基于DeviceNet现场总线的汽车总装生产线控制系统.doc

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/T18858.32002，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（120，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50-70。 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。