基于PROFIBUS通信的模塊式自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

武彩霞，劉媛媛，趙振榮，王莉莉

（無錫科技職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

0 引言

“中國制造2025”的核心就是實現(xiàn)制造業(yè)智能升級，而實現(xiàn)制造業(yè)智能升級離不開工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的單個控制器控制的自動生產(chǎn)線系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品種類單一；而多個控制器組成的模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)可以根據(jù)不同客戶的需求，進(jìn)行個性化產(chǎn)品定制，提升了生產(chǎn)線系統(tǒng)的柔性。模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)中多個控制器則需要通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

本文以模塊式自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)中共有6個控制器，其中主站為西門子S7-300系列PLC，5個從站均為西門子S7-200系列PLC，應(yīng)用PROFIBUS通信成功實現(xiàn)系統(tǒng)各單元之間通信，提升生產(chǎn)線的智能化程度，方便地實現(xiàn)了生產(chǎn)線系統(tǒng)的生產(chǎn)柔性。

1 模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)

模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)是一種典型的自動化系統(tǒng)，它可方便地根據(jù)用戶的需求進(jìn)行組合，滿足客戶對于不同生產(chǎn)過程的需求。本研究以供料、搬運(yùn)、加工、安裝、搬運(yùn)與安裝、分類等幾個站組合而成的模塊式自動化系統(tǒng)為研究對象。

圖1顯示了系統(tǒng)中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：供料站將大工件按順序排好后提升送出；搬運(yùn)站將大工件從上料檢測單元搬至加工站；加工站將大工件加工后送出工位；安裝搬運(yùn)站將大工件從加工站搬至安裝工位放下。安裝站再將對應(yīng)的小工件裝入大工件中。而后，安裝搬運(yùn)站再將安裝好的工件送分類站，分類站再將工件送入相應(yīng)的料倉。

圖1 模塊式自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)工作過程示意圖

系統(tǒng)綜合應(yīng)用了機(jī)械、氣動、電機(jī)與電氣控制、PLC、檢測傳感、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)。該系統(tǒng)可作為教學(xué)平臺，用于機(jī)械制造及其自動化、機(jī)電一體化、電氣工程及自動化、自動化工程、控制工程、測控技術(shù)、計算機(jī)控制、自動控制、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計與理論、等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)[1]。

2 PROFIBUS通信

2.1 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

企業(yè)的通信網(wǎng)絡(luò)可分為企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級3個級別。企業(yè)級用于企業(yè)的上層管理，為企業(yè)提供生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等數(shù)據(jù)，通過信息化的方式優(yōu)化企業(yè)的資源，提高企業(yè)的管理水平。在企業(yè)級的通信網(wǎng)絡(luò)中IT技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，如Internet和Intranet。車間級介于企業(yè)級和現(xiàn)場級之間。其主要任務(wù)是解決車間內(nèi)需要協(xié)調(diào)工作的不同工藝段之間的通信。要求通信網(wǎng)絡(luò)能夠高速傳遞大量信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時具有較強(qiáng)的實時性。對于車間級通訊網(wǎng)絡(luò)，所使用的主要解決方案是工業(yè)以太網(wǎng)。現(xiàn)場級處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設(shè)備，包括I/O設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等裝置。所使用的通信方式比較復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)實時性和確定性要求很高。對于現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線是主要的解決方案。最具有影響力的現(xiàn)場總線：PROFIBUS現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線、Devicenet現(xiàn)場總線和CAN現(xiàn)場總線等[2]。

圖2中所示為一西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D實例。網(wǎng)絡(luò)中分為監(jiān)控、操作和現(xiàn)場3層，分別對應(yīng)企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級三個網(wǎng)絡(luò)級別?，F(xiàn)場控制信號如I/O、傳感器、變頻器等，通過HART、ModBus等各種方式連接到S7-300 PLC上，PROFIBUS總線完成S7-300 PLC與現(xiàn)場設(shè)備的信息交流，可以很方便地進(jìn)行第三方設(shè)備的擴(kuò)展?，F(xiàn)場層配備有兩個數(shù)據(jù)同步的互為冗余的主站，保證現(xiàn)場層與操作層之間的數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定可靠。中央控制室與操作員站、工程師站通過開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換[3]。

圖2 西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D實例

2.2 PROFIBUS通信

PROFIBUS總線符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，并以獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支出和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，成為現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)已突破1000萬個，在現(xiàn)場總線領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。

PROFIBUS總線包括PROFIBUS-DP、PROFIBUSFM和PROFIBUS-PA三種。PROFIBUS-DP專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，廣泛適用于制造業(yè)自動化等系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級設(shè)備高速通信。PROFIBUS-FMS解決車間級通用性通信任務(wù)，提高大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換。PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的本征安全的傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化等系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊[4]。

由于本文研究的模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)中主站為S7-300PLC，型號為CPU313C-2DP，其自帶了兩個DP口，故本文選用了Profibus DP通訊方式。從站均為S7-200PLC，需擴(kuò)展通信模塊EM277實現(xiàn)與S7-300PLC的Profibus DP通訊。

3 系統(tǒng)配置

本文研究的模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)由六個站組成，每個站均為獨立的單元，分別為上料檢測單元、搬運(yùn)單元、加工與檢測單元、安裝單元、安裝搬運(yùn)單元、分類單元。每個單元都安裝在獨立的型材桌上，均由通信接口板、電氣網(wǎng)孔板、按鈕控制板、I/O接口板、各種傳感器、警示燈、各類電磁閥和氣缸等組成。以搬運(yùn)單元為例，如圖3所示，在工作臺面上主要有機(jī)械本體：氣動機(jī)械手爪、單桿氣缸、雙導(dǎo)桿氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、擺臺，調(diào)壓過濾器，電磁閥組和I/O接口等；在按鈕控制板上有急停按鈕、開機(jī)按鈕、復(fù)位按鈕、調(diào)試按鈕、手/自動選擇開關(guān)、單機(jī)/聯(lián)機(jī)選擇開關(guān)、停止按鈕和上電按鈕組成；電氣網(wǎng)孔板上有電源總開關(guān)、控制器、通信模塊走線槽等；為了便于移動，各實訓(xùn)桌下方均安裝了萬向輪。

各個單元均有控制器，可以實現(xiàn)單站獨立運(yùn)行。各站控制器之間通過Profibus通信，可以實現(xiàn)聯(lián)機(jī)運(yùn)行。各個單元的控制器安裝在各自的電氣網(wǎng)孔板上，如圖3中的控制器。

圖3 搬運(yùn)單元外形圖

本文中模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)的各站控制器及通信模塊配置見表1，主站為S7-300PLC，自帶兩個DP口，可直接進(jìn)行Profibus DP通信；從站均為S7-200PLC，每個站需擴(kuò)展通信模塊EM277，才能實現(xiàn)與主站之間的Profibus DP通信。

表1 MPS系統(tǒng)配置表

搬運(yùn)單元、安裝單元、安裝搬運(yùn)單元驅(qū)動部分為純氣動，選擇價格相對便宜的繼電器輸出類型的PLC即可滿足使用。加工與檢測單元和分類單元中因用到了步進(jìn)電機(jī)，控制器需選擇可以發(fā)送高速脈沖的晶體管輸出類型的PLC方可滿足使用。

4 硬件組態(tài)與通信設(shè)置

本文研究的模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)，以S7-300 PLC為主站控制器，5個從站控制器均為S7-200 PLC。系統(tǒng)中應(yīng)用PROFIBUS通信，需進(jìn)行在S7-300 PLC編程軟件SIMATIC Manager中硬件組態(tài)，在系統(tǒng)實物中進(jìn)行硬件設(shè)置，還需進(jìn)行系統(tǒng)通信地址的分配，具體如下所述。

4.1 硬件組態(tài)

在S7-300 PLC編程軟件SIMATIC Manager中硬件組態(tài)，插入300站點，在STEP 7中組態(tài)S7-300主機(jī)架（rail），1號槽放置電源模塊PS 307 5A，2號槽放置CPU模塊CPU313C-2DP。PROFIBUS屬性設(shè)定傳輸率為1.5MPS，配置文件選擇DP，如圖4所示。S7-300 PLC作為PROFIBUS-DP的主站系統(tǒng)，從站的S7-200 PLC通過EM277模塊連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，在STEP 7的硬件目錄中選取EM277模塊，如圖5所示，雙擊進(jìn)行添加即可。從站站號分別設(shè)置為4、5、6、7、8，硬件組態(tài)完成后如圖6所示。

圖5 S7-300 PROFIBUS DP中選擇EM277模塊

圖6 S7-300 PLC編程軟件中的硬件組態(tài)截圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)連接器設(shè)置

在編程軟件中組態(tài)好后，在各站的S7-200 PLC擴(kuò)展的EM277模塊中還需要進(jìn)行硬件設(shè)置。首先設(shè)定各站的EM277模塊地址，用一字螺絲刀調(diào)節(jié)模塊上的編址開關(guān)，各單元模塊地址出廠設(shè)定為4、5、6、7、8。然后將DP聯(lián)線首端出線的網(wǎng)絡(luò)連接器接到300主機(jī)的DP口上，其他網(wǎng)絡(luò)連接器依次接到各從站的EM277模塊DP口上，將聯(lián)線末端網(wǎng)絡(luò)連接器上的終端電阻開關(guān)打到“ON”位置,其他網(wǎng)絡(luò)連接器上的終端電阻開關(guān)全部打到“OFF”位置。EM277模塊地址和網(wǎng)絡(luò)連接器，終端電阻設(shè)置如圖7所示。

圖7 EM277模塊地址和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接器終端電阻設(shè)置

4.3 通信地址分配

PLC從站與主站的地址對應(yīng)示例見表2。以4號站為例說明，程序分配了I30.0～I(xiàn)37.7、Q30.0～I(xiàn)Q30.7作為輸入輸出的點數(shù)。其中，S7-200 PLC向S7-300 PLC傳送的數(shù)據(jù)作為輸入型數(shù)據(jù)，S7-300 PLC向S7-200 PLC傳送的數(shù)據(jù)作為輸出型數(shù)據(jù)。

表2 PLC從站與主站數(shù)據(jù)對應(yīng)示例表

在S7-200 PLC的程序中，V0.0～V7.7是作為S7-300 PLC向S7-200 PLC傳送數(shù)據(jù)的輸入點使用的，V8.0～V15.7是作為S7-200 PLC向S7-300 PLC傳送數(shù)據(jù)的輸出點使用的，在S7-200 PLC中作為輸出給S7-300 PLC的數(shù)據(jù)，可以是Q*.*,也可以是I*.*，而作為S7-300 PLC輸出給S7-200 PLC的數(shù)據(jù)，可以是Q*.*,或者是I*.*，例如S7-200 PLC的I0.0，可以通過V8.0～V15.7間任一點傳送到S7-300 PLC主站上去，也可以讓S7-300 PLC主站通過V0.0～V7.7間任一點傳送到S7-200 PLC上來。

在各站程序中M5.*由V3.*輸入，M6.*由V14.*輸出。在S7-300 PLC程序中，各從站站點的數(shù)據(jù)對應(yīng)到S7-300 PLC站點時見表3。

表3 各從站與主站數(shù)據(jù)具體對應(yīng)表

5 結(jié)束語

PROFIBUS通信在模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)中已成功應(yīng)用，系統(tǒng)既可單機(jī)運(yùn)行，亦可聯(lián)機(jī)運(yùn)行。通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)可以輕松地訪問到主站和各從站PLC，方便地實現(xiàn)進(jìn)行程序的下載、上傳和調(diào)試。通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，主站和從站之間可以實現(xiàn)信息共享，來按照系統(tǒng)要求完成各項動作，提高了系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，達(dá)到了較好的控制效果。該模塊式自動生產(chǎn)線系統(tǒng)已作為教學(xué)平臺，用于培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)、電、氣等技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。