ＰＲＯＦＩＢＵＳ在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：柔性制造系統(tǒng)通常采用遞階控制的方式，其遞階結(jié)構(gòu)一般分為四層：即工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和設(shè)備級(jí)。其中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與設(shè)備級(jí)的監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是FMS的基礎(chǔ)。將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)，利用西門子PLC S7-300作為柔性制造系統(tǒng)的主站，構(gòu)建了基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的FMS通信與控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證了TL-50現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與設(shè)備級(jí)的信息通訊。同時(shí)在監(jiān)控主站上運(yùn)用WINCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)物流系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)(FMS) PROFIBUS 通信

1 柔性制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介

柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一項(xiàng)重要的先進(jìn)制造技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的重要組成部分，也是制造業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向。柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，即Flexible Manufacturing System，英文縮寫為FMS。它的出現(xiàn)標(biāo)志了機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，克服了原來(lái)機(jī)械生產(chǎn)線只適合于大批量生產(chǎn)的剛性特征，能夠適應(yīng)中小批量、多品種的柔性生產(chǎn)方式，而且將手工操作減少到最低，具有很高的自動(dòng)化特征。隨著社會(huì)對(duì)多品種、中小批量產(chǎn)品的認(rèn)同，對(duì)短生產(chǎn)周期、低制造成本的需求增加，加上微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備技術(shù)的日益成熟，柔性制造技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 柔性制造系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的柔性，F(xiàn)MS包括下列組成部分。①加工系統(tǒng)：柔性制造系統(tǒng)采用的設(shè)備由待加工工件的類別決定，主要有加工中心、車削中心或計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機(jī)床等，用以自動(dòng)地完成多種工序的加工。②物料系統(tǒng)：物料系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)工件及工裝夾具的自動(dòng)供給和裝卸，以及完成工序間的自動(dòng)傳送、調(diào)運(yùn)和存貯工作，包括各種傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引小車、工業(yè)機(jī)器人及專用起吊運(yùn)送機(jī)等。儲(chǔ)存和搬運(yùn)系統(tǒng)搬運(yùn)的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲(chǔ)存物料的方法有平面布置的托盤庫(kù)，也有儲(chǔ)存量較大的巷道式立體倉(cāng)庫(kù)。③計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用以處理柔性制造系統(tǒng)的各種信息，輸出控制CNC機(jī)床和物料系統(tǒng)等自動(dòng)操作所需的信息。④系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件用以確保柔性制造系統(tǒng)有效地適應(yīng)中小批量多品種生產(chǎn)的管理、控制及優(yōu)化工作，包括設(shè)計(jì)規(guī)劃軟件、生產(chǎn)過(guò)程分析軟件、生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度軟件、系統(tǒng)管理和監(jiān)控軟件。

1.2 柔性制造系統(tǒng)的分類 按規(guī)模大小，柔性制造系統(tǒng)FMS可分為如下三類。

1.2.1 柔性制造單元(FMC) FMC由單臺(tái)帶多托盤系統(tǒng)的加工中心或3臺(tái)以下的CNC機(jī)床組成，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC的柔性最高，可視為柔性制造系統(tǒng)FMS的基本單元，是柔性制造系統(tǒng)FMS向廉價(jià)、小型化方向發(fā)展的產(chǎn)物。FMC問(wèn)世并應(yīng)用于生產(chǎn)比FMS晚6～8年，現(xiàn)已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

1.2.2 柔性制造線(FML) 柔性制造線FML是處于非柔性自動(dòng)線和FMS之間的生產(chǎn)線，對(duì)物料系統(tǒng)的柔性要求低于FMS，但生產(chǎn)效率更高。FML采用的機(jī)床大多為多軸主軸箱的換箱式或轉(zhuǎn)塔式組合加工中心，能同時(shí)或依次加工少量不同的零件。FML技術(shù)已日趨成熟，進(jìn)入實(shí)用階段。

1.2.3 柔性制造系統(tǒng)(FMS) FMS通常包括3臺(tái)以上的CNC機(jī)床(或加工中心)，由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來(lái)，可在不停機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工管理。

1.3 柔性制造系統(tǒng)通信與控制的特點(diǎn) 工廠自動(dòng)化和大規(guī)模工業(yè)控制過(guò)程的一個(gè)核心問(wèn)題是通信。通常，用于工業(yè)環(huán)境的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)包括工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和設(shè)備級(jí)等4個(gè)層次。FMS中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一種工業(yè)局部網(wǎng)，因此它與一般意義上的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有許多共同之處，但它又具有其特殊性。這其中最顯著的就是，在工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)中包含有大量的智能化程度不一、來(lái)自不同廠商的設(shè)備，這些設(shè)備相互之間無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性就顯得尤為突出，以包容這些異種設(shè)備。

2 PROFIBUS簡(jiǎn)介

PROFIBUS是PROCESS FIELD BUS的縮寫，PROFIBUS總線是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已經(jīng)成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS技術(shù)1987年由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分（Type Ⅲ），2006年，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)審核通過(guò)了“PROFIBUS規(guī)范成為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T20540-2006）”，是中國(guó)唯一批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROF

IBUS-FMS三部分組成：PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：主站和從站之間采用輪循的通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速度高，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線；PROFIBUS-PA（Process Automation）：電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信?？墒箓鞲衅骱蛨?zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有“本質(zhì)”安全規(guī)范；PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：定義了主站和主站之間的通信模型，數(shù)據(jù)傳輸速度等，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線可以將數(shù)字自動(dòng)化設(shè)備從底級(jí)（傳感器/執(zhí)行器）到中間執(zhí)行器（單元級(jí)）分散開(kāi)來(lái)。通信協(xié)議按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實(shí)現(xiàn)。對(duì)比ISO/OSI協(xié)議模型，PROFIBUS協(xié)議只包含第1層、第2層和第7層。

PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向是根據(jù)ISO 7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)SI為參考模型的PROFIBUS系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量發(fā)送器等。它們沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它們發(fā)送信息。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實(shí)施起來(lái)特別經(jīng)濟(jì)。

3 PROFIBUS在FMS中的控制與通信

TL-50是一套先進(jìn)的柔性教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集先進(jìn)的氣動(dòng)技術(shù)，PLC控制技術(shù)和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)柔性制造和物流管理的新概念和新技術(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)分為10個(gè)工作站，包括物料輸入、測(cè)試、提取、加工、監(jiān)控、組裝、暫存、分選和成品輸出，除監(jiān)控主站和機(jī)械手主站外，每個(gè)站由一臺(tái)PLC S7-300 控制，站間的物料傳送由傳送帶上的移動(dòng)式托盤來(lái)完成，各站配有多種傳感裝置和執(zhí)行部件，體現(xiàn)出單元的柔性化和自動(dòng)化特點(diǎn)。

整個(gè)系統(tǒng)沿用分層控制的思想，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備層采用AS-i總線，單元級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS)的控制方式。利用PROFIBUS專用電纜連接各個(gè)柔性單元。工控機(jī)上安裝有組態(tài)軟件WINCC 5.1 AISA和STEP 7 V5.2的編程軟件，通過(guò)PROFIBUS的通訊卡CP5611 PCI與下位機(jī)相連，構(gòu)成PROFIBUS的主站。下位機(jī)采用西門子S7-300 PLC可編程控制器，由PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制指令。該P(yáng)ROFIBUS網(wǎng)絡(luò)包括了7個(gè)313C-2DP 主站、一個(gè)314C-2DP 主站、一個(gè)ET200B從站以及上位機(jī)的監(jiān)控主站。各個(gè)站單元采用了集成模塊化設(shè)計(jì)、單獨(dú)安裝電源、CPU及I/O模塊。313C-2DP和314C-2DP是西門子S7-300系列的處理器，可作為主站，也可作為從站，均帶有MPI的編程接口和PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)接口。ET200B是一種8入24出的輸入輸出接口模塊，由它作為PROFIBUS的從站，用來(lái)連接不具備PROFIBUS接口的設(shè)備，例如RJ22AJ機(jī)械手。

3.1 主站與主站的通信 連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上的主站按它們總線地址的升序組成一個(gè)邏輯令牌環(huán)。令牌按這個(gè)順序從一個(gè)站傳遞到下一個(gè)站。獲得令牌的主站擁有占用傳輸介質(zhì)的權(quán)力，并用特殊的令牌幀使令牌往下一個(gè)站傳遞。S7-300的PLC與PLC之間的通信方式有三種：全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信方式、無(wú)組態(tài)連接通信方式和組態(tài)連接通信方式。S7-300的PLC與PLC之間的通信可以根據(jù)不同的實(shí)際情況分別采用以上三種方式。

3.2 主站與從站的通信 在主——從系統(tǒng)中，主站與從站采用主-從方式實(shí)現(xiàn)通信。主站有權(quán)發(fā)送、存取指定給它的從站設(shè)備，并周期地與從站交換數(shù)據(jù)。

3.3 上位機(jī)與S7-300 PLC的通信 S7-300的PLC與上位機(jī)之間的通信可用高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，但用戶必須熟悉互連的PLC及PLC網(wǎng)絡(luò)采用的通信協(xié)議，嚴(yán)格按照通信協(xié)議為計(jì)算機(jī)編寫程序，對(duì)用戶要求較高。比較方便的做法是選用專用的工控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)PLC與上位PC機(jī)之間的通信。使用工控組態(tài)軟件不僅屏蔽了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，也省去了不同通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序編寫，同時(shí)，工控組態(tài)軟件還提供了功能性強(qiáng)大的組態(tài)工具。這里我們使用的是SIEMENS的WINCC (Windows Control Center)。

4 結(jié)論

FMS在我國(guó)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中將有著廣泛的應(yīng)用前景。把PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線引入到柔性制造系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與設(shè)備級(jí)的信息集成。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展中會(huì)有光明的未來(lái)。

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作者簡(jiǎn)介：李向紅，1968年生，男，天津?qū)幒尤?，青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，研究方向?yàn)椴牧蠈W(xué)、環(huán)境和自動(dòng)控制。