西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略研究

樊志鵬，姜子鵬，陳洪振

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250022）

在汽車制造、鋼鐵冶煉、模具制造等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對工件進(jìn)行沖壓處理，完成塑型鑄造，是一種較為常見的工藝流程。自動上下料沖壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠極大地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更高的生產(chǎn)價(jià)值，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，如何更加高效地將PLC 技術(shù)應(yīng)用于沖壓生產(chǎn)線，已成為工業(yè)領(lǐng)域研究的重要課題。西門子PLC 控制網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，將其運(yùn)用于上下料沖壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠有效滿足相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)需求，保證沖壓系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

1 西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略

1.1 通信接口

在西門子PLC 控制網(wǎng)絡(luò)中，主要包括PG/PC 通信卡、模塊處理器兩種通信接口方式。在控制系統(tǒng)中，模塊處理器通過與PLC 的一側(cè)進(jìn)行連接來開展工作。這種更具智能性的接口方式，能夠使PLC 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得到充分發(fā)揮。此外，模塊處理器本身就帶有一定的功能性，能夠獨(dú)立解決相關(guān)問題，而無需過度依賴CPU，從而能夠有效幫助系統(tǒng)CPU 減輕工作壓力。當(dāng)前，模塊處理器有著多種類型，其功能性特征更是各具特點(diǎn)、差異明顯。西門子PLC 控制系統(tǒng)模塊處理器的特點(diǎn)為，它有兩個(gè)專門負(fù)責(zé)通信聯(lián)絡(luò)信號的接口，分別為PPI、MOI。而PG/PC 通信卡能夠有效連接起PG/PC 設(shè)備與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，而且在西門子PLC 控制器上本身就有連接PG/PC 通訊卡的接口，輔助一些沒有設(shè)置微處理器的設(shè)備，開展連接工作，從而充分發(fā)揮設(shè)備功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)類型

西門子PLC 控制網(wǎng)絡(luò)中包括多種功能各異的網(wǎng)絡(luò)類型，能夠滿足不同層次的控制網(wǎng)絡(luò)需求。當(dāng)前，控制網(wǎng)絡(luò)主要分為西門子公司自行開發(fā)的專用通信網(wǎng)絡(luò)和符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)兩類。其中，符合國際通信標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)又包括工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus 以及傳感器-執(zhí)行器接口；而西門子公司自行開發(fā)的專用通信網(wǎng)絡(luò)則主要包括點(diǎn)對點(diǎn)接口、PPI 和MPI。下面對上述控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行介紹。

（1）點(diǎn)對點(diǎn)接口：該網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)在于用戶能夠根據(jù)自身需求，自定義通信協(xié)議，從而使得西門子S7-400和S7-300系列的PLC 能夠直接與控制器、上位機(jī)等設(shè)備建立通信聯(lián)系。

（2）PPI 網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于西門子S7-200系列，能夠通過普通的雙芯屏蔽雙絞電纜連接網(wǎng)絡(luò)，其突出特點(diǎn)在于遵循主-從協(xié)議。即，從站需要根據(jù)主站所發(fā)出的指令做出相應(yīng)的響應(yīng)信息，但是從站自身不能主動發(fā)送信息。

（3）MPI 網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)屬于令牌網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其開發(fā)設(shè)計(jì)是根據(jù)西門子內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。通過MPI網(wǎng)絡(luò)，PLC 主機(jī)能夠同時(shí)與人機(jī)界面、計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多個(gè)通信對象連接，但是其所連接對象數(shù)量主要還是取決于CPU 的類型。

（4）Profibus 網(wǎng)絡(luò)：這是一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)現(xiàn)場指揮、車間監(jiān)控等方面有著廣泛應(yīng)用。與MPI 網(wǎng)絡(luò)一樣，Profibus 也是采用RS-485作為物理層，因此其有著極高的傳輸速率。Profibus網(wǎng)絡(luò)的突出特點(diǎn)在于其開放性，用戶可以根據(jù)自身需求，在Profibus 協(xié)議下開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，并將其連接到同一Profibus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以更好地滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的使用需求。

（5）傳感器-執(zhí)行器接口：這是一種符合歐洲和國際雙重標(biāo)準(zhǔn)的接口，大多應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制最底層，其特點(diǎn)在于應(yīng)用簡單，缺點(diǎn)在于只能傳輸少量數(shù)據(jù)。

（6）工業(yè)以太網(wǎng)：該通信網(wǎng)絡(luò)主要是為了滿足工業(yè)生產(chǎn)需求而設(shè)計(jì)。其工作原理為，在TCP/IP 和ISO 通信協(xié)議下，依托光纜、同軸電纜等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。支持廣域的開放型網(wǎng)絡(luò)模型是該通訊網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

1.3 傳輸介質(zhì)

PLC 控制網(wǎng)絡(luò)中的傳輸介質(zhì)也是多樣化的，它們無論在材料還是性能方面都有著明顯差別。在實(shí)際應(yīng)用中，通常也是多種傳輸介質(zhì)共同作用，通過不同介質(zhì)的組合，使其各自充分發(fā)揮共同，以達(dá)到提升PLC控制網(wǎng)絡(luò)工作效率的目的。例如，在Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過程中，就涉及多種傳輸介質(zhì)，如依靠紅外線的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)無線短距離傳輸；通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行光纖材料傳輸；通過具有屏蔽作用的雙絞線電纜和地下電纜的配合實(shí)現(xiàn)電器數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?/p>

1.4 通信能力

在西門子PLC 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，包括標(biāo)準(zhǔn)通信、S7基本通信、S5兼容通信、OP 通信等通信方式，但這些通訊接口無論在功能還是實(shí)現(xiàn)方式等方面，也是各具特點(diǎn)。以S7基本通信為例，其主要特點(diǎn)能夠提供功能強(qiáng)大、復(fù)雜程度不高的通訊任務(wù)，這些通信任務(wù)可通過工業(yè)以太網(wǎng)、MPI 或者Profibus 等通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。由于這些通信接口在功能上的差異性，因此在應(yīng)用過程中，需要結(jié)合具體情況來判斷具體應(yīng)用方式。

2 基于西門子PLC的上下料沖壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制要求分析

圖1為某企業(yè)生產(chǎn)車間的物料自動上下料沖壓系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，物料會順著傳送帶傳輸?shù)蕉ㄎ稽c(diǎn)，在定位氣缸的作用下進(jìn)行自動定位，滑臺在接收到物料定位的指令后自動復(fù)位，通過上下料氣缸的作用，物料被傳送至滑臺，至此系統(tǒng)的上料動作便已完成。載著物料的滑臺在系統(tǒng)的指令下，沿著工作臺繼續(xù)傳送物料，每5 cm 的距離，沖壓氣缸對物料進(jìn)行一次沖壓作業(yè)。物料在接受5次沖壓作業(yè)后，沖壓作業(yè)完成，作業(yè)成品繼續(xù)在滑臺的作用下，回到初始位置，上下料氣缸在接收到?jīng)_壓作業(yè)完成指令后自動縮回，完成下料動作。

圖1 Profibus的協(xié)議結(jié)構(gòu)

結(jié)合該企業(yè)對上下料沖壓生產(chǎn)工藝的具體要求，需要設(shè)計(jì)包括變頻器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、異步控制電機(jī)等在內(nèi)的PLC 自動控制網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行自動化控制。其中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以與聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)結(jié)，從而更加精準(zhǔn)地控制絲杠旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將原有的旋轉(zhuǎn)曲線作業(yè)，變成更加高效的左右直線作用；異步控制電機(jī)可以更加準(zhǔn)確地控制傳送帶的傳送速度，從而提升沖壓系統(tǒng)傳送鏈物料傳送的精準(zhǔn)度。在此系統(tǒng)中，在左限位、右限位以及初始位分別設(shè)有相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測，傳感器將所檢測到的信號，作為PLC 的數(shù)字量進(jìn)行信號的輸入，然后分別由3個(gè)電磁閥對上下料氣缸、定位氣缸以及沖壓氣缸進(jìn)行配合控制，由PLC 的數(shù)字量輸出信號控制電磁閥的動作，從而實(shí)現(xiàn)自動化上下料。與手動上下料相比，其不僅能夠提高工作效率，節(jié)省人力成本，還可以進(jìn)一步提供工作安全性，而且通過HMI 對系統(tǒng)進(jìn)行可視化的監(jiān)控。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC選擇

選擇PLC 就是選擇I/O 模塊和CPU 模塊。在選擇時(shí)，要遵循高性價(jià)比、可擴(kuò)展性原則。經(jīng)過對市場現(xiàn)有PLC 產(chǎn)品進(jìn)行對比，最終選擇西門子公司的S7-1500系列PLC，這是一塊搭載標(biāo)準(zhǔn)型1500-1PN CPU的小型高性能PLC。其主要特點(diǎn)在于能夠更加高速率的進(jìn)行信息處理與數(shù)據(jù)通信，可以進(jìn)行更加高效地組態(tài)與編程，所需的維護(hù)成本也更低，字運(yùn)算指令執(zhí)行時(shí)間只需72 ns，能夠有效提升滑臺定位的準(zhǔn)確性。但是由于該系列的CPU 模塊并未配置集成I/O 點(diǎn)，因此需要通過拓展I/O 模塊進(jìn)行I/O 信號的輸入與輸出。在本系統(tǒng)中，數(shù)字量為主要的輸入輸出型號，輸出電流不超過0.5 A，個(gè)數(shù)不超過10，在充分考慮擴(kuò)展性的前提下，選擇輸入模塊DI16×24V DC HF，輸出模塊DQ16×24V DC/0.5 A。

2.2.2 變頻器選型

在該系統(tǒng)中，變頻器主要用于對物料傳送鏈的運(yùn)行速度的高低進(jìn)行控制，確保停車的準(zhǔn)確性以及運(yùn)行的安全性，因?yàn)樾枰M(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，所以變頻器需要具備強(qiáng)大的通信功能。根據(jù)上述要求，選用西門子G120系列，型號為G120 CU240E-2PN-fF，功率范圍為0.37～250 kW 的變頻器，該變頻器內(nèi)置動態(tài)制動單元，具有使用更具靈活、組態(tài)簡單便捷、通訊質(zhì)量穩(wěn)定，且后期維護(hù)難度較小等特點(diǎn)，能夠充分滿足系統(tǒng)要求。

2.2.3 HMI選擇

HMI 又稱為觸摸屏監(jiān)控器、工業(yè)人機(jī)界面，其主要功能在于顯示智能化操作控制。在該上下料沖壓系統(tǒng)中，涉及手動、自動、復(fù)位、啟動等多項(xiàng)操作，同時(shí)還要滿足氣缸、物料到位的顯示、電機(jī)速度的設(shè)定等功能。在綜合考慮上述要求的前提下，選用西門子TP700觸摸屏，該觸摸屏的特點(diǎn)在于能夠清晰顯示復(fù)雜操作，特別是與PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)與西門子S7-1500PLC 的無縫集成。

2.2.4 電機(jī)及驅(qū)動選擇

傳送鏈所選用的三相異步電動機(jī)，物料臺定位選用的是伺服驅(qū)動器與電動機(jī)相連。由于工件沖壓對系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、安全性以及準(zhǔn)確性有著較高要求，因此，選用由西門子SINAMICS V90 伺服驅(qū)動器和SINAMICS S-FL6伺服電動機(jī)組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，V90伺服驅(qū)動器本身具有安全扭矩停止功能，并且能夠自動抑制機(jī)械諧振頻率。該伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要通過PROFINET 開展通信，調(diào)試則主要通過SINAMICS V-ASSISTAN 工具進(jìn)行，該工具簡單易用，便于技術(shù)人員進(jìn)行操作。

2.2.5 系統(tǒng)硬件接線圖

圖2 為該控制系統(tǒng)的硬件接線電路。傳送帶的三相異步電動機(jī)可以與6120 變頻器進(jìn)行直接連接，其中PE 接入地線，R、S、T 接入三相電源，U、V、W 則與電動機(jī)的三項(xiàng)輸入相連接，變頻器通過PROFINET 方式與PLC 的CPU 進(jìn)行連接，CPU 通過發(fā)送變頻器控制字的方式，對傳送帶電動機(jī)的速度進(jìn)行控制，而讀取電動機(jī)的轉(zhuǎn)速則通過接受狀態(tài)字的方式進(jìn)行。

圖2 自動上下料沖壓控制系統(tǒng)硬件接線圖

在V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，上方的L 主要負(fù)責(zé)接入電源火線，而N 則負(fù)責(zé)接入零線；下方的“+”負(fù)責(zé)連接24V 直流電源的正極，“-”負(fù)責(zé)連接24V 直流電源的負(fù)極，并在“+”的端子連接兩個(gè)并聯(lián)的SQ10、SQ11行程開展，以對安全扭矩執(zhí)行停止命令，U、V、W 接入伺服電動機(jī)的電源進(jìn)線；X7端口通過與伺服電動機(jī)的控制端子相連接，有效控制、讀取伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果

基于控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將自動化控制網(wǎng)絡(luò)的硬件部分細(xì)分為3個(gè)模塊：氣動模塊、電動模塊、控制柜模塊。在這3個(gè)模塊中，根據(jù)各部件在系統(tǒng)中的不同作用再次進(jìn)行細(xì)分，如氣動模塊主要包括氣動沖壓功能、傳感器檢測功能、電動閥控制功能；電動模塊主要包括物料傳送功能、滑動定位功能、復(fù)位功能；控制柜模塊主要包括設(shè)備系統(tǒng)啟停功能、復(fù)位功能、指示燈顯示功能等。該控制系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗(yàn)后，上下料沖壓誤差均在標(biāo)準(zhǔn)誤差以內(nèi)，并且沖壓動作能夠穩(wěn)定地與氣缸進(jìn)行配備，極大地提升了上下料沖壓系統(tǒng)的安全性、可靠性。

3 結(jié)束語

基于西門子PLC 的上下料沖壓控制系統(tǒng)，功能完整且運(yùn)行安全、穩(wěn)定，具有極高的性價(jià)比。該系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于企業(yè)沖壓生產(chǎn)線，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還可用于教學(xué)科研、項(xiàng)目培訓(xùn)等領(lǐng)域。隨著自動化生產(chǎn)水平的不斷提升，西門子PLC 在近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用，且在工業(yè)機(jī)器人快速發(fā)展的背景下，如何將西門子PLC 控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，推動工業(yè)生產(chǎn)的高效開展，已成為自動化領(lǐng)域的主要研究方向。