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基于DeviceNet现场总线的汽车总装生产线控制系统
佟为明、李辉、林景波
摘要：DeviceNet 现场总线是由罗克韦尔自动化公司推出的，是一种开放、低价、可靠、高效的底层工业控制网络，可广泛应用于各个领域，现已成为国际标准、欧洲标准和中国国家 标准。根据中国第一汽车集团的发展规划，设计了基于DeviceNet现场总线的汽车总装生产线控制系统，阐述了系统结构及其强大的功能。系统包含12条 DeviceNet网络、200多个节点，总线长度达3000m。系统总体技术达到了国际先进水平。运行实践表明，系统大大提高了企业的生产效率，为企业 创造了明显的经济效益。
关键词：DeviceNet 汽车生产线 PLC 控制系统
一、引言
DeviceNet现场总线是世界一流的自动化控制和信息解决方案供应商——美国罗克韦尔自动化 (Rockwell Automation)公司推出的最优的工业控制网络技术——NetLinx的底层网络。 DeviceNet具有开放、低价、可靠、高效的优点，特别适合于高实时性要求的工业现场的底层控制。
DeviceNet现已成为国际标准IEC62026-3（2000-07）低压开关设备和控制设备 —控制器-设备接口，也已被列为欧洲标准EN50325。此外，DeviceNet实际上是亚洲和美洲的设备网标准。DeviceNet得到了世界各地众 多制造商的支持，已经注册的符合DeviceNet规范的产品有数千种，实际应用的DeviceNet节点设备已达数百万个。在北美和日 本，DeviceNet在同类产品中占有最高的市场份额，在世界其它各地也呈现出了强劲的发展势头。
DeviceNet进入我国虽然比较晚，但因其突出的优点而受到了我国有关部门和单位的高度重视。 2002年10月8日，DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.3—2002，并于2003年4月1日开始实施，从而进一步推动了 DeviceNet现场总线技术在我国的推广与应用。
DeviceNet可广泛应用于各行各业，以中国的汽车工业为例，DeviceNet已应用于一汽- 大众汽车有限公司的AUDI A6、BORA A4、JETTA的焊装生产线、总装生产线，张家港牡丹汽车厂的焊装生产线、总装生产线，青岛颐中汽车厂的涂装生产线，长春客车厂转向架涂装线，哈飞汽车 厂的焊装生产线、涂装生产线、总装生产线，等等。本文介绍DeviceNet在一汽-大众BORA A4总装生产线的应用。
二、总装生产线设计目标
一汽-大众BORA A4总装生产线的设计是根据中国第一汽车集团公司发展规划、对原总装生产线的设备及控制系统进行技术改造的项目，设计目标是满足BORA A4和JETTA两种车型混线生产的要求，以达到生产节拍90s/辆、年产十五万辆的生产能力。总装生产线工艺设计采用国际上先进的模块化工艺装配技术以 及多种车型混线生产的柔性生产线技术，并配备高效、可靠、维护方便的控制系统，以提高整车装配质量。
BORA A4生产线工艺流程由存储区、工件装配区、升降区、检修区、检测区、下线区组成。机械化生产线系统包括整车装配线（工艺链,由多台电机驱动）、车身输送线 （积放链）、储备线（积放链）、升降机等。其中，停止器22个、推车机10个、道岔6个；电机的驱动与控制均要求变频调速；现场被控设备数量多且具有高度 的分散性：I/O点约2600 个、长度达3000m。
为了满足生产线的设计要求并尽量节约成本，在充分利用原有设备及线路的前提下，对原有的输送系统重新 进行了更为合理的布置；在各线之间的转线处均加装推车机，避免了转线故障；采用新型平衡轨系统，使生产线的运行平稳、可靠，减轻了工人的劳动强度；将轿车 靠模轨下线改为升降机下线，为整个轿车装配线增加了两个工位；增加了机械手装配工位。
生产线原控制系统是在多年前设计的，采用的是传统的PLC集中控制，系统控制精度低，操作不便；所有 的数字量与模拟量I/O点均从PLC柜内接线，导线用量大、布线复杂、故障率高，给现场维护带来了诸多不便，严重地影响了生产，已不适应现代企业的生产要 求。因此，必须设计一种性能优异的新型控制系统，这是保证生产线达到预定设计目标的关键。
2.1 控制系统
在分析比较了各种不同的控制方案后，决定采用以DeviceNet为底层网络的现场总线控制系统，如 图1所示。DeviceNet网络上连接的输入设备有按钮、急停开关、接近开关、光电开关、行程开关等，输出设备有指示灯、控制阀、变频器等。系统通过 ControlNet实现不同PLC之间的互相通信, 完成在中央控制室的监视、控制、故障报警、管理信息交换等功能。

图1 以DeviceNet为底层网络的总装生产线现场总线控制系统

图2 PLC-5/80C硬件配置
图2为系统中所用的罗克韦尔自动化公司的可编程控制器PLC-5/80C的硬件配置（其自身有内置的 远程I/O（RIO）和ControlNet接口）。由于系统中控制的点数多、线路长，因此用了6个1771-SDN扫描器，共12条DeviceNet 网络与被控设备相连。12条DeviceNet网络分别命名为1DN1、1DN2、2DN1、2DN2、3DN1、3DN2、4DN1、4DN2、 5DN1、5DN2、6DN1、6DN2。其中，1DN1控制生产线上的所有14台变频器；1DN2控制生产线上的所有FlexI/O节点，FlexI /O所连接的大部分设备是原总装生产线上不能直接连接到DeviceNet网络上的设备；2DN1控制车身输送线（积放链）；2DN2控制储备线（积放 链）；3DN1和3DN2控制另一条储备线（积放链）；4DN1至6DN2控制整车装配线（工艺链整车装配线的工艺非常复杂，由153个工位组成，主 要控制功能有工艺急停、与其它设备连锁等；主要设备有底盘打号机、天窗装配机械手、涂胶机械手、装配机械手、风挡玻璃涂胶机器人、驾驶系统控制模块、动力 总成、检测装置等。系统共有200多个节点。
所有现场生产设备的工作状态、工作参数、故障信息等均通过DeviceNet网络传送至位于中控室的 控制器；控制器对现场生产设备实施的各种控制也是通过DeviceNet网络进行的。系统中连接到EtherNet上的监视计算机应用组态软件 RSView32，以丰富的文字、形象的图形显示各生产设备的运行状态、运行参数、自动弹出故障报警画面、记录故障点、调出相关的控制程序及电控图纸，也 可进行生产信息的自动记录、统计管理等，并可将报警信息（故障点、故障原因、故障时间等）传送至维修部门的远程终端上，而且可通过连接到EtherNet 上的控制器控制生产线的起停、改变控制参数等。系统通过远程I/O在控制柜上安装了人机接口HMI，用于显示生产设备的工作状态、工作参数、调节控制参数 等。系统具有完善的PLC故障自动诊断程序和HMI报警系统，使设备故障的查询极其快速、方便、准确。系统采用电流闭环自动控制技术解决了单链多驱动同步 控制的技术难题，保证了生产线的正常、安全运行。系统控制层采用冗余的ControlNet网络实现与车门分装线、升降机控制系统、仪表盘安装系统等的 PLC处理器进行实时的控制信息交换。
2.2 系统构建与调试
现场的所有信号通过DeviceNet网络实时传输到控制器，控制器控制信号也是通过DeviceNet网络传输到现场设备中，因此DeviceNet网络的构建是整个控制系统的基础，其构建步骤如下：
· 进行总体规划，合理布线；
· 将DeviceNet网络节点设备连接到网络上；
· 安装通信软件RSLinx和网络组态工具软件RSNetworx for DeviceNet或DeviceNet Manager；
· 给将要添加到DeviceNet网络上的每个设备分配节点地址并设置正确的通信波特率，因为DeviceNet网络上每个网段所有节点的通信波特率必须一致，且不允许有节点地址重复的设备；
· 将编程终端（计算机或专用编程设备）连接到网络上（通过计算机通信板卡或外置通信模块）并建立 通信，即在RSLinx下配置DeviceNet驱动程序：DeviceNet Driver(1784-PCD/PCIDS、1770-KFD、SDNPT driver)（该操作只能在在线模式下进行）；
· 通过网络（DeviceNet或上层网络ControlNet、EtherNet）配置DeviceNet设备运行参数，如设备的I/O数据触发方式、设备I/O报文的大小及设备本身的运行参数（如变频器的启动方式、最大频率及其它运行参数）；
· 将设备配置参数下载到节点设备和DeviceNet Scanner（1791-SDN）中，并保存到网络组态工具软件的配置文件中（用于离线查看网络信息或配置相同的网络）。
DeviceNet网络的硬件布线及软件组态十分简便，因此系统的安装调试周期大大缩短。
在进行DeviceNet网络硬件安装调试时应注意：
a. 推荐选用罗克韦尔自动化等公司的DeviceNet总线电缆及连接组件（这可使硬件安装大大简化，并提高可靠性）；
b. 每个网段供电电源只能有一点接地；
c. 网络总线两端应安装正确的终端电阻（120Ω，可选配罗克韦尔等公司随系统提供的标准终端电阻），在系统不上电时测得的网络CAN-H和CAN-L之间的电阻值应在50-70Ω。
二、结论
基于DeviceNet现场总线的汽车总装生产线控制系统，总线长度（3000m）、节点数量 （200多个）等均为目前全国之最，系统总体技术达到了国际先进水平。三年来的系统运行实践表明，系统功能强大、安全可靠、操作灵活，为一汽-大众公司创 造了明显的经济效益，并大大提高了生产效率、自动化生产水平和管理水平，使得公司在激烈的市场竞争中处于领先地位。
参考文献
· 佟为明，林景波. 现场总线概述. 低压电器, 2002, (4):34-39
· DeviceNet Specification,Release 2.0, including Errata 4, April 1,2001, ©1995-2001 by Open DeviceNet Vendor Association
· Steve Biegacki, Dave Gompel. The application of DeviceNet in process control. ISA Transactions, 1996,35:169-176
· Feng-Li Lian, Moyne, J.R, Tibury, D.M. Performance evaluation of control networks: EtherNet, ControlNet, and DeviceNet.IEEE Control Systems Magazine, Volume: 21 Issue:1, Feb 2001 Page(s):66-83
· Rockwell Automation. ControlNet PLC_5 Programmable Controllers Cat. No. 1785_L20C, _L40C User Manual, September 1995
· Rockwell Automation. DeviceNet System Overview, Apr 1999
· Allen_Bradley. DeviceNet Manager Software Version 3.001 (Cat. No. 1787_MGR) User Manual, May 1997
作者简介
佟为明：男，1964年10月出生，博士，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学网络与电器研究所所长； 《低压电器》编委，中国电源学会理事，中国电源学会特种电源专委会委员；著作部分：发表论文90余篇；主要研究方向：现场总线，数字式继电继电保护测控装 置与系统，电磁兼容技术，变频电源与谐波抑制。