DeviceNet现场总线技术在化工行业的应用

引言

    DeviceNet 是20 世纪90 年代中期发展起来的一种基于控制器区域网络(Controller Area Network，CAN)技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，无需通过硬接线将它们与I /O 模块相连，世界范围的150 多个供货商积极支持开放式设备网供货商协会的网络。为客户降低安装成本、缩短安装周期、减少停机时间。DeviceNet 最初由美国Rockwell公司开发应用，2002 年10 月，DeviceNet 被批准为中国国家标准GB /T18858．3-2002，并于2003．4．1起实施。

    目前，DeviceNet 技术主要应用于设备级网络，它将工业设备(如:限位开关、光电传感器、阀组、电机起动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口等) 连接到网络，消除了昂贵的硬接线成本。传输速率为125 ～ 500 kb /s。直接互连性改善了设备间的通信，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I /O接口很难实现的。本文介绍了DeviceNet 现场总线技术在化工行业的汽车涂料生产过程中的应用。

1 DeviceNet 现场总线特点

    DeviceNet 现场总线在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I /O接口很难实现的。DeviceNet 是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的，厂商将设备连接到系统时，无需购买硬件、软件或许可权。DeviceNet 技术特点有以下几方面:

    (1) 最大64 个节点。

    (2) 125 kb /s ～ 500 kb /s 通信速率。

    (3) 点对点、多主或主/从通信。

    (4) 可带电更换网络节点，在线修改网络配置。

    (5) 采用CAN 物理层和数据链路层规约，使用CAN 规约芯片，得到国际上芯片制造商的支持。

    (6) 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。

    (7) 低成本、高可靠性的数据网络。

    (8) 既适合于连接底端工业设备，又能连接像变频器、操作终端这样的复杂设备。

    (9) 采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。

    (10) 具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能。

2 汽车涂料生产系统组成

    一个完整的DeviceNet 网络由以下几部分组成:

    (1) 多台冗余的主控器(PLC 或PC)。

    (2) 现场输入/输出模块:用于连接工业控制系统中的各种现场装置，如:传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器等，产品包括可直接安装在恶劣工业环境的IP67 防护等级的输入/输出模块和适合安装在操作台和控制柜中的IP20 防护等级的输入/输出模块。

    (3) 其他现场装置:变频器、人机界面等复杂的现场装置，可以通过独立的DeviceNet 接口连接到现场总线上，以获取更多的信息。

    (4)电缆及网络附件:各种总线电缆、辅助电源电缆、连接现场输入/输出装置的电缆和接插件、无源多端口接线盒、总线T 型头、电源T 型头、终端电阻等。

    由于DeviceNet 设备网是基于生产者和消费者网络模式，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;它允许状态变化的报文发送，可以实现更快的响应，有效地减少了网络通信量。周期性的报文发送、对等通信、允许数据和状态信息在设备间进行交换，作为优化工业控制网络技术———netlinx 的底层网络( 也称设备层网络或总线)，DeviceNet 现场总线的开放性、低廉性、可靠性、高效性的优点特别适合于高实时性要求的工业现场的底层设备控制。这些优点都为更高的生产率提供了有力保障。

    由于行业特性的要求，化工行业的汽车涂料生产需要与称重系统、压缩空气系统、氮气系统、MCC变频器、现场操作显示屏等多套辅助系统进行信号传输和实时监控。具体结构框图如图1 所示。[page]

图1 汽车涂料生产系统框图

    2．1 汽车涂料生产系统特点

    汽车涂料生产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。系统连接到EtherNet 上的监视计算机应用组态软件DeviceNet Manager，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 系统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 网络实现与各物料生产线、工艺辅助设备成套控制系统、仪表盘安装系统等的处理器进行实时的控制信息交换。

    2．2 系统数据传输

    DeviceNet 可使控制数据同时到达控制的每一个单元，可以更有效地利用网络的频带宽度，消息生产者一次发送的数据可被多个消息使用者使用，从而更有效地传送数据。DeviceNet 支持多种数据通信方式，如位选通( Bit-Strobe )、轮询(Poll)、状态改变( Change of State，COS) 和周期(Cyclic)等。

    位选通方式下，利用8 bytes 的广播报文，64个二进制位的值对应着网络上64 个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备。轮询方式下，I /O报文直接依次发送到各个从设备(点对点)。循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备信号发生的快慢，灵活设定循环进行通信的时间间隔，这样就可以降低对网络带宽的要求。状态改变方式用于离散的设备，使用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信，而不是由主设备不断的查询来完成。

    控制和反馈数据的传输完全是端口间的I /O映射表完成的，如图2 所示，PC 机的命令传输给SLC，改变相应的输出/输入文件O0 和I1，扫描模块1747-SDN根据建立的输入输出映射表，将O0和I1 中的数据映射到相应的设备网上的1203-GK5 通信模块上，然后映射到变频器。

图2 I /O 映射表

    设备网上的变频器都是以轮询的方式与扫描模块1747-SDN 通信。1747-SDN 发送查询信息给一个变频器，被查询的变频器发送响应信息给1747-SDN。1747-SDN 就按照设置好的扫描列表，扫描整个设备网。这样就建立了一个端口映射的通道。反馈变频器的运行参数时，也是建立这样一个通道。一个扫描周期就可以对网络上所有设备扫描一遍，刷新它们的输入输出映射状态。

    DeviceNet 使用的通信协议为11 位表示符，即所有的I /O 消息都有各自11 位标识符ID。标识符ID，分成四个消息组，各有不同用途，ID 中同时提供了多重优先权。工作时，总线上的设备监听网络上消息，当设备辨识出正确的标识符后将接受该消息。

3 结语

    经过实际应用，在化工工厂采用DeviceNet 现场总线控制有很多值得借鉴的优点:

    (1) 采用总线通信控制变频器，具有硬件逻辑简单、软件结构严谨、抗干扰能力强的特点。以此方式，可以实现全车间的现场总线网络控制。

    (2) 系统动态响应速度快，对于负载的变化能够很好地作出调整，保证了系统安全稳定长期运行。设备产能提升速度快，能够极大地提高系统的匹配能力，是对整个车间的产量变化起着至关重要的一部分。

    (3) 本系统通过DeviceNet manager 监控界面，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，让系统运行更加安全、更加稳定。

    (4) 本系统的使用节约了成本和维修费用，降低了设备故障率，维修时故障排除时间减少75%以上，有效提高了生产效益。

    DeviceNet 现场总线技术在安全生产、节能降耗等方面发挥了重要的作用，设备和网络表现出了前所未有的可维护性和可扩展性，更为突出的是，工控系统与信息技术的结合，给企业带来了经济和社会效益。