基于PROFIBUS—DP的自動(dòng)裝配線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】介紹基于西門子S7-300的Profibus-DP自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及具體設(shè)置過(guò)程；利用MP277觸摸屏對(duì)S7-300主從站PLC、變頻器等組成的物料裝配自動(dòng)線進(jìn)行控制，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性和正確性，設(shè)計(jì)過(guò)程還可以作為Profibus-DP總線的典型培訓(xùn)案例。

【關(guān)鍵詞】PLC Profibus-DP S7-300 MP277

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）07C-0189-04

近年來(lái)，隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化的控制工藝復(fù)雜程度不斷增加，對(duì)于企業(yè)的自動(dòng)化控制要求也越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)逐漸成為目前工業(yè)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

PROFIBUS是一種開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的國(guó)際化現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是目前國(guó)際上通用的且應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，該總線由13家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，在2001年批準(zhǔn)成為中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS-DP是一種高速低成本數(shù)據(jù)傳輸，用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O的通信，采用RS-485傳送方式，速率可由9.6Kbps至12Mbps。PROFIBUS廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化等其他領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)車間級(jí)監(jiān)控到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的分散式控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化和工廠自動(dòng)化提供了可行的解決方案。

一、自動(dòng)化生產(chǎn)線Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要完成對(duì)S7-300PLC的主從站自動(dòng)線分布控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，本套系統(tǒng)主要硬件組成如下：

PLC：S7-300單元模塊由1臺(tái)CPU 315C-2DP，帶PROFIBUS-DP主/從接口，自帶數(shù)字輸入：DI 16x DC24V ， 數(shù)字輸出： DO 16x DC24V/0.5A，CP343-1。1臺(tái)CPU314C-2DP、SM323（DI 8/DO8x DC24V/ 0.5A）、CP343-1 I組成。

HMI：觸摸屏采用西門子公司的MP277-10 Touch觸摸屏；觸摸屏是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的監(jiān)控設(shè)備之一，本設(shè)計(jì)采用MP277觸摸屏通過(guò)Profibus-DP總線構(gòu)成對(duì)物料裝配自動(dòng)線的控制。

編程軟件：S7-300編程軟件為STEP7_V54_SP3.1_CH版本；MP277-10 Touch觸摸屏項(xiàng)目采用Wincc flexible 2008觸摸屏組態(tài)軟件。

編程計(jì)算機(jī)PC操作系統(tǒng)為Windows XP Professional SP3，PCI插槽安裝CP5611通訊板卡，用于下載PLC程序及監(jiān)控程序。

變頻器采用西門子的MM420，DP通信模塊安裝在MM420上，使之成為PROFBUS-DP從站。

自動(dòng)線上安裝有MP277-10 Touch觸摸屏，通過(guò)MP277可以監(jiān)控整條線的運(yùn)行情況。MP277通過(guò)MPI通信線連接主站PLC，主站PLC為CPU315C-2DP，該型號(hào)PLC自帶MPI與DP接口，直接可以進(jìn)行通信。主站PLC負(fù)責(zé)與子站及變頻器進(jìn)行相互信息數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，定義站地址為2#站，另一PLC站（314C-2 DP）為從站，定義站地址為3#站，變頻器MICROMASTER MM420為4#站，下接一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。自動(dòng)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 PROFIBUS-DP的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、PROFIBUS-DP主從通訊參數(shù)設(shè)置

組建PROFBUS-DP總線通信，首先對(duì)線上的各個(gè)工控設(shè)備進(jìn)行硬件組態(tài)，按照先從站后主站的順序進(jìn)行。

（一）組態(tài)從站

打開(kāi)硬件組態(tài)（HW），STEP7新建工程項(xiàng)目，進(jìn)入硬件組態(tài)窗口，按硬件實(shí)際配置類型和地址進(jìn)行組態(tài)，依次按照次序插入機(jī)架導(dǎo)軌（RACK-300）、電源模塊（PS 307，5A）、CPU模塊（315-2 DP）和數(shù)字量I/O模塊SM323（DI8/DO8，24V0.5A）等完成從站的硬件組態(tài)。

在“DP Properties（DP性能）”對(duì)話框中選擇“Operation mode（操作模式）”標(biāo)簽，將該站DP屬性設(shè)為從站（Slave），并對(duì)其屬性進(jìn)行配置，如Profibus站地址號(hào)3#，數(shù)據(jù)傳輸速率187.5K等。

確認(rèn)參數(shù)設(shè)定完成后，回到（DP性能）對(duì)話框并選擇“Configuration（配置）”標(biāo)簽，對(duì)通訊數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行設(shè)置。DP模式選擇：選中PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，然后點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入DP屬性對(duì)話框，選擇“Operating Mode（操作模式）”標(biāo)簽，激活“DP slave（DP從站）”操作模式，如果“Test ，commissioning ，routing（測(cè)試，調(diào)試，路由）”選項(xiàng)被激活，則表示這個(gè)接口既可作為DP網(wǎng)絡(luò)的從站，同時(shí)還可通過(guò)該接口監(jiān)控程序。

在DP屬性對(duì)話框中，選擇“Configuration（配置）”標(biāo)簽，打開(kāi)I/O通信接口區(qū)屬性設(shè)置窗口界面，新建一行通信接口區(qū)，可看到當(dāng)前的組態(tài)模式為Master-slave configuration（主從結(jié)構(gòu)）。此時(shí)只能對(duì)本地（slave從站）進(jìn)行通信數(shù)據(jù)區(qū)的配置。

（二）組態(tài)主站

在完成slave從站組態(tài)配置后，在同一項(xiàng)目下插入主站的station（站）， 并打開(kāi)硬件組態(tài)進(jìn)行配置。在“DP Properties（DP性能）”對(duì)話框中選擇“Operation mode（操作模式）”標(biāo)簽， 將DP屬性設(shè)為Master（主站），并對(duì)其屬性繼續(xù)完成配置，在主站CPU模塊的組態(tài)中設(shè)置Profibus地址為2#站、MPI地址為2#站及通信傳輸速率為187.5kbps等。

（三）主從站組態(tài)連接

在硬件組態(tài)界面找到S7-300從站，將從站圖標(biāo)拖曳至PROFIBUS-DP總線上，完成相應(yīng)的硬件設(shè)置，對(duì)主站與從站的通訊地址進(jìn)行分配。配置頁(yè)面如圖2所示：

圖2 主從站組態(tài)通信地址設(shè)置

（四）編譯保存

組態(tài)完成后進(jìn)行編譯保存，連接成功后可以看到連接的系統(tǒng)圖，如果編譯不成功，則不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)塊，通信界面則會(huì)出現(xiàn)紅色或者黃色的出錯(cuò)顯示，需要查找出錯(cuò)原因解決后才能繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)設(shè)置。Profibus-DP系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示：

圖3 Profibus-DP系統(tǒng)組態(tài)

（五）編譯通信接口區(qū)

完成主從站硬件組態(tài)后，主站（S7-300PLC 315C-2 DP）調(diào)用S7-300PLC系統(tǒng)功能SFC15 / DPWR_DAT 0進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，調(diào)用SFC14/DPRD _DAT 0進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，從站亦相同。完成住從站通信地址的定義后，即可在自動(dòng)線程序編制中通過(guò)通信地址進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主站和從站的控制命令即可通過(guò)總線進(jìn)行交互控制。

（六）項(xiàng)目下載

本條自動(dòng)線網(wǎng)絡(luò)中的通信主要是指主站S7-300 PLC（315C-2DP）與從站（314C-2DP）之間的通信，采用的是Profibus-DP通信協(xié)議；PC下載PLC項(xiàng)目程序到各PLC，PC的PC/PG Interface接口選擇5611進(jìn)入設(shè)置即可。主站與從站只要通信DP接口硬件連接正常，且各個(gè)站點(diǎn)地址無(wú)沖突，通訊速率設(shè)置統(tǒng)一后即可進(jìn)行通信。是否連接正常可以查看PLC面板上的運(yùn)行指示燈是否變?yōu)榫G色即可判斷，也可以通過(guò)監(jiān)控PLC檢查故障找出故障原因。

（七）項(xiàng)目程序

要實(shí)現(xiàn)主從通信連接，首先要定義通信接口區(qū)。本例中先定義通信接口區(qū)主站QB50～QB69對(duì)應(yīng)從站IB50～I(xiàn)B69，從站IB5O～I(xiàn)B69對(duì)應(yīng)主站QB5O～QB69。

組態(tài)通信接口區(qū)后，主站程序下載到主站PLC中，為防止總線網(wǎng)絡(luò)上因某個(gè)站點(diǎn)掉電使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常工作的故障，還要在S7-300 PLC中編寫組織塊OB82、OB86及OBl22。

主站程序舉例：

主站系統(tǒng)塊在OBl中調(diào)用SFCl4進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、SFCl5進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖4所示：

圖4 主站程序

SFCl4打開(kāi)主站存放在IB50～I(xiàn)B69的數(shù)據(jù)包并放在DBl.DBBO～DBl.DBB10中。SFCl5給存放在DB2.DBBO～DBl.DBB10中的數(shù)據(jù)打包，通過(guò)QB50～QB69發(fā)送出去。

從站程序舉例：

從站系統(tǒng)塊的OBl中調(diào)用SFCl4進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、SFCl5進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖5所示：

圖5 從站程序

從站程序與主站程序編程思路一致。通過(guò)發(fā)送和接收過(guò)程，可以在控制程序中采用這些通信區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

三、PLC對(duì)變頻器MM420的控制

主站PLC或從站PLC需要與變頻器通信，還要對(duì)變頻器進(jìn)行多個(gè)參數(shù)設(shè)置。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)手冊(cè)，針對(duì)系統(tǒng)對(duì)控制電機(jī)的要求進(jìn)行設(shè)定。建立通訊DB塊，劃分好通信數(shù)據(jù)區(qū)域，PLC讀取變頻器的數(shù)據(jù)，存放在DB0-DB11共12個(gè)字節(jié)中，寫給變頻器的數(shù)據(jù)放在DB12-DB13共12個(gè)字節(jié)中。

（一）PLC組態(tài)設(shè)置

在STEP 7 編程軟件中的HW config中先組態(tài)S7-300站，使之成為PROFIBUS-DP主站，在DP總線掛上MM420，并組態(tài)MM420的通訊區(qū)。通訊區(qū)與自動(dòng)線控制過(guò)程有關(guān)，需要讀/寫MM420參數(shù)，需4 PKW區(qū)；如果除控制字和設(shè)定值以外還需傳送其他數(shù)據(jù)，則要選擇4 PZD。

（二）變頻器MM420參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表

參數(shù)號(hào) 設(shè)置值 功能 參數(shù)號(hào) 設(shè)置值 功能 參數(shù)號(hào) 設(shè)置值 功能

P0010 1 快速調(diào)試 P0305 1.6 額定電流 P0311 1400 額定轉(zhuǎn)速

P0100 0 選擇地區(qū) P0307 0.75 額定功率 P0700 l 選擇命令源

P0304 380V 額定電壓 P0310 50 額定頻率 P1000 1 頻率設(shè)定值

P1121 5s 減速時(shí)間 P3900 l 快速調(diào)試 P0700 6 接受PLC的命令

P0918 4 設(shè)置變頻器地址 P1120 5s 加速時(shí)間 P1000 6 接受PLC的設(shè)定值

P1080 0 下限頻率 P1082 50 上限頻率

設(shè)置完變頻器參數(shù)后，PLC即可通過(guò)PROFIBUS-DP對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

四、HMI與主站S7-300 PLC間的通信

（一）觸摸屏采用西門子公司的MP277-10 Touch觸摸屏

在PC機(jī)上打開(kāi)Wincc flexible觸摸屏組態(tài)軟件，建立新的監(jiān)控項(xiàng)目，選擇觸摸屏的型號(hào)（MP277）在編輯界面連接參數(shù)設(shè)置，選擇SIMATIC S7-300型號(hào)（315C-2DP）的PLC，波特率19.2K，配置網(wǎng)絡(luò)為MPI，主站數(shù)為1，PLC地址設(shè)置為主站MPI地址為2。然后創(chuàng)建變量，變量參數(shù)如圖6所示：

圖6 變量參數(shù)設(shè)置

（二）進(jìn)行監(jiān)控畫面制作

在面板上設(shè)計(jì)出自動(dòng)線上的各個(gè)控制按鈕、監(jiān)控指示燈等和動(dòng)畫模擬控制過(guò)程等。自動(dòng)線部分監(jiān)控畫面如圖7所示：

圖7 自動(dòng)線部分監(jiān)控畫面

（三）項(xiàng)目下載至MP277

將網(wǎng)線的一端連接到計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)端口上，另外一端直接連接到MP277面板下部網(wǎng)絡(luò)口上，組態(tài)完成后設(shè)置PC的PC/PG Interface接口協(xié)議，要求協(xié)議與上述配置項(xiàng)目一致。觸摸屏與主站之間的通信，采用的是MPI通信協(xié)議。觸摸屏項(xiàng)目文件通過(guò)網(wǎng)線將項(xiàng)目傳送至HMI，下載時(shí)注意將接口選擇以太網(wǎng)協(xié)議。還要注意將計(jì)算機(jī)網(wǎng)段與觸摸屏的網(wǎng)段設(shè)置相同，IP末位地址不同即可。點(diǎn)擊Transfer（傳送）按鈕，即可進(jìn)入傳送模式。

（四）MP277面板設(shè)置

MP277上電后，進(jìn)入Windows CE操作系統(tǒng)，在彈出對(duì)話框中，點(diǎn)擊Control Panel（控制面板）按鈕，雙擊Transfer（傳送）圖標(biāo)進(jìn)入傳送界面。首先要取消勾選Channel 1（通道1）的Enable Channel和Remote Control（使能通道和遠(yuǎn)程控制），否則無(wú)法激活MPI/DP下載通道2。激活通道2的MPI/DP通道后，點(diǎn)中“Advanced”按鈕，進(jìn)入對(duì)話框選擇是通過(guò)MPI還是PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行下載，這里選擇MPI協(xié)議。點(diǎn)擊各個(gè)對(duì)話框的OK鍵進(jìn)行參數(shù)保存，直到退出到系統(tǒng)登陸畫面。點(diǎn)擊Properties按鈕，進(jìn)入MPI參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在此設(shè)置面板的MPI地址，默認(rèn)地址是1，波特率默認(rèn)為187.5k，這里可以修改MPI地址及波特率。接下來(lái)在觸摸屏上也要將地址修改成1#站，波特率為19.2K，與PC串口波特率設(shè)置相同。

最后使用MPI通信線將觸摸屏與主站（CPU315C-2DP）的MPI接口連接，然后就可用觸摸屏對(duì)主站對(duì)象進(jìn)行控制了。

五、系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行

通過(guò)整條線的綜合調(diào)試，通過(guò)觸摸屏可以很好地對(duì)主從站PLC及變頻器進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：

主站與從站可以通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主站可以對(duì)從站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以及接受從站的狀態(tài)。例如主站控制的輸送單元機(jī)械手傳輸物料到下一個(gè)加工從站時(shí)，可以通過(guò)總線發(fā)送到位信號(hào)給從站接收，從站接收到主站發(fā)送的命令后即可進(jìn)入從站的工藝流程，當(dāng)從站完成加工流程后，可以發(fā)送一個(gè)完成信號(hào)給主站，主站接收到從站的加工完成信號(hào)后，可以控制下一工作流程，還可以通過(guò)觸摸屏顯示當(dāng)前自動(dòng)線加工情況。

變頻器從站接收到主站發(fā)送的控制命令后，可以按照預(yù)制工藝過(guò)程進(jìn)行變頻調(diào)速加工過(guò)程，工藝節(jié)點(diǎn)或者工藝結(jié)束后均可發(fā)送信號(hào)返回主站，信號(hào)可以通過(guò)觸摸屏顯示到界面中進(jìn)行工藝監(jiān)控。

通過(guò)觸摸屏監(jiān)控界面可以較為直觀地監(jiān)控到自動(dòng)線當(dāng)前的工藝流程情況，可以通過(guò)界面進(jìn)行控制，加工的過(guò)程及產(chǎn)量可以通過(guò)實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線進(jìn)行分析，較好地完成質(zhì)量等方面的監(jiān)控。

本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果，在本系統(tǒng)中還使用了組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，界面清晰，操作直觀簡(jiǎn)便。系統(tǒng)除了典型的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)外，還增加了MPI通信協(xié)議作為補(bǔ)充，在同一自動(dòng)線上可以有兩種不同的通信方式，增加了控制的多樣性。系統(tǒng)除了可對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行遠(yuǎn)程控制外，也可作為典型的西門子Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)案例進(jìn)行培訓(xùn)。

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【作者簡(jiǎn)介】藍(lán)偉銘（1982- ），男，廣西忻城人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化，機(jī)電一體化技術(shù)，自動(dòng)化電氣設(shè)備設(shè)計(jì)及改造。