DeviceNet总线系统在宝莱 A4轿车后轴装配线中的应用

在2000年，一汽凯尔海斯汽车底盘厂，委托我公司设计并制造了一条轿车后轴柔性装配线。在该装配线上生产出的汽车后轴用于一汽大众公司的宝莱 A4轿车上。在本项目的控制系统中，用户不仅要求现场设备完成本地的控制，监视，诊断等任务，还要求能够通过网络与其他的控制设备及PLC进行对等通讯，并且用户重点强调要采用当今最先进的电气控制系统，于是在接到该项目后，我公司马上组织技术人员对项目进行分析，经过多方调研，通过反复论证，最终我们选择了OMRON公司推出的DeviceNet总线系统。

一。系统的硬件配置
凯尔海斯的项目中，控制器采用了OMRON公司的CS1系列PLC，通过一块DeviceNet总线模块DRM21-V1将分布于现场的30余个网络节点连接起来(见图1)。DRT1-ID16/OD16分别为16点的I/O模块。DRT1-COM/ROS16是继电器输出模块。


图1:系统总线配置图
二。 DeviceNet总线应用概述

让我们先来了解一下什么是DeviceNet总线。工厂自动化系统自从进入plc时代以来，开始由于控制简单，最先多采用了集中式体系;随着控制控能的增强，系统复杂度的提高，逐渐采用了分散式的控制结构。但是随着计算机技术的提高，单个CPU足以满足大多工业的要求，完成繁杂的任务，于是在很多的工业应用中，又回归为集中式控制结构。但是，系统的可靠性也因此降低了。在这样一种矛盾日益突出的情形下，出现了现场总线技术。例如，OMRON公司的DeviceNet总线系统。它是以PLC为主控制器的集散式控制系统,它把对I/O的控制下放到设备层中。它实现了低成本高性能的工业设备的网络互连。从项目的应用情况看,它有如下特点：
1. 基于CANBUS技术。DeviceNet总线是OMRON公司开发的一种现场总线产品，它是DeviceNet总线的一个子集。一个开放的自动化系统，需要开放的分层控制和信息处理平台，其中以PC及运行在其上面的软件和协议构成的信息处理层和以现场设备及控制器互联形成的控制层是不可缺少的。传统的PLC与现场设备的连接是点对点的拓扑结构。PLC的所有I/O接口与现场设备一对一的连接，显然，这种通信需要大量的通信线，这对于工业现场的设备正常运行和维护带来了很大压力。同时由于通讯端口多，PLC处理器需要循环对各端口数据进行读取，数据转化任务重。随着工业控制系统的复杂化，以现场总线方式取代原有点对点方式成为了新的发展方向。现场总线的网络拓扑结构中，用户只需要用电缆串行的连接底层设备及PLC，大大节省了费用，安装也行方便，数据传输效率也大大提高。
2. DeviceNet是基于现场总线技术的工业标准开放网络，用于连接简单的底层工业装置。在凯尔海斯项目中，在总线上挂接了如下一些设备:接近开关、光电开光、压力仪表、电机、电磁阀、开关等。实际上，只要是某种设备提供符合该协议的接口，就可以方便的与之相连。比如像变频器，就有美国AB、瑞典ABB、日本omron等提供 DeviceNet接口；SMC的阀岛；AB的Flex-I/O;另外，DeviceNet总线提供一种RS232串口总线模块，任何具有标准RS232C协议接口的设备，都可以通过它挂接到总线上。例如，条形码阅读器等。
3. DeviceNet的通讯方式是生产者/客户(producer/consumer)方式。这样总线上的全部节点同时读写同一个数据源，通讯效率非常高。另外由于使用多信道的数据广播发送方式，因此每个客户可以同时收到生产者发送的数据，这和过去那种应答式的通讯模式相比，不用重复制造信息包，总线上通信能力大大提高。该特点的优越性集中体现在监控系统中。在该项目中，为了能对生产信息进行集中监控，引入”组态王监控系统”，通过观察组态王的调试脚本文件发现I/O点的变量刷新时间与常规情形相比明显缩短。因此，监控画面上的动画效果更加真实自然。
4. 在现场调试时，基于某种需要，经常对挂接到总线上的某些I/O模块进行调换，而DeviceNet总线对于连接到总线上的模块可以随时断开或连接，而不必重新初始化系统,却不会影响到整个系统的运行。因此，给系统的调试带来很大的方便。我们可以根据现场的设备情况，随时增加和减少I/O模块。
5. 由于I/O模块都放置在现场的设备附近，这样设备连接电缆的长度大大缩短。自动线越长，电缆安装成本降低的越明显。众所周知，在一个电气安装工程中，电缆的消耗成本要占很大一块。而此次工程中，由于现场中连接每一个电气元件的电缆，都只是连接到就近的一个总线模块上，而不是向过去那样连接到电箱中。因而，此次使用的电缆量，与以往的一个类似的装配线相比，前者是后者的1/3。同时,维修人员在现场测试元件时,可以清楚地看到就近安装的I/O模块上的I/O指示灯的状态, 非常方便.在过去类似的情形中,维修人员要跑到很远的电箱处去看PLC的指示灯.
6. 在PC机中插入一块“配置器卡3G8F5-DRM21“，然后使用随卡附带的”配置器”软件系统，可以方便的对总线上的节点设备进行配置，管理。并通过它可引入其他厂家的DeviceNet总线产品，比如WAGO的总线产品。WAGO公司总线产品的特点是：结构小巧；弹簧式端子，接线快而可靠；在某一个区域仅用一个WAGO总线适配器(750-306)就可以将每个I/O模块任意组合，无论它是开光量模块、模拟量模块、串口模块、或是其他任何模块；独立接线，省去电源过渡端子，非常方便；提供更加丰富的总线模块。可以说WAGO总线是对OMRON公司DeviceNet总线的有益补充，它弥补了PLC厂家不善于制作接线端子的不足。这样，当配制器正常工作后，总线上的所有节点的状态在监控画面上都图形化，非常直观。这种应用方案准备应用在湖南长沙汽车厂涂装线中，经过试验确实可行。
7. 实践证明，DeviceNet总线系统具有较高的抗干扰性。由于总线附近有各种干扰源，如高频焠火机，变频器，伺服电机等，但在近一年的生产中，总线系统从未出现过受干扰现象，这些在传统的PLC控制系统中是要通过相应技术手段才能克服掉的。

三。在使用Omron公司的DeviceNet现场总线时，应注意以下几点：
1、 如果一个DeviceNet网络中只有一个主单元，或没有其他厂家的总线模块时，就不需要配置器，而且总线I/O的地址是根据所使用的PLC及节点号而进行缺省分配的。如果一个DeviceNet网络中有多个主单元，那么需要网络配置器，而且总线I/O的地址是可以用配制器进行分配的。
2、 干线是指在两端连接有终端电阻的电缆。支线是从干线分出的分支电缆，干线和支线都使用同种型式的电缆。通讯距离与波特率、电缆粗细的关系见表三。
表三：波特率与通讯距离关系表


3、 用作干线或支线的5线电缆中的两根作为24VDC电源用，只需将DC24V电源通过T形分支接入网络，但要保证该网络的最终端能够得到需要的工作电流。如果一个电源不能满足上述要求，那么就需要使用电源接头同时给网络多处供电。电缆的截面积与其能流过的最大电流关系见表四。
表四：电缆的截面积与其能流过的最大电流





4、 网络接地
DeviceNet网络必须在一个地方接地，这样可以保证系统的稳定。接地点尽可能靠近网络中心，将电路的屏蔽线接到电源的接地端子（FG），并使接地电阻不小于100Ω。采用多个电源时，将屏蔽线接到最接近网络中心的电源上，不要连到其它任何地方。
5、 终端电阻的位置
干线的两个末端必须接上终端电阻以减少信号衰减，并建立稳定的通信。最方便的办法是当干线末端6米内有T型分支时，将终端电阻直接插到T型分支上。当干线的末端（节点）6米内没有T型分支时，可以在这个位置接上一个带有终端电阻的T型分支或一个端子型终端电阻。
四。结束语
DeviceNet总线系统自2000年12月，运行于一汽凯尔海斯汽车底盘厂以来，经过近两年的生产环境的考验，事实证明系统安全可靠，维护简便，整体成本低于传统PLC控制系统，统计数据完整。深得现场维护人员和管理人员的好评。其生产的后轴也通过了严格的检验，并批量装配在一汽大众厂的宝莱A4轿车上。因此，我认为DeviceNet总线系统在现代工厂自动化系统中应该广泛的推广应用。(系统全貌见图2)


图2:系统全貌