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DeviceNet现场总线在饮料配料控制系统的应用

摘要：文章从介绍现场总线DeviceNet系统的组成以及基本概念出发，对基于Allen-Bradley SLC系列PLC控制的饮料配料控制系统的硬件组成和软件设计进行阐述。依据现场应用情况总结DeviceNet现场总线系统的优点。

关键词：现场总线；DeviceNet；饮料配料控制系统；PLC；变频器；自动控制；总线故障分析

DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN(controller Area Network)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。最初由美国Rockwell公司开发应用。饮料配料系统是饮料生产的关键设备，其控制系统的性能与可靠性直接影响到生产的产品品质。自动化的饮料调配系统是一个多工艺，多环节的多任务组合系统，依照按设定的工艺要求对整个饮料生产过程中的原材料溶解，过滤，均质，灭菌过程进行控制，准确地对料位、温度、压力等关键参数进行自动调节，并连续稳定的进行产品的输出。利用可编程控制器PLC结合DeviceNet现场总线对整个饮料的处理和输送过程进行监控，并对系统故障进行记录、显示及警报输出。

一、DeviceNet网络的特点及硬件基础

DeviceNet顾名思义就是设备网，和现在使用的众多其他总线系

统一样，DeviceNet的目的也是用DCS系统代替原先的集中自动控制系统，降低系统成本并提高可靠性。 (一)DeviceNet的许多特性沿袭于CAN

CAN，总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是：短帧传输，每帧的最大数据为8个字节；无破坏性的逐位仲裁技术；点对点、多主或主/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。

(二)DeviceNet是一种简单的低成本的通讯总线网络解决方案 它将工业设备(如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口等)连接到网络。在提供多供货商同类部件问的可互换性的同时，减少了配线和设备安装的成本和时间。DeviceNet不仅使设备之间以一根电缆互相连接进行远程I/O通讯，改善了设备间的通讯响应时间，更重要的是它还能够进行报文通信。在I/O通讯的同时实现设备的设定及监控。

(三)DeviceNet是一个开放的网络标准

规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeviceNet供货商协会(ODVA)获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。 (四)协议

除了提供ISO模型的第7层(应用层)定义之外，DeviceNet规范还定义了部分第1层(物理收发器)和第0层(传输介质)。下图为DeviceNet在ISO模型中的相关层。对DeviceNet节点的物理连接也作了清楚的规定。连接器、电缆类型和电缆长度，以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。

DeviceNet使用“生产者-消费者”通讯模型。DeviceNet发送节点生产网络上的数据，而DeviceNet接收节点则消费网络上的数据；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。 (五)网络拓朴结构

DeviceNet的网络拓扑和ISO118规定的CAN的网络拓扑是一样的，支持总线型树型和星型拓扑。在网络的起点和终端必须配有121欧姆的终端电阻，用来维持总线的电气平衡。 (六)传输特点

DeviceNet网络电缆传送网络通讯信号，并同时可以给网络设备供电。总线供电时，粗缆和扁缆最大总电流8A，细缆最大电流3A。或使用电源供电。

DeviceNet网络最大节点数是个，可用的通讯波特率分别为125kbps、250kbps~500kbps三种。通讯速度和线缆的长度有关。 DeviceNet网络一般由主干缆和支线缆组成，而电缆类型有粗缆，细缆和扁平电缆，不管粗缆和细缆都可以作为主干缆和支线缆，不同的是，粗缆和细缆作为主干缆和支线缆的最大长度不同。

由于DeviceNet网络对于单个分支和总的支线长度都有严格要求。因此，在考虑网络布线时，最好是采用标准总线形式的拓扑结构，使总线变的弯曲来尽量减少分支的长度。

DeviceNet设备的物理接口可在系统运行时连接到网络或从网络断开，并具有极性反接保护功能。可通过同一个网络，在处理数据交换的同时对DeviceNet设备进行配置和参数设置，这样使复杂系统的试运行和维护变得比较简单；而且现在有许多的高效工具供系统集成者使用，开发变得容易。 (七)DeviceNet线缆定义 (八)DeviceNet连接器

(九)DeviceNet设备的EDS-文件

为了实现同类设备的互用性并促进其互换性，同类设备间必须具备某种一致性，即每种设备类型必须有一个标准的模型。

设备描述(Device Profiles)通过定义标准的设备模型，促进不同厂商同类设备的互操作性，并促进其互换性。ODVA已经规定了一些工业自动化中常用产品的设备描述。例如，通用I/O(离散或模拟)、驱动器、位置控制器等。

在DeviceNet规范中设备描述分为3个部分：

第一，设备类型的对象模型。对象模型定义了设备中所必需和可选的对象分类。对象模型还指定了实现的对象实例的个数，这些对象如何影响设备的行为，及其与这些对象的接口。

第二，设备类型的I/O数据格式。在设备描述中指定了I/O数据的格式。通常也包括组合对象的定义，组合对象属性包括了特定的数据的映射。

第三，配置数据和访问该数据的公共接口。描述了配置数据以及数据的公共接口实现。通常包含在电子数据文档(EDS)中，EDS包含在设备的用户文件中。

DeviceNet规范规定了电子数据文档(EDS)的格式，EDS文件提供访问和改变设备可配置参数的所有必要信息。当使用电子数据文档(EDS)时，供货商可以将产品的特殊信息提供给其它供货商。这样可以具有友好的用户配置工具，可以很容易的更新，无需经常修正配置软件工具。

二、饮料配料控制系统组成

完整的饮料配料系统由热水溶糖系统，提取过滤系统，辅料溶解添加系统，定量混合系统等组成。该控制系统是一个DeviceNet的现场总线控制系统。系统的网络配置如下图所示：

主可编程控制器CPU是AB公司的SLC504，人机界面为西门子MB170移动操作屏通过一个RS422连至AB-SLC504。移动操作屏方便操作员现场控制调配工艺过程。DeviceNet网络的通讯波特率为500KB/S。从站包括有AB公司的FlexI/O现场10，电机驱动为

DANFOSS带DeviceNet协议的VLT5000系列变频器，气动阀采用FESTO的紧凑型DeviceNet协议阀岛CPV系列。

采用AB的1747-SDN扫描模块。用Rockwell的DeviceNet组态软件RSNetWorx for DeviceNet配置现场模块的I/O地址。I/O信息报文采用轮询方式传递。

现场I/O根据系统功能的分类，进行了模块化分组设计，使各块工艺流程和自控系统相对，可以满足复杂系统的多任务协同安装调试工作，提高了工作效率。

三、结 语

采用了DeviceNet现场总线的控制系统，具有布线简单，现场安装调试方便，运行可靠，维护方便快捷的优点，不仅降低了成本，而且提高了设备的运行效率，提高整个系统的高效稳定运行，减少后期维护。

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