基于DeviceNet现场总线的制管生产线控制系统的研究

1 Device Net现场总线

    Device Net是一种基于IEC标准的、开放式的设备层现场总线，是工业控制网的底层网络。它是由美国罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)于1994年推出的建立在CAN总线基础上的一种低成本、高性能的设备级现场总线[1‘3J，具有开放、高效率、实时性好与灵活性强等优点。Device Net将基本工业设备如开关、传感器、变频器和电动机等连接到网络，简化了传统控制系统昂贵、繁琐且技术含量低的布线工作量，节省了硬接线，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。

    一个完整的DeviceNet现场总线由主控器、现场输入输出模块、线缆及网络附件和带有DeviceNet接口的现场装置等几部分组成。由于DeviceNet现场总线具有结构简单、通讯方式灵活且可以直接和低端通讯设备相连接的优点，从而在工业生产上得到了广泛的应用。

2 制管生产线控制系统结构总体设计及控制流程

    2.1 制管生产线控制系统结构总体设计

    制管生产线控制系统由中央控制PLC、触摸屏、红外测温仪、压力传感器、编码器、可控硅电力调整器、变频器、管材绝对探伤检测仪器和相应的低压电器元件等组成，其中变频器部分选用美国罗克韦尔自动化公司的全数字高精度PFT00交流变频控制器，上层配以CompactLogix控制器和PanelView Plus的触摸屏。CompactLogix和变频器之间采用DeviceNet网络连接，PLC和PanelView Plus的触摸屏之间采用EtherNet网络连接，从而构成3级控制网络。制管生产线控制系统网络结构见图1。

    2.2 制管生产线控制系统的控制流程

    制管生产线控制系统的控制流程分为成型机部分、钎焊机部分和牵引机部分。

    2.2.1 成型机部分

    由于芯棒端部压力是决定双层卷焊管管筒成型的关键参数，因此对成型机部分的控制主要是通过控制芯棒端部压力来实现的，即是通过压力传感器和数字仪表来实现的。压力传感器将检测的压力信号通过仪表处理后显示出来，操作人员实时观察仪表的显示数据从而将压力调整到规定的范围；若生产过程中芯棒断裂，则会出现压力消失的现象，此时可通过仪表给中心控制系统的PLC发送信号，中心控制系统会立即自动停止生产线，同时触摸屏上会有报警指示。

    2.2.2 钎焊机部分

    钎焊机部分的控制主要是通过对影响双层卷焊管层间结合率的钎焊温度的控制来实现的，其设备组成包括红外测温仪、PLC和触摸屏。在实际生产中，通过PLC编译相应程序后，操作人员只需要在触摸屏上事先设定好工艺参数，通过启动相应按钮就可实现对钎焊温度的控制。其具体工作原理为：系统通过测温仪将检测到的温度信号转换成4mA～20mA的电

    流信号反馈给中心控制系统的PLC，经PLC处理后，一方面输出的电流信号传输到可控硅电力调整器的控制端，从而通过可控硅的调节使钎焊温度自动达到设定的温度，另一方面将输出信号传输到触摸屏，直接显示管材温度。

    2.2.3 牵引机部分

    由于双层卷焊管生产线是连续生产线，生产线长，因此为保证管材在生产过程中的运行速度及高度，引入牵引机。牵引机的传动系统由变频电机、变频器、PLC、编码器、触摸屏组成。其控制原理为：编码器将检测到的速度脉冲信号反馈给中心控制系统的PLC，经PLC处理后输出到变频器的控制端，通过调节变频器的频率来控制变频电机的速度，使生产线管材运行速度自动达到设定速度并保持稳定。在实际操作中，操作人员只需在触摸屏上设定工艺规定的速度，当生产线启动后，即使电网电压波动，其速度也会通过传动系统的自动调节将其速度精度控制在1％左右。

3 Device Net现场总线在制管生产线控制系统中的应用

    基于生产线控制流程，考虑到分布式控制方式具有各模块自主性的特性，并结合生产线的控制要求，对制管电气系统采用了基于Device Net总线的分布式控制方式。其中，焊接电源采用单相、380V、50kA的变压器供电，变压器一次侧用可控硅控制，输入电压为380V，输出电压为55V；焊接温度采用红外测温传感器检测，实行闭环控制，PID调节，控制精度在2％以内；通过两对光电开关，实现了钢管运行高度的稳定性。

制管生产线控制系统硬件主要包括CompactLogix过程控制站、PLC控制系统、Allen—Bradley的PowerFlex系列变频器、Allen—Bradley的PanelView Plus系列触摸屏。

    3.1 CompactI_J09ix过程控制站

    该站采用32位RISC CPU，支持32个独立的任务和15个优先级，通过ControlNet网络，实现真正的分布式控制。CompactI_J09ix过程控制LO模块种类齐全，不仅可以直接上网，具有自诊断功能，同时，由于采用“清除名单法”的技术，具有占用内存空间小的优势；且采用光电隔离，使所有的输入输出电路都能防止信号过载、瞬变和浪涌冲击。

    3.2 PLC控制系统

    该系统主要是对主传动系统的速度和张力协调控制、各种连锁控制、温度闭环控制、电动阀电磁阀控制、钎焊炉内温度PID调节、涡流探伤打点的时间及间隔时间控制等方面进行协调，从而保证各模块的正常运行。

    3.3 Allen—Bradley的PowerFlex系列变频器

    PowerFlex交流变频器具有性能可靠、体积小、性价比高等特点，广泛应用于三相感应电动机的控制。它具有标准控制和无速度传感器矢量控制两种配置方式，且由于采用最新的IGBT功率模块和高级的控制算法，可以提供任何速度下的平稳性能、超常转矩，从而保证电动机低噪声、高效率运行。Power-Flex变频器调速范围为l 000：l，调速精度最高可达±0．001％，转矩调整率为2％；无编码器时调速精度也可达到±0．5％，调速范围达120：1，转矩调整率为5％。

    3.4 AHen—Bradley的PanelView Plus系列触摸屏

    PanelView Plus 600操作员界面可提供彩色或灰度图形显示，且提供了一个压感模拟式触摸屏，允许灵活的配置触摸区域。具有在通讯接口的基本单元上安装通讯模块和增强器通讯的功能。

4 结束语

    制管生产线采用Device Net总线，可提高系统的稳定性、可靠性和扩展性，降低维护成本，缩短安装调试周期，减少故障发生，减少安装工业自动化设备的成本和时间，满足了制管生产过程控制的需要。