佟為明、李輝、林景波
摘要： DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線是由羅克韋爾自動(dòng)化公司推出的，是一種開(kāi)放、低價(jià)、可靠、高效的底層工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中國(guó)第一汽車集團(tuán)的發(fā)展規(guī)劃，設(shè)計(jì)了基于DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線的汽車總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)包含12條DeviceNet網(wǎng)絡(luò)、200多個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線長(zhǎng)度達(dá)3000m。系統(tǒng)總體技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞： DeviceNet 汽車生產(chǎn)線 PLC 控制系統(tǒng)
一、引言
DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線是世界一流的自動(dòng)化控制和信息解決方案供應(yīng)商——美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)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)。 DeviceNet具有開(kāi)放、低價(jià)、可靠、高效的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的底層控制。
DeviceNet現(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62026-3（2000-07）低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—控制器-設(shè)備接口，也已被列為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50325。此外，DeviceNet實(shí)際上是亞洲和美洲的設(shè)備網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet得到了世界各地眾多制造商的支持，已經(jīng)注冊(cè)的符合DeviceNet規(guī)范的產(chǎn)品有數(shù)千種，實(shí)際應(yīng)用的DeviceNet節(jié)點(diǎn)設(shè)備已達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)。在北美和日本，DeviceNet在同類產(chǎn)品中占有最高的市場(chǎng)份額，在世界其它各地也呈現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
DeviceNet進(jìn)入我國(guó)雖然比較晚，但因其突出的優(yōu)點(diǎn)而受到了我國(guó)有關(guān)部門和單位的高度重視。2002年10月8日，DeviceNet被批準(zhǔn)為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18858.3—2002，并于2003年4月1日開(kāi)始實(shí)施，從而進(jìn)一步推動(dòng)了DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國(guó)的推廣與應(yīng)用。
DeviceNet可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，以中國(guó)的汽車工業(yè)為例，DeviceNet已應(yīng)用于一汽-大眾汽車有限公司的AUDI A6、BORA A4、JETTA的焊裝生產(chǎn)線、總裝生產(chǎn)線，張家港牡丹汽車廠的焊裝生產(chǎn)線、總裝生產(chǎn)線，青島頤中汽車廠的涂裝生產(chǎn)線，長(zhǎng)春客車廠轉(zhuǎn)向架涂裝線，哈飛汽車廠的焊裝生產(chǎn)線、涂裝生產(chǎn)線、總裝生產(chǎn)線，等等。本文介紹DeviceNet在一汽-大眾BORA A4總裝生產(chǎn)線的應(yīng)用。
二、總裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)目標(biāo)
一汽-大眾BORA A4總裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)是根據(jù)中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司發(fā)展規(guī)劃、對(duì)原總裝生產(chǎn)線的設(shè)備及控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足BORA A4和JETTA兩種車型混線生產(chǎn)的要求，以達(dá)到生產(chǎn)節(jié)拍90s/輛、年產(chǎn)十五萬(wàn)輛的生產(chǎn)能力。總裝生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)采用國(guó)際上先進(jìn)的模塊化工藝裝配技術(shù)以及多種車型混線生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)線技術(shù)，并配備高效、可靠、維護(hù)方便的控制系統(tǒng)，以提高整車裝配質(zhì)量。
BORA A4生產(chǎn)線工藝流程由存儲(chǔ)區(qū)、工件裝配區(qū)、升降區(qū)、檢修區(qū)、檢測(cè)區(qū)、下線區(qū)組成。機(jī)械化生產(chǎn)線系統(tǒng)包括整車裝配線（工藝鏈,由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)）、車身輸送線（積放鏈）、儲(chǔ)備線（積放鏈）、升降機(jī)等。其中，停止器22個(gè)、推車機(jī)10個(gè)、道岔6個(gè)；電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制均要求變頻調(diào)速；現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備數(shù)量多且具有高度的分散性：I/O點(diǎn)約2600 個(gè)、長(zhǎng)度達(dá)3000m。
為了滿足生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)要求并盡量節(jié)約成本，在充分利用原有設(shè)備及線路的前提下，對(duì)原有的輸送系統(tǒng)重新進(jìn)行了更為合理的布置；在各線之間的轉(zhuǎn)線處均加裝推車機(jī)，避免了轉(zhuǎn)線故障；采用新型平衡軌系統(tǒng)，使生產(chǎn)線的運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；將轎車靠模軌下線改為升降機(jī)下線，為整個(gè)轎車裝配線增加了兩個(gè)工位；增加了機(jī)械手裝配工位。
生產(chǎn)線原控制系統(tǒng)是在多年前設(shè)計(jì)的，采用的是傳統(tǒng)的PLC集中控制，系統(tǒng)控制精度低，操作不便；所有的數(shù)字量與模擬量I/O點(diǎn)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(chǎng)維護(hù)帶來(lái)了諸多不便，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)，已不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)要求。因此，必須設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)異的新型控制系統(tǒng)，這是保證生產(chǎn)線達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。
2.1 控制系統(tǒng)
在分析比較了各種不同的控制方案后，決定采用以DeviceNet為底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，如圖1所示。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上連接的輸入設(shè)備有按鈕、急停開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等，輸出設(shè)備有指示燈、控制閥、變頻器等。系統(tǒng)通過(guò)ControlNet實(shí)現(xiàn)不同PLC之間的互相通信, 完成在中央控制室的監(jiān)視、控制、故障報(bào)警、管理信息交換等功能。
圖2為系統(tǒng)中所用的羅克韋爾自動(dòng)化公司的可編程控制器PLC-5/80C的硬件配置（其自身有內(nèi)置的遠(yuǎn)程I/O（RIO）和ControlNet接口）。由于系統(tǒng)中控制的點(diǎn)數(shù)多、線路長(zhǎng)，因此用了6個(gè)1771-SDN掃描器，共12條DeviceNet網(wǎng)絡(luò)與被控設(shè)備相連。12條DeviceNet網(wǎng)絡(luò)分別命名為1DN1、1DN2、2DN1、2DN2、3DN1、3DN2、4DN1、4DN2、5DN1、5DN2、6DN1、6DN2。其中，1DN1控制生產(chǎn)線上的所有14臺(tái)變頻器；1DN2控制生產(chǎn)線上的所有FlexI/O節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)lexI/O所連接的大部分設(shè)備是原總裝生產(chǎn)線上不能直接連接到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備；2DN1控制車身輸送線（積放鏈）；2DN2控制儲(chǔ)備線（積放鏈）；3DN1和3DN2控制另一條儲(chǔ)備線（積放鏈）；4DN1至6DN2控制整車裝配線（工藝鏈）。整車裝配線的工藝非常復(fù)雜，由153個(gè)工位組成，主要控制功能有工藝急停、與其它設(shè)備連鎖等；主要設(shè)備有底盤打號(hào)機(jī)、天窗裝配機(jī)械手、涂膠機(jī)械手、裝配機(jī)械手、風(fēng)擋玻璃涂膠機(jī)器人、駕駛系統(tǒng)控制模塊、動(dòng)力總成、檢測(cè)裝置等。系統(tǒng)共有200多個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖1 以DeviceNet為底層網(wǎng)絡(luò)的總裝生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)
圖2 PLC-5/80C硬件配置
所有現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)、故障信息等均通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)傳送至位于中控室的控制器；控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施的各種控制也是通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。系統(tǒng)中連接到EtherNet上的監(jiān)視計(jì)算機(jī)應(yīng)用組態(tài)軟件RSView32，以豐富的文字、形象的圖形顯示各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、自動(dòng)彈出故障報(bào)警畫面、記錄故障點(diǎn)、調(diào)出相關(guān)的控制程序及電控圖紙，也可進(jìn)行生產(chǎn)信息的自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)管理等，并可將報(bào)警信息（故障點(diǎn)、故障原因、故障時(shí)間等）傳送至維修部門的遠(yuǎn)程終端上，而且可通過(guò)連接到EtherNet上的控制器控制生產(chǎn)線的起停、改變控制參數(shù)等。系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程I/O在控制柜上安裝了人機(jī)接口HMI，用于顯示生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)、調(diào)節(jié)控制參數(shù)等。系統(tǒng)具有完善的PLC故障自動(dòng)診斷程序和HMI報(bào)警系統(tǒng)，使設(shè)備故障的查詢極其快速、方便、準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用電流閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)解決了單鏈多驅(qū)動(dòng)同步控制的技術(shù)難題，保證了生產(chǎn)線的正常、安全運(yùn)行。系統(tǒng)控制層采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與車門分裝線、升降機(jī)控制系統(tǒng)、儀表盤安裝系統(tǒng)等的PLC處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制信息交換。
2.2 系統(tǒng)構(gòu)建與調(diào)試
現(xiàn)場(chǎng)的所有信號(hào)通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破鳎刂破骺刂菩盘?hào)也是通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，因此DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其構(gòu)建步驟如下：
（1）進(jìn)行總體規(guī)劃，合理布線；
（2）將DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上；
（3）安裝通信軟件RSLinx和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件RSNetworx for DeviceNet或DeviceNet Manager；
（4）給將要添加到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備分配節(jié)點(diǎn)地址并設(shè)置正確的通信波特率，因?yàn)镈eviceNet網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)網(wǎng)段所有節(jié)點(diǎn)的通信波特率必須一致，且不允許有節(jié)點(diǎn)地址重復(fù)的設(shè)備；
（5）將編程終端（計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ镁幊淘O(shè)備）連接到網(wǎng)絡(luò)上（通過(guò)計(jì)算機(jī)通信板卡或外置通信模塊）并建立通信，即在RSLinx下配置DeviceNet驅(qū)動(dòng)程序：DeviceNet Driver(1784-PCD/PCIDS、1770-KFD、SDNPT driver)（該操作只能在在線模式下進(jìn)行）；
（6）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（DeviceNet或上層網(wǎng)絡(luò)ControlNet、EtherNet）配置DeviceNet設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，如設(shè)備的I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式、設(shè)備I/O報(bào)文的大小及設(shè)備本身的運(yùn)行參數(shù)（如變頻器的啟動(dòng)方式、最大頻率及其它運(yùn)行參數(shù)）；
（7）將設(shè)備配置參數(shù)下載到節(jié)點(diǎn)設(shè)備和DeviceNet Scanner（1791-SDN）中，并保存到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件的配置文件中（用于離線查看網(wǎng)絡(luò)信息或配置相同的網(wǎng)絡(luò)）。
DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的硬件布線及軟件組態(tài)十分簡(jiǎn)便，因此系統(tǒng)的安裝調(diào)試周期大大縮短。
在進(jìn)行DeviceNet網(wǎng)絡(luò)硬件安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)注意：
a. 推薦選用羅克韋爾自動(dòng)化等公司的DeviceNet總線電纜及連接組件（這可使硬件安裝大大簡(jiǎn)化，并提高可靠性）；
b. 每個(gè)網(wǎng)段供電電源只能有一點(diǎn)接地；
c. 網(wǎng)絡(luò)總線兩端應(yīng)安裝正確的終端電阻（120Ω，可選配羅克韋爾等公司隨系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)終端電阻），在系統(tǒng)不上電時(shí)測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)CAN-H和CAN-L之間的電阻值應(yīng)在50-70Ω。
三、結(jié)論
基于DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線的汽車總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，總線長(zhǎng)度（3000m）、節(jié)點(diǎn)數(shù)量（200多個(gè)）等均為目前全國(guó)之最，系統(tǒng)總體技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。三年來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)功能強(qiáng)大、安全可靠、操作靈活，為一汽-大眾公司創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并大大提高了生產(chǎn)效率、自動(dòng)化生產(chǎn)水平和管理水平，使得公司在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。
參考文獻(xiàn)
[1] 佟為明，林景波. 現(xiàn)場(chǎng)總線概述. 低壓電器, 2002, (4):34-39
作者簡(jiǎn)介：
佟為明：男，1964年10月出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與電器研究所所長(zhǎng)；《低壓電器》編委，中國(guó)電源學(xué)會(huì)理事，中國(guó)電源學(xué)會(huì)特種電源專委會(huì)委員；著作部分：發(fā)表論文90余篇；主要研究方向：現(xiàn)場(chǎng)總線，數(shù)字式繼電繼電保護(hù)測(cè)控裝置與系統(tǒng)，電磁兼容技術(shù)，變頻電源與諧波抑制。
