基于DeviceNet总线的无尘纸生产线网络控制

1． 引言：

    无尘纸（又名膨化芯材）是一种高附加值的新型卫生用品。它具有卓越的高吸湿性、可靠锁水性、卫生安全性等优点，广泛应用于妇女卫生巾、成人尿失禁、婴儿纸尿裤等产品领域。

    由于DeviceNet设备网是基于生产者/客户网络模式，它使控制数据能够同时到达网上的各个站点单元，网络利用率高；它允许状态切换的报文发送，可以实现更快的响应，有效地减少了网络通讯量。周期性的报文发送，提供了更好的确定性；对等通信，允许数据和状态信息在设备间进行交换；这些优点都为更高的生产率提供了有力保障。

2． 无尘纸生产线的开放式网络控制结构：

    我公司无尘纸生产线全套从欧洲进口,是目前本行业内最先进的设备.其控制系统吸收了美国罗克韦尔公司的全方位自动化的理念，贯穿其Netlinx体系的各级网络。

    实现了从信息层(Ethernet)到控制层（ControlNet）和现场层(DeviceNet)的无缝连接。如图1所示.

    无尘纸要求较为严格的生产工艺条件，它属于一种干法造纸(Dry Forming)的过程。其基本工艺过程是：在恒温、恒湿、恒气压的环境中将粉碎的木浆、纤维、SAP、PE 粉末等原材料通过成型站均匀成型，再经过喷胶、加热/熔化、热压、冷却、分切、打卷等过程，制造出合格产品。

    我公司的生产线控制层共包括九台具有以太网功能的A-B PLC5(八台)和A-B SLC500（一台）可编程序控制器。它们分别控制：空调(Main Air condition)、原材料准备(Raw material preparation)、松卷机(Tissue Unwinder)、热油加热系统(Hot oil System)、过滤包装系统(Main Filter system)、主线控制系统(Main Line)、打卷系统(Reel)等九个工艺区域。

    其中六台PLC安装在位于厂房中部的马达控制中心MCC1房间的PLC控制柜内。各PLC的以太网接口都通过双绞线连接到PLC柜内的集线器（HUB）上。另三台PLC安装在设备现场的控制柜内，它们的以太网接口都通过光纤也连接到MCC1的集线器（HUB）上。

    五台装有RSview32软件的A-B 工业PC机安装在中控室内，它们的以太网接口都连接到中控室一个HUB上，再通过一根光纤也连接到PLC柜内的HUB上。该网通过HUB还与企业Intranet相连，这样一来，通过TCP/IP协议组成Ethernet网络，构成信息（管理）层。（ 如下图2 所示：控制层和信息层网络示意图）

    各台可编程序控制器除挂接本地及远程I/O模块、Panel View人机界面等装置外，大多安装了DeviceNet扫描器（1771-SDN或1747-SDN），并通过DeviceNet通讯模块（1336-GM5,1203-GK5，1794-ADN等）下挂现场智能设备，如变频器，电机软起动器，Flex I/O,9000系列光电开关等组成DeviceNet设备网，实现了对现场级装置的有效控制。

3．DeviceNet 的功能及特点：

    DeviceNet 是基于CAN-BUS技术的一种现场总线，它是一种开放型的，符合IEC61158国际现场总线工业标准的通讯网络。

    DeviceNet 用于现场设备与PLC之间的通讯网络，传输速率可设定为125、250、500KPBS，传输最大距离为500米，最多节点（站点）为64个，允许在线组态和带电热插拔。

    DeviceNet支持主/从、多主、对等等通讯方式。用户的PLC可以利用控制程序及上位PC机的数据，通过DeviceNet网络实现对现场设备有效监控。

    DeviceNet 可以用罗克韦尔公司的RS Networx for DeviceNet 或DeviceNet Manager 软件进行网络组态和管理。

    DeviceNet网络结构简单，实时性强，它采用生产者／客户模式，提供了强有力的故障诊断与排除能力，是一种理想的设备层现场总线。

4．无尘纸生产线Devicenet 网络的物理构造。

    我公司DeviceNet网络以四台A-B PLC5-40E和一台SLC5/04为主机。PLC机本地机架上都安装了DeviceNet扫描器模块（A-B 1771-SDN或1747-SDN）。1771扫描器有两个通道，每个通道最多可以外接64个站（一般应接63个）。每个PLC利用本机网络扫描器通过DeviceNet通讯适配器 (1203-GK5,1336-GM5，1794-AND等)来下挂本控制区域的各台现场总线设备。这些站点主要包括：A-B 变频器（1336F，1336E，160SSC系列，）A－B电机软起动器（SMC 150系列） FLEX I/O（1794系列）； ARMOR Block防护型I/O组件,9000系列光电开关等。

    典型的DeviceNet网络采用干线／支线物理结构形式。而我公司采用的是雏菊链（DaisyChain）的环行连接形式，利用Belden标准圆形五芯屏蔽通讯电缆将各个站点连接起来。( 如下图3所示，雏菊链的DeviceNet设备通讯网络；以变频器网络为例)

    由于我厂的设备分布比较分散，某些站点之间相距较远。尤其是一些现场站点，相距离超过100米。因此所有DeviceNet网络的传输速率都设定为125KBPS, 以确保通讯可靠。除了分布式I/O, 人机界面和传感器等站点位于生产现场外,一百余台变频器的DeviceNet网络系统分布在两个马达控制中心（MCC）室，这就实现了对电动机的集中控制，统一管理。（ 如图4所示：MCC 室内DeviceNet变频器网络一角 注:图中黄色电缆是网络通讯缆）

    在DeviceNet各工作站之间，我们大都采用了敞开式分接口（ 注：现场的一些站采用密封的T型分接口或密封连接口 ），将站与站之间的电源线、通讯线、屏蔽线分别地并联接在一起，组成雏菊链形式的物理拓扑结构。在首尾终端两站分别安装了终端电阻。（121Ω，1%，1/4W）

5 DeviceNet的组态软件及控制实现。

    利用设备网RS-232-C的PC接口适配人器（1770-KFD）或设备网PC卡（1784-PCD）可以实现PC机与PLC的设备网扫描器的通讯.

    DeviceNet的管理软件RS Networx for DeviceNet 是基于Windows平台的软件，利用它可以组态设备网并进行项目管理和网络故障诊断等。它支持A-B及第三方设备组态电子数据表（EDS）。

    DeviceNet规约定义了显式报文（Explicit Message）和I/O报文（I/O Message）两种不同性质的报文，两种报文可以同时在总线上传送。
组态过程中,首先应组态扫描器，设置扫描器与PLC之间的I/O地址界面，建立扫描器与各站适配器之间的通讯。

    组态网络上各个站时，先要定义各个站的地址(即站号)。站的地址可以不连续，但要与各站适配器DIP开关设定相一致。

    对于Flex I/O 或Armor Block I/O 等I/O类型的工作站，我们采用I/O报文（I/O Message）的形式，分配各站的输入和输出。I/O报文是周期传送的，具有较高的优先级，从而保证它的实时性。

    对于变频器、软起动器等设备类站点，我们采用显式报文（Explicit Message）的形式，分配PLC和各站之间发送/接收的字长;定义通讯方式和(我们定义为polled 方式,每个扫描周期);建立与PLC之间对应的“软”I/O关系。

    再利用PLC５的编程软件ＲＳlogix5编制出块传送（BTR/BTW）命令，实现ＰＬＣ对设备网上工作站I/O信息采集和控制。PLC控制程序就可以根据各站的工作状态向各站发出控制命令，以达到工艺要求。

    由于我公司的各PLC都连接到Ethernet上，网上中控制室内有Rsview32监控工作站。各显示器可显示出RS view不同工艺区域的监控界面。在中控室既可以控制全厂的设备，也可查看各站点的当前工作状态，人机界面非常友好。

6．DeviceNet 网络的使用体会。

（1）DeviceNet现场总线可以节省大量费用。

    从安装阶段来看，只通过一根通讯缆，就实现了对整个网上各站点供电及通讯，相对于点对点的控制方式，节省大量的电缆,桥架等。不但缩短了安装时间，而且降低了安装费用。

    从控制上来看：利用网络通讯及“软”Ｉ／Ｏ方式，也节约了I/O模块和大笔资金。

    如对变频器工作站，启动/停止，加速/减速等命令；电压、电流、温度等参数，都可从DeviceNet网络通讯实现，节约了I/O模块，尤其是模拟I/O模块，费用相当昂贵。

（2） 设备故障率大大降低，且诊断方便，排除迅速。

    DeviceNet由于仅用一条通讯电缆控制整个设备网络，使设备故障率大大降低；各站点通讯端子支持带电热插拔，若某一站点出现问题及故障排除，不影响网上其他站点正常工作。

    采用数据通讯方式来控制各站，不但极大减少了传统点对点方式的电缆数量，也使故障环节大大减少，系统稳定性进一步提高。

    通过设备网使MCC的集中控制的形式十分有效，极大方便了设备故障的诊断。例如对变频器的控制，由于采用MCC及网络控制方式，一百余台变频器仅有五种典型控制电路，便于记忆及故障查找。当某台变频器发生故障时，不但可以从总控室看到报警信息，还可以从网络扫描器或变频器的人机界面上获得报警信息，方便快捷。

（3） 系统监控更加方便、智能化。

    通过RSview监控界面方式，中控室可以随时访问和控制设备网上的一些站点,根据需要调整控制参数又;可以监控网上设备的工作状态，例如电机电流、温度等参数，以确保各设备正常工作。

7. DeviceNet网络的维护及故障处理体会：

（1） 通讯干扰问题

    我厂运转调试阶段曾经发生过某些站点的状态显示（控制室RSview人机界面）与其实际工作状态有时不相一致或控制命令执行不严格现象。经诊断及分析, 我们主要采取了以下措施。

1）. 检查并紧固各终端电阻，防止信号反射。

    终端电阻是用来防止（降低）通讯信号反射。为检查终端电阻工作是否正常，可以在断电（只有在预防性维护或系统故障时才可以）的情况下，测量网上任何两个CAN-H（蓝色线）与 CAN-L（白色线）端子之间的电阻应在60Ω-70Ω左右即可（因我厂用的是菊花链结构）。

2）.可靠连接DeviceNet网络的接地导线，消除外界噪音干扰。

    为防止环流，信号电缆的屏蔽线仅能在一端接地。接地点最好从最接近网络的物理中心站点处引出，以达到最佳效果，最大限度的消除噪音干扰.我厂的接地线是从PLC机架的扫描器站点引出的.

    接地方法为：将Ｖ－与Shield及Drain与PE可靠连接

    通过1），2）以上两种方法及定期PM检查就可确保网络通讯系统工作良好可靠。

    此外，为确保通讯可靠，网络布线时应注意以下情况：

1）．为了避免通讯电缆受动力电缆干扰，通讯缆应单独布线。若通讯缆与动力缆共用线槽时，通讯缆应穿金属屏蔽管布线。
2）。站点之间相距较远或网络总距离较大时，应使用粗芯通讯电缆。

（2） 若某一站点的设备发生故障，而库存又没有同型号的备件更换，可能会造成麻烦。

    若设备某站点发生故障，库存有同型号的备件，换上同型号的备件后，该站即可正常工作。若换上不同型号的备件，则该网络扫描器检测到的该物理站点（EDS）与扫描列表(Scan list)不一致.扫描器就会有报警, 该站也无法正常工作。这时，你不得不重新组态一下扫描列表再下装到扫描器，此站才能正常工作，这是一个应该注意的问题。

8.结束语：

    无尘纸生产线由于采用了DeviceNet 现场总线控制技术，极大提高了控制系统的可靠性和实时性。利用现场总线技术进行生产线的自动化控制是一种理想的解决方案。现场总线技术的显著优点，决定着其广泛应用是控制领域的必然趋势。