Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt die DeviceNet-Feldbustechnologie und ihre Anwendung in der Prozessautomatisierung von Airlaid-Papier vor. Er beschreibt Prinzip, Eigenschaften, Anwendung, Wartung und Fehlerbehebung des DeviceNet-Feldbusses. Schlüsselwörter : Feldbus, DeviceNet, Offenes Netzwerk, Airlaid. 1. Einleitung: Airlaid- Papier (auch bekannt als expandiertes Kernmaterial) ist ein hochwertiges, neuartiges Hygieneprodukt. Es zeichnet sich durch hohe Saugfähigkeit, zuverlässige Wasserrückhaltung und hygienische Sicherheit aus und findet breite Anwendung in Produkten wie Damenbinden, Inkontinenzprodukten für Erwachsene und Babywindeln. Um die steigende Marktnachfrage nach Reinraumpapier im asiatisch-pazifischen Raum zu decken, investierte die BBA Group, ein weltweit führendes Unternehmen für Vliesstoffe, 1999 in die Boai (China) Expanded Core Material Co., Ltd. in Tianjin, China, und gründete diese. Dort installierte das Unternehmen die heute weltweit modernste Reinraumpapier-Produktionslinie, die im Herbst 2001 mit einer Jahreskapazität von 16.000 Tonnen offiziell in Betrieb ging. Die herausragenden Eigenschaften des Reinraumpapiers beruhen nicht nur auf hochwertigen Rohstoffen, sondern auch auf einem stabilen und zuverlässigen Produktionsprozess. Die hohe Leistungsfähigkeit und exzellente Qualität unserer Reinraumpapier-Produktionslinie sind dem erstklassigen offenen Netzwerk-Steuerungssystem und den Anlagen von Rockwell Automation zu verdanken. Insbesondere der Einsatz des DeviceNet-Feldbusses verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit des Steuerungssystems, sondern vereinfacht auch den Betrieb, die Überwachung, die Wartung sowie die Fehlerdiagnose und -behebung erheblich. Da DeviceNet auf einem Hersteller-Kunden-Netzwerkmodell basiert, erreichen die Steuerungsdaten alle Netzwerkstationen gleichzeitig, was zu einer hohen Netzwerkauslastung führt. Es ermöglicht außerdem die Übertragung von Statusmeldungen, was schnellere Reaktionszeiten und eine effektive Reduzierung des Netzwerkverkehrs zur Folge hat. Die periodische Nachrichtenübertragung sorgt für eine höhere Deterministik; die Peer-to-Peer-Kommunikation ermöglicht den Austausch von Daten und Statusinformationen zwischen den Geräten; diese Vorteile gewährleisten eine deutlich höhere Produktivität. 2. Offene Netzwerksteuerungsstruktur der Reinraumpapier-Produktionslinie: Die Reinraumpapier-Produktionslinie unseres Unternehmens wurde vollständig aus Europa importiert und ist derzeit die modernste Anlage der Branche. Ihr Steuerungssystem übernimmt das Konzept der umfassenden Automatisierung von Rockwell Automation aus den USA und durchdringt alle Ebenen des Netlinx-Systemnetzwerks. [align=center] Abbildung 1: Schematische Darstellung des Kommunikationsnetzwerks von Rockwell Automation[/align] Es realisiert eine nahtlose Verbindung von der Informationsschicht (Ethernet) zur Steuerungsschicht (ControlNet) und zur Feldschicht (DeviceNet). Wie in Abbildung 1 dargestellt, erfordert Reinraumpapier relativ strenge Produktionsprozessbedingungen. Es handelt sich um ein Trockenpapierverfahren. Der grundlegende Prozessablauf ist folgender: Unter konstanter Temperatur, Luftfeuchtigkeit und konstantem Druck werden zerkleinerter Zellstoff, Fasern, SAP, PE-Pulver und andere Rohstoffe in der Formanlage gleichmäßig geformt und anschließend durch Prozesse wie Klebstoffsprühen, Erhitzen/Schmelzen, Heißpressen, Kühlen, Schneiden und Walzen zu qualifizierten Produkten verarbeitet. Unsere Produktionsliniensteuerung besteht aus neun AB PLC5 (acht Einheiten) und einer AB SLC500 speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit Ethernet-Anbindung. Diese steuern neun Prozessbereiche: Hauptklimatisierung, Rohmaterialaufbereitung, Papierabwickler, Heißölsystem, Hauptfiltersystem, Hauptliniensteuerung und Spulensystem. Sechs SPSen sind im SPS-Schaltschrank im MCC1-Raum, dem zentralen Motorsteuerzentrum der Anlage, installiert. Die Ethernet-Schnittstelle jeder SPS ist über verdrillte Zweidrahtleitungen mit einem Hub im SPS-Schaltschrank verbunden. Die drei übrigen SPSen befinden sich in Schaltschränken an den Anlagenstandorten und sind ebenfalls über Glasfaserkabel mit dem MCC1-Hub verbunden. Fünf mit der Software RSview32 ausgestattete AB-Industrie-PCs sind im zentralen Kontrollraum installiert. Ihre Ethernet-Schnittstellen sind mit einem Hub im Kontrollraum und von dort über ein Glasfaserkabel mit einem Hub im SPS-Schaltschrank verbunden. Dieses Netzwerk ist wiederum über einen Hub mit dem Intranet des Unternehmens verbunden und bildet so über das TCP/IP-Protokoll ein Ethernet-Netzwerk, das die Informationsschicht (Managementschicht) darstellt. (Siehe Abbildung 2 unten: Schematische Darstellung des Netzwerks der Steuerungs- und Informationsschicht) [align=center] Abbildung 2 Schematische Darstellung des Netzwerks der Steuerungs- und Informationsschicht[/align] Zusätzlich zur Anbindung lokaler und entfernter E/A-Module, PanelView-Benutzeroberflächen usw. sind die meisten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit DeviceNet-Scannern (1771-SDN oder 1747-SDN) ausgestattet und über DeviceNet-Kommunikationsmodule (1336-GM5, 1203-GK5, 1794-ADN usw.) mit intelligenten Feldgeräten wie Frequenzumrichtern, Sanftanlaufgeräten, Flex-E/A-Modulen, Lichtschranken der Serie 9000 usw. verbunden. Dadurch entsteht ein DeviceNet-Gerätenetzwerk, das die effektive Steuerung von Feldgeräten ermöglicht. 3. Funktionen und Eigenschaften von DeviceNet: DeviceNet ist ein Feldbus auf Basis der CAN-Bus-Technologie. Es handelt sich um ein offenes Kommunikationsnetzwerk, das dem internationalen Feldbusstandard IEC 61158 entspricht. DeviceNet dient der Kommunikation zwischen Feldgeräten und SPS. Die Übertragungsrate ist auf 125, 250 oder 500 kbit/s einstellbar, die maximale Übertragungsdistanz beträgt 500 Meter und es können maximal 64 Knoten (Stationen) angeschlossen werden. Online-Konfiguration und Hot-Swapping sind möglich. DeviceNet unterstützt Master/Slave-, Multi-Master- und Peer-to-Peer-Kommunikationsmodi. Benutzer-SPSen können Feldgeräte über das DeviceNet-Netzwerk mithilfe von Steuerungsprogrammen und Daten eines Host-PCs effektiv überwachen. DeviceNet lässt sich mit der Rockwell-Software RS Networx for DeviceNet oder DeviceNet Manager konfigurieren und verwalten. Das DeviceNet-Netzwerk zeichnet sich durch eine einfache Struktur, hohe Echtzeitfähigkeit und ein Hersteller-/Kundenmodell aus und bietet leistungsstarke Funktionen zur Fehlerdiagnose und -behebung. Dadurch ist es ein idealer Feldbus auf Geräteebene. 4. Physische Struktur des DeviceNet-Netzwerks in einer Reinraum-Papierproduktionslinie. Das DeviceNet-Netzwerk unseres Unternehmens verwendet vier AB PLC5-40E und eine SLC5/04 als Master-Einheiten. Jede SPS verfügt über ein DeviceNet-Scannermodul (AB 1771-SDN oder 1747-SDN) in ihrem lokalen Rack. Der 1771-Scanner besitzt zwei Kanäle, an die jeweils bis zu 64 externe Stationen (typischerweise 63) angeschlossen werden können. Jede SPS nutzt ihren lokalen Netzwerkscanner, um über einen DeviceNet-Kommunikationsadapter (1203-GK5, 1336-GM5, 1794-AND usw.) verschiedene Feldbusgeräte innerhalb ihres Steuerungsbereichs anzubinden. Zu diesen Stationen gehören hauptsächlich: AB-Frequenzumrichter (Serien 1336F, 1336E, 160SSC), A-B-Motorsanftanlaufgeräte (Serie SMC 150), FLEX I/O (Serie 1794), ARMOR-Block-geschützte I/O-Komponenten, Lichtschranken der Serie 9000 usw. Ein typisches DeviceNet-Netzwerk verwendet eine Trunk/Branch-Struktur. Unser Unternehmen nutzt eine Daisy-Chain-Ringverbindung, bei der jede Station mit standardmäßigen, geschirmten, runden fünfadrigen Kommunikationskabeln von Belden verbunden ist. (Siehe Abbildung 3 unten für das Daisy-Chain-DeviceNet-Kommunikationsnetzwerk; am Beispiel des Wechselrichternetzwerks.) [align=center] Abbildung 3: Daisy-Chain-DeviceNet-Kommunikationsnetzwerk für Wechselrichter[/align] Da die Anlagen in unserem Werk relativ weit verstreut sind, liegen einige Stationen recht weit auseinander. Insbesondere zwischen einigen Feldstationen beträgt der Abstand mehr als 100 Meter. Daher wurde die Übertragungsrate aller DeviceNet-Netzwerke auf 125 kbit/s eingestellt, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten. Neben den verteilten E/A-, HMI- und Sensorstationen am Produktionsstandort ist das DeviceNet-Netzwerksystem für über hundert Wechselrichter in zwei Motor Control Center (MCC)-Räumen verteilt, was eine zentrale Steuerung und einheitliche Verwaltung der Motoren ermöglicht. (Wie in Abbildung 4 dargestellt: Eine Ecke des DeviceNet-Wechselrichternetzwerks im MCC-Innenraum. Hinweis: Das gelbe Kabel in der Abbildung ist das Netzwerkkommunikationskabel.) Zwischen den verschiedenen DeviceNet-Arbeitsplätzen verwenden wir größtenteils offene Schnittstellen (Hinweis: Einige Stationen vor Ort verwenden gekapselte T-Schnittstellen oder gekapselte Anschlussbuchsen). Die Stromleitungen, Kommunikationsleitungen und abgeschirmten Kabel zwischen den Stationen sind parallel geschaltet, um eine kettenartige Topologie zu bilden. Am Anfang und Ende jeder Station sind Abschlusswiderstände installiert (121 Ω, 1 %, 1/4 W). [align=center] Abbildung 4: Eine Ecke des DeviceNet-Wechselrichternetzwerks im MCC-Innenraum[/align] 5 DeviceNet-Konfigurationssoftware und Steuerungsimplementierung Die Kommunikation zwischen dem PC und dem DeviceNet-Scanner der SPS kann über den DeviceNet RS-232-C PC-Schnittstellenadapter (1770-KFD) oder die DeviceNet-PC-Karte (1784-PCD) erfolgen. Die DeviceNet-Managementsoftware RS Networx for DeviceNet ist eine Windows-basierte Anwendung zur Konfiguration von DeviceNet, zum Projektmanagement und zur Netzwerkfehlerdiagnose. Sie unterstützt die Konfiguration von elektronischen Datenblättern (EDS) für AB-Geräte (Automatic Beacon) und Geräte von Drittanbietern. Das DeviceNet-Protokoll definiert zwei Nachrichtentypen: Explizite Nachrichten und E/A-Nachrichten, die beide gleichzeitig über den Bus übertragen werden können. Bei der Konfiguration muss zunächst der Scanner eingerichtet werden. Dazu wird die E/A-Adressschnittstelle zwischen Scanner und SPS festgelegt und die Kommunikation zwischen Scanner und den einzelnen Stationsadaptern hergestellt. Bei der Konfiguration jeder Station im Netzwerk muss zunächst deren Adresse (Stationsnummer) definiert werden. Die Stationsadressen können nicht zusammenhängend sein, müssen aber mit den DIP-Schaltereinstellungen der jeweiligen Stationsadapter übereinstimmen. Für Workstations mit E/A-Typen wie Flex I/O oder Armor Block I/O verwenden wir E/A-Nachrichten zur Zuordnung der Ein- und Ausgänge jeder Station. E/A-Nachrichten werden periodisch und mit hoher Priorität übertragen, um ihre Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Für Anlagen wie Frequenzumrichter und Sanftanlaufgeräte verwenden wir explizite Nachrichten, um die Wortlänge für den Sende-/Empfangsverkehr zwischen der SPS und jeder Station festzulegen, den Kommunikationsmodus zu definieren (wir verwenden den Polling-Modus, der in jedem Scanzyklus ausgeführt wird) und die entsprechende „Soft“-E/A-Beziehung zwischen den SPS-Einheiten herzustellen. Anschließend kompilieren wir mit der PLC5-Programmiersoftware RSLogix5 Blockübertragungsbefehle (BTR/BTW), um die Erfassung und Steuerung der E/A-Informationen der Arbeitsstationen im Netzwerk durch die SPS zu realisieren. Das SPS-Steuerungsprogramm kann dann entsprechend dem Betriebszustand jeder Station Steuerbefehle an diese senden, um die Prozessanforderungen zu erfüllen. Da alle SPSen in unserem Unternehmen an Ethernet angeschlossen sind, befindet sich im Kontrollraum eine RSView32-Überwachungsstation im Netzwerk. Jeder Monitor kann die Überwachungsoberfläche verschiedener Prozessbereiche von RSView anzeigen. Im zentralen Kontrollraum können wir alle Anlagen im Werk steuern und den aktuellen Betriebszustand jeder Station einsehen. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist sehr benutzerfreundlich. 6. Erfahrungen mit dem DeviceNet-Netzwerk (1) Der DeviceNet-Feldbus kann erhebliche Kosten einsparen. Bereits bei der Installation werden Stromversorgung und Kommunikation aller Stationen im Netzwerk über nur ein einziges Kommunikationskabel realisiert. Dies spart im Vergleich zur Punkt-zu-Punkt-Steuerung viele Kabel und Kabeltrassen. Dadurch verkürzt sich nicht nur die Installationszeit, sondern auch die Installationskosten werden reduziert. Aus Sicht der Steuerung spart die Nutzung der Netzwerkkommunikation und von „Soft-I/O“ ebenfalls I/O-Module und damit Kosten. Beispielsweise können an der Wechselrichter-Workstation Befehle wie Start/Stopp und Beschleunigung/Verzögerung sowie Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur über die DeviceNet-Netzwerkkommunikation realisiert werden. Dies spart I/O-Module, insbesondere teure analoge I/O-Module. (2) Die Ausfallrate der Geräte wird deutlich reduziert, und die Diagnose sowie die Fehlerbehebung werden vereinfacht. Da DeviceNet das gesamte Gerätenetzwerk mit nur einem Kommunikationskabel steuert, wird die Ausfallrate der Geräte erheblich reduziert. Die Kommunikationsendgeräte jeder Station unterstützen Hot-Swapping. Tritt also ein Problem an einer Station auf und wird der Fehler behoben, beeinträchtigt dies nicht den normalen Betrieb der anderen Stationen im Netzwerk. Die Steuerung jeder Station über Datenkommunikation reduziert nicht nur die Anzahl der Kabel im Vergleich zur herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Verbindung erheblich, sondern verringert auch die Anzahl der Fehlerstellen und verbessert die Systemstabilität. Die zentrale Steuerung durch die Motorkontrollzentrale (MCC) über das Gerätenetzwerk ist sehr effektiv und vereinfacht die Fehlerdiagnose erheblich. Beispielsweise benötigen Frequenzumrichter dank MCC und Netzwerksteuerung nur fünf typische Steuerschaltungen für über 100 Umrichter. Dies erleichtert die Fehlersuche und -behebung. Im Fehlerfall eines Frequenzumrichters sind die Alarminformationen nicht nur in der zentralen Leitwarte, sondern auch über den Netzwerkscanner oder die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Frequenzumrichters einsehbar – komfortabel und schnell. (3) Die Systemüberwachung wird komfortabler und intelligenter. Über die RSview-Überwachungsschnittstelle kann die zentrale Leitwarte jederzeit auf einzelne Stationen im Gerätenetzwerk zugreifen und diese steuern sowie die Steuerungsparameter nach Bedarf anpassen. Sie kann den Betriebszustand der Geräte im Netzwerk überwachen, z. B. Motorstrom, Temperatur und andere Parameter, um den ordnungsgemäßen Betrieb aller Geräte sicherzustellen. 7. Erfahrungen bei der Wartung und Fehlerbehebung des DeviceNet-Netzwerks: (1) Kommunikationsstörungen: Während der Betriebs- und Inbetriebnahmephase unserer Anlage entsprach die Statusanzeige einiger Stationen (RSview-Benutzeroberfläche in der Leitwarte) mitunter nicht ihrem tatsächlichen Betriebszustand, oder die Steuerbefehle wurden nicht korrekt ausgeführt. Nach Diagnose und Analyse ergriffen wir im Wesentlichen folgende Maßnahmen: 1) Überprüfung und Festziehen aller Abschlusswiderstände zur Vermeidung von Signalreflexionen. Abschlusswiderstände dienen der Vermeidung (Reduzierung) von Kommunikationssignalreflexionen. Um die korrekte Funktion der Abschlusswiderstände zu überprüfen, sollte der Widerstand zwischen zwei beliebigen CAN-H- (blauer Draht) und CAN-L-Anschlüssen (weißer Draht) im Netzwerk bei ausgeschalteter Stromversorgung (nur während der vorbeugenden Wartung oder bei Systemausfall) etwa 60–70 Ω betragen. 2) Schließen Sie die Erdungsleitung des DeviceNet-Netzwerks zuverlässig an, um externe Störungen zu vermeiden. Um Kriechströme zu verhindern, sollte die Schirmung des Signalkabels nur an einem Ende geerdet werden. Der Erdungspunkt sollte idealerweise von der dem Netzwerk nächstgelegenen physischen Zentralstation aus geführt werden, um die beste Wirkung zu erzielen und Störungen zu minimieren. In unserem Werk wird die Erdungsleitung von der Scannerstation des SPS-Racks aus geführt. Die Erdungsmethode ist: V- zuverlässig mit Schirmung und Drain mit PE verbinden. Durch die Anwendung der beiden oben genannten Methoden (1) und (2) sowie regelmäßige Wartungsprüfungen kann der einwandfreie und zuverlässige Betrieb des Netzwerkkommunikationssystems sichergestellt werden. Um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten, ist beim Verdrahten des Netzwerks Folgendes zu beachten: 1) Um Störungen durch Stromkabel zu vermeiden, sollten Kommunikationskabel separat verlegt werden. Falls sich Kommunikations- und Stromkabel im selben Kabelkanal befinden, sollte das Kommunikationskabel durch ein metallgeschirmtes Rohr geführt werden. 2) Bei großen Entfernungen zwischen den Stationen oder einer großen Gesamtnetzwerkstrecke sollte ein Kommunikationskabel mit dickem Kern verwendet werden. (2) Fällt ein Gerät an einer Station aus und ist kein Ersatzteil desselben Modells vorrätig, kann dies zu Störungen führen. Ist hingegen ein Ersatzteil desselben Modells verfügbar, kann die Station nach dem Austausch wieder normal arbeiten. Wird ein Ersatzteil eines anderen Modells eingebaut, stimmt die vom Netzwerkscanner erkannte physische Station (EDS) nicht mehr mit der Scanliste überein. Der Scanner löst einen Alarm aus, und die Station funktioniert nicht mehr ordnungsgemäß. In diesem Fall muss die Scanliste neu konfiguriert und auf den Scanner geladen werden, damit die Station wieder normal arbeitet. Dieses Problem sollte beachtet werden. 8. Fazit: Die Produktionslinie für sauberes Papier hat durch den Einsatz der DeviceNet-Feldbus-Steuerungstechnologie eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit des Steuerungssystems erfahren. Die Verwendung von Feldbustechnologie für die Automatisierungssteuerung der Produktionslinie ist eine optimale Lösung. Die signifikanten Vorteile der Feldbustechnologie machen ihre breite Anwendung zu einem unvermeidlichen Trend im Bereich der Steuerungstechnik. Hauptreferenzen: (1) Installationsanleitung für das DeviceNet-Scannermodul, Allen-Bradley, Publikation 1771-5.14, Juli 1997; (2) DeviceNet-Kommunikationsmodul, Rockwell Automation, Publikation 1203-5.3, Februar 1999; (3) Allen-Bradley-Automatisierungssystemkatalog, Rockwell Automation, Publikation B112-ZH, März 1999; (4) Programmierbare Steuerungssysteme, herausgegeben vom Rockwell Automation Technology Center, Zhejiang-Universität