閥島技術在生產線自動供料系統中的應用

呂世霞，王 京

LV Shi-xia, WANG Jing

（北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100026）

閥島技術在生產線自動供料系統中的應用

The application of bus-valve island in the feeding system of automated production line

呂世霞，王 京

LV Shi-xia, WANG Jing

（北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100026）

提出一種基于Profibus現場總線技術的閥島作為生產線上供料系統的各個執行機構進行協調工作的控制單元，以增強系統抗干擾能力。采用西門子S7-300 PLC的順序控制實現整個供料過程的自動運行。PLC利用Profibus 現場總線通過總線型閥島、輸入設備與上位機自由交換信息，實現遠程操作和控制。實踐證明，該方法使整個系統自動化程度提高，可靠性增強，為整個生產線的分布式控制提供前提。

現場總線；閥島；PLC；順序控制

0 引言

現場總線技術的發展，推動了過程控制技術與氣動技術的進一步發展。閥島技術的出現，使得氣動技術在生產線的自動化控制領域得到廣泛應用。在氣缸活塞的自動化生產線上，能夠快速、準確的將待加工工件從待加工區送到加工區，是提高生產效率的關鍵。供料系統自動化程度的提高已經成為必須。

自動供料系統采用基于Profibus-DP現場總線技術的閥島來作為氣動系統中各個執行機構進行協調工作的控制單元。同時，采用西門子S7-300 PLC的順序控制來實現整個供料過程的自動運行，利用Profibus 現場總線通過總線型閥島、輸入設備與上位機自由交換信息，實現遠程操作和控制，以滿足目前自動化生產線的分布式控制的要求。

1 自動供料系統的工作原理

自動供料系統主要功能是將工件從生產線的待加工區抓取、傳送、放置到加工工位。系統要求控制精確，抓取快捷，傳送到位，放置穩定，使用方便快捷，生產效率能夠得到進一步提高。

供料系統的工作流程如圖1所示。起始時，各執行機構處于初始位置，且工件已在待加工區存放，處于被提取的等待狀態，加工工位已無工件在加工。此后的動作順序為：推料氣缸伸出，將工件推出待加工區。擺動氣缸左擺，延時5s，消除擺動過程的抖動，準備抓取工件。吸盤的真空開啟，抓取工件，延時5s，保證工件抓取牢固。推料氣缸退回。擺動氣缸帶著工件開始右擺，直到放置工件的位置，延時5s，消除擺動過程的抖動。真空關閉，工件放置加工工位上，延時5s，保證工件安全放置。這樣自動供料系統就完成了一個供料過程。供料過程可以循環進行。

2 閥島在供料系統氣動回路中的應用

Profibus (Process Fieldbus)是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領域。采用Profibus總線的系統具有很高的實時性。Profibus-DP 協議是為自動化制造工廠中分散的I/O設備和現場設備所需要的高速數據通信而設計的。使用Profibus-DP可取代24V直流電壓或4mA～20mA電流信號傳輸。DP的配置為主—從結構，DP主站與DP從站間的通信基于主―從原理。

供料系統采用Profibus-DP現場總線系統進行主―從站之間的通信。PLC、上位機、閥島及現場的輸入設備之間的信息通過該總線系統進行實時交換。

2.1 閥島的閥片選擇

圖1 自動供料系統的工作流程圖

供料系統的氣動控制元件采用Festo 公司最新推出的Profibus現場總線型閥島作為氣動控制元件，其性能優異，結構緊湊，固定柵格，并且可在一個位置上緊湊的安裝兩個閥的功能，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”。總線型閥島與外界的數據交換只需通過一根兩股或四股屏蔽電纜實現，是一種省配線的復合集成系統，節省接線時間。配線、配管和元件的減少使設備進一步集成，抗干擾能力增強，數據傳輸更為可靠。

閥島主要由電路板和閥體兩部分組成。閥島采用橫向氣路板集成，其上閥體寬10mm，對應的標準額定流量為400L/min，具有閥體薄，流量大，能耗小。閥島的設計時可裝6個或8個閥片，可將線圈從2個擴展到16個。閥島最多可安裝8片閥片（16個線圈），并且可以使用氣路板。

圖2 自動供料系統的氣動回路圖

自動供料系統的氣動回路如圖2所示。氣動系統的閥島采用3個閥片來控制。氣動推料氣缸采用M型閥片控制，1個二位五通單電控閥，保證推料氣缸嚴格定位在伸出和縮回兩種狀態。擺動氣缸采用N型閥片，2個常開的二位三通閥，可以讓擺動氣缸停止在任意位置，方便系統調試，同時防止在工作過程中突然斷電時擺臂墜落。真空吸盤采用E型閥片，帶噴射器的真空發生器，有利工件的抓取和放置。

2.2 閥島的軟件組態

閥島支持Profibus-DP、Festo Field Bus、ABB CS31、SUCOnet K多種協議。閥島上可以根據系統設備不同的控制需要進行不同的總線協議選擇。同時可以在閥島上進行網絡端口設置，閥島地址選擇，及診斷模式設置。

閥島在使用之前還需要對其DIP開關部分進行設置，選擇使用Profibus-DP協議，同時進行相應的軟件組態。Festo公司開發了與西門子PLC相匹配的總線型閥島技術使用的組態軟件，根據供料系統的功能要求在STEP 7軟件下對其進行相應的組態。該軟件操作方便，界面簡單快捷，利于使用。

利用西門子公司提供的STEP7軟件在PC機上對系統在軟件環境下進行軟件組態時，確保軟件組態與硬件設置相符。

首先在STEP 7軟件下安裝Festo DP產品的GSD文件。配置過程如下：

1）系統配置中選擇Profibus DP網絡組件Festo CPV 閥島。如圖3所示。

圖3 Profibus DP網絡組件的選擇

2）雙擊Festo CPV DI01，配置CPV閥島的地址和網絡，選擇好相應的地址和網絡，單擊確定即可。操作如圖4所示。

圖4 CPV閥島地址和網絡的配置

2.3 閥島的地址分配

整個系統的輸出信號為閥島的輸出，系統的輸出地址在閥島上的分配見表1所示。地址分配從閥島的左至右，14線圈總在低位，單電控閥片中的12線圈地址被保留。根據需要，系統需配置3個閥片，控制3個執行元件。

表1 閥島的輸出地址分配

2.4 輸入設備的地址分配

供料系統的輸入信號主要來源于檢測執行元件狀態的傳感器，系統啟動、停止的開關信號等。系統的輸入地址分配如表2所示。

表2 系統的輸入地址分配

2.5 PLC的順序控制過程

PLC 在抗干擾能力方面明顯優于單片機等其他控制器，目前已被廣泛應用于工業控制中。供料系統的控制器選用西門子公司的S7-300系列的可編程控制器 CPU 313C-2DP，它集成數字量輸入/輸出接口，同時帶有MPI、Profibus主站/從站的雙接口，方便與Profibus-DP總線型閥島的連接，操作簡單精確。PLC、閥島、輸入設備與上位機連接在現場總線Profibus 上，PLC作為供料系統的主站接收來自于傳感器等輸入設備信息，并發出信息控制閥島動作，以實現遠程操作和控制，并且為整個生產線的分布式控制提供了前提。

自動供料系統采用PLC的順序控制，它可以實現整個供料過程的自動化控制。自動供料系統的順序功能圖如圖5 所示。當滿足左邊的控制條件時，就會產生右邊的控制結果，同時使相應的中間寄存器通電。從圖5 中看出一個完整的提取過程共有6步，且完成第6步后如果加工工位滿足無工件，且系統沒有停止條件時，就可以實現連續的供料動作。

圖5 PLC的順序控制功能圖

3 結束語

過程控制技術和氣動技術發展的相輔相成，使生產線的自動化水平也應與日俱增。將基于Profibus-DP現場總線的總線型閥島這一先進的氣動控制技術應用在自動化生產線的供料系統中，使系統集成度更高。 PLC與氣動技術的有機結合，利用Profibus 現場總線通過總線型閥島、輸入設備與上位機自由交換信息，實現生產線自動化的遠程操作和控制，為整個生產線的分布式控制提供了前提，使整個生產線的自動化程度更高，控制方式更加靈活，系統性能更加可靠。因此具有重要的實際意義和經濟價值。

[1] 許為民.基于PLC的氣動換刀裝置設計[J].液壓與氣動,2009(1)：50-52.

[2] Festo 公司.CPV閥島使用手冊,2005.

[3] SIEMENS公司.SIMATIC s7-300使用手冊,2005.

[4] 胡健.西門子S7-300/400 PLC工程應用.北京：北京航空航天出版社.2008.9.

[5] 關浩,藍健,楊博龍.氣動競賽機器人控制系統設計[J].2009(1)：7-9.

TP274

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1009-0134(2010)09-0170-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.52

2010-03-05

呂世霞（1978 -），女，講師，碩士研究生，研究方向為嵌入式運動控制。