎn)線的強(qiáng)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(dòng)化公司開(kāi)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(chǎng)總線DeviceNet的應(yīng)用,不但提高了控制系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性,更極大方便了設(shè)備的操作、監(jiān)控,設(shè)備維護(hù)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(shí)到達(dá)網(wǎng)上的各個(gè)站點(diǎn)單元,網(wǎng)絡(luò)利用率高;它允許狀態(tài)切換的報(bào)文發(fā)送,可以實(shí)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(bào)文發(fā)送,提供了更好的確定性;對(duì)等通信,允許數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息在設(shè)備間進(jìn)行交換;這些優(yōu)點(diǎn)都為更高的生產(chǎn)率提供了有力保障。
2.無(wú)塵紙生產(chǎn)線的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu):
我公司無(wú)塵紙生產(chǎn)線全套從歐洲進(jìn)口,是目前本行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的設(shè)備.其控制系統(tǒng)吸收了美國(guó)羅克
韋爾公司的全方位自動(dòng)化的理念,貫穿其Netlinx體系的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
圖1羅克韋爾自動(dòng)化通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖
實(shí)現(xiàn)了從信息層(Ethernet)到控制層(ControlNet)和現(xiàn)場(chǎng)層(DeviceNet)的無(wú)縫連接。如圖1所示.
無(wú)塵紙要求較為嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝條件,它屬于一種干法造紙(Dry Forming)的過(guò)程。其基本工藝過(guò)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(guò)成型站均勻成型,再經(jīng)過(guò)噴膠、加熱/熔化、熱壓、冷卻、分切、打卷等過(guò)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(tái)具有以太網(wǎng)功能的A-B PLC5(八臺(tái))和A-B SLC500(一臺(tái))可編程序控制器。它們分別控制:空調(diào)(Main Air condition)、原材料準(zhǔn)備(Raw material preparation)、松卷機(jī)(Tissue Unwinder)、熱油加熱系統(tǒng)(Hot oil System)、過(guò)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(gè)工藝區(qū)域。
其中六臺(tái)PLC安裝在位于廠房中部的馬達(dá)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(guò)雙絞線連接到PLC柜內(nèi)的集線器(HUB)上。另三臺(tái)PLC安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的控制柜內(nèi),它們的以太網(wǎng)接口都通過(guò)光纖也連接到MCC1的集線器(HUB)上。
五臺(tái)裝有RSview32軟件的A-B 工業(yè)PC機(jī)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(gè)HUB上,再通過(guò)一根光纖也連接到PLC柜內(nèi)的HUB上。該網(wǎng)通過(guò)HUB還與企業(yè)Intranet相連,這樣一來(lái),通過(guò)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(tái)可編程序控制器除掛接本地及遠(yuǎn)程I/O模塊、Panel View人機(jī)界面等裝置外,大多安裝了DeviceNet掃描器(1771-SDN或1747-SDN),并通過(guò)DeviceNet通訊模塊(1336-GM5,1203-GK5,1794-ADN等)下掛現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備,如變頻器,電機(jī)軟起動(dòng)器,F(xiàn)lex I/O,9000系列光電開(kāi)關(guān)等組成DeviceNet設(shè)備網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)裝置的有效控制。
3.DeviceNet 的功能及特點(diǎn):
DeviceNet 是基于CAN-BUS技術(shù)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線,它是一種開(kāi)放型的,符合IEC61158國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)。
DeviceNet 用于現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)(站點(diǎn))為64個(gè),允許在線組態(tài)和帶電熱插拔。
DeviceNet支持主/從、多主、對(duì)等等通訊方式。用戶的PLC可以利用控制程序及上位PC機(jī)的數(shù)據(jù),通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和管理。
DeviceNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性強(qiáng),它采用生產(chǎn)者/客戶模式,提供了強(qiáng)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(chǎng)總線。
4.無(wú)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(tái)A-B PLC5-40E和一臺(tái)SLC5/04為主機(jī)。PLC機(jī)本地機(jī)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(gè)通道,每個(gè)通道最多可以外接64個(gè)站(一般應(yīng)接63個(gè))。每個(gè)PLC利用本機(jī)網(wǎng)絡(luò)掃描器通過(guò)DeviceNet通訊適配器 (1203-GK5,1336-GM5,1794-AND等)來(lái)下掛本控制區(qū)域的各臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。這些站點(diǎn)主要包括:A-B 變頻器(1336F,1336E,160SSC系列,)A-B電機(jī)軟起動(dòng)器(SMC 150系列) FLEX I/O(1794系列); ARMOR Block 防護(hù)型I/O組件,9000系列光電開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)圓形五芯屏蔽通訊電纜將各個(gè)站點(diǎn)連接起來(lái)。( 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(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)。尤其是一些現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn),相距離超過(guò)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(jī)界面和傳感器等站點(diǎn)位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)外,一百余臺(tái)變頻器的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布在兩個(gè)馬達(dá)控制中心(MCC)室,這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)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(kāi)式分接口( 注:現(xiàn)場(chǎng)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?fù)浣Y(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(shí)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(shí)現(xiàn)PC機(jī)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(tái)的軟件,利用它可以組態(tài)設(shè)備網(wǎng)并進(jìn)行項(xiàng)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(bào)文(Explicit Message)和I/O報(bào)文(I/O Message)兩種不同性質(zhì)的報(bào)文,兩種報(bào)文可以同時(shí)在總線上傳送。
組態(tài)過(guò)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(gè)站時(shí),先要定義各個(gè)站的地址(即站號(hào))。站的地址可以不連續(xù),但要與各站適配器DIP開(kāi)關(guān)設(shè)定相一致。
對(duì)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(bào)文(I/O Message)的形式,分配各站的輸入和輸出。I/O報(bào)文是周期傳送的,具有較高的優(yōu)先級(jí),從而保證它的實(shí)時(shí)性。
對(duì)于變頻器、軟起動(dòng)器等設(shè)備類站點(diǎn),我們采用顯式報(bào)文(Explicit Message)的形式,分配PLC和各站之間發(fā)送/接收的字長(zhǎng);定義通訊方式和(我們定義為polled 方式,每個(gè)掃描周期);建立與PLC之間對(duì)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(shí)現(xiàn)PLC對(duì)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(dá)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(diǎn)的當(dāng)前工作狀態(tài),人機(jī)界面非常友好。
6.DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的使用體會(huì)。
(1)DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線可以節(jié)省大量費(fèi)用。
從安裝階段來(lái)看,只通過(guò)一根通訊纜,就實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)網(wǎng)上各站點(diǎn)供電及通訊,相對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式,節(jié)省大量的電纜,橋架等。不但縮短了安裝時(shí)間,而且降低了安裝費(fèi)用。
從控制上來(lái)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(duì)變頻器工作站,啟動(dòng)/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(shí)現(xiàn),節(jié)約了I/O模塊,尤其是模擬I/O模塊,費(fèi)用相當(dāng)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(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò),使設(shè)備故障率大大降低;各站點(diǎn)通訊端子支持帶電熱插拔,若某一站點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題及故障排除,不影響網(wǎng)上其他站點(diǎn)正常工作。
采用數(shù)據(jù)通訊方式來(lái)控制各站,不但極大減少了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jìn)一步提高。
通過(guò)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(duì)變頻器的控制,由于采用MCC及網(wǎng)絡(luò)控制方式,一百余臺(tái)變頻器僅有五種典型控制電路,便于記憶及故障查找。當(dāng)某臺(tái)變頻器發(fā)生故障時(shí),不但可以從總控室看到報(bào)警信息,還可以從網(wǎng)絡(luò)掃描器或變頻器的人機(jī)界面上獲得報(bào)警信息,方便快捷。
(3)系統(tǒng)監(jiān)控更加方便、智能化。
通過(guò)RSview監(jiān)控界面方式,中控室可以隨時(shí)訪問(wèn)和控制設(shè)備網(wǎng)上的一些站點(diǎn),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(jī)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(hù)及故障處理體會(huì):
(1)通訊干擾問(wèn)題
我廠運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試階段曾經(jīng)發(fā)生過(guò)某些站點(diǎn)的狀態(tài)顯示(控制室RSview人機(jī)界面)與其實(shí)際工作狀態(tài)有時(shí)不相一致或控制命令執(zhí)行不嚴(yán)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(hào)反射。
終端電阻是用來(lái)防止(降低)通訊信號(hào)反射。為檢查終端電阻工作是否正常,可以在斷電(只有在預(yù)防性維護(hù)或系統(tǒng)故障時(shí)才可以)的情況下,測(cè)量網(wǎng)上任何兩個(gè)CAN-H(藍(lán)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(dǎo)線,消除外界噪音干擾。
為防止環(huán)流,信號(hào)電纜的屏蔽線僅能在一端接地。接地點(diǎn)最好從最接近網(wǎng)絡(luò)的物理中心站點(diǎn)處引出,以達(dá)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(jī)架的掃描器站點(diǎn)引出的.
接地方法為:將V-與Shield及Drain與PE可靠連接
通過(guò)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(shí)應(yīng)注意以下情況:
1).為了避免通訊電纜受動(dòng)力電纜干擾,通訊纜應(yīng)單獨(dú)布線。若通訊纜與動(dòng)力纜共用線槽時(shí),通訊纜應(yīng)穿金屬屏蔽管布線。
2)。站點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)或網(wǎng)絡(luò)總距離較大時(shí),應(yīng)使用粗芯通訊電纜。
(2)若某一站點(diǎn)的設(shè)備發(fā)生故障,而庫(kù)存又沒(méi)有同型號(hào)的備件更換,可能會(huì)造成麻煩。
若設(shè)備某站點(diǎn)發(fā)生故障,庫(kù)存有同型號(hào)的備件,換上同型號(hào)的備件后,該站即可正常工作。若換上不同型號(hào)的備件,則該網(wǎng)絡(luò)掃描器檢測(cè)到的該物理站點(diǎn)(EDS)與掃描列表(Scan list)不一致.掃描器就會(huì)有報(bào)警, 該站也無(wú)法正常工作。這時(shí),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(gè)應(yīng)該注意的問(wèn)題。
8.結(jié)束語(yǔ):
無(wú)塵紙生產(chǎn)線由于采用了DeviceNet 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù),極大提高了控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制是一種理想的解決方案。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn),決定著其廣泛應(yīng)用是控制領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。
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