基于Profibus的柔性制造教學實訓系統的設計與實現

潘 鋒

PAN Feng

（深圳職業技術學院 自動化技術研究所，深圳 518055）

0 引言

柔性制造系統（FMS），即Flexible Manufacturing System，是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統。其基本組成有自動加工系統、物流系統、信息系統和軟件系統，即：以數控機床或加工中心為基礎，配以物料傳送裝置組成的生產系統，適合加工形狀復雜，加工工序多，批量大的零件。柔性制造系統作為邁向工廠自動化的第一步，自上世紀80年代得到了實際的應用。柔性制造系統的發展，一方面與計算機輔助設計與輔助制造系統相結合，利用原有產品系列的典型工藝資料，組合設計不同模塊，構成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統；另一方面實現從產品決策、產品設計、生產到銷售的整個生產過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機集成制造系統。

Profibus總線是西門子公司90年代初推出的現場總線，根據應用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本，其中PROFIBUS-DP適用于分散外設間的高速數據傳輸，專為自動控制系統與設備級分散I/O之間通信設計的，其傳輸速率可達12Mbit/s。

現場總線技術與柔性制造系統結合已在工程實踐中普遍應用，因此設計基于Profibus的柔性制造系統的教學實訓系統，以實際生產為對象，實現從原材料的出庫、加工、裝配、圖像識別、入庫等整個生產過程的自動控制與管理，以PLC控制技術、工業自動化組態軟件為控制系統，可以滿足工與學的教學實踐與訓練目的。

1 柔性制造教學實訓系統

1.1 系統組成

所設計的教學實訓裝置，由變頻輸送線、三維立體倉庫、機械手、三維氣動機械手、液壓沖床單元、直線行走單元、CNC加工中心、圖像識別單元和三維裝配站等組成，包含了實際柔性制造生產中的典型生產單元，是一個比較完整柔性制造系統，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 工藝流程

該教學實訓裝置其工藝流程如圖2所示。

系統的工作流程：首先在上位機的WINCC組態畫面中設定好了控制過程后，三維立體倉庫中的氣動機械手把工件從立體倉庫中取出放到變頻輸送線上，通過變頻輸送線把工件輸送到機加工單元，由機械手B拿取工件，放到CNC機床上進行加工，加工完畢后送到三維氣動機械手進行初步裝配，再由機械手A送到液壓系統，加工后依次送回變頻輸送線，進行圖像識別后，傳送到裝配站進行最后裝配，再放回三維立體倉庫中。

圖2 系統工藝流程圖

變頻輸送線：由四條鏈板輸送線組成兩兩互相垂直布置的環形封閉輸送線，是整個系統的傳送部分，將待加工坯料和成品零件分別送到各個單元進行加工、檢測與裝配，其中90o轉向采用U形轉向軌道導向，實現工件托盤的變向傳輸。封閉后的輸送線采用一臺DELTA變頻調速器控制4臺交流異步電機，實現4條傳輸封閉線的等速運動，保持傳輸的一致性，傳輸速度可根據生產工藝自由調節。

三維立體倉庫單元：三維立體倉庫是存儲待加工坯料和成品零件的倉儲單元，此單元有4個儲層、每層有2個工位，可以儲存坯件和成品零件共8個，立體倉庫的庫層板上的托盤后側均有一個霍爾傳感器，判定庫位是否有托盤；取料和放料裝置采用兩臺三菱的伺服電機控制，控制上下、左右移動，由于采用了伺服電機控制，因此能精確的取料和放料；旋轉、伸出、夾緊均采用日本SMC的氣動元件進行控制。

三維裝配站單元：具有X、Y、Z三方向直線移動功能，并且可實現相互間準確的空間位置關系，可精確控制動作的位置和高度，完成零件從一個位置抓取、運送并準確裝入到另一個待裝位置的（裝配）過程，由于對精度要求很高，在三維裝配站的X、Y、Z三軸都采用三菱的伺服電機進行精確控制，抓取工件采用日本SMC氣動手指氣缸進行抓取。

下面以變頻輸送線為例，各工位工作流程如圖3所示。

2 控制系統

控制系統由1臺操作站、1臺主控制站和7臺從控制站構成，操作站與主控制站之間通過MPI實現通信，主從控制站通過Profibus總線實現通信，系統網絡拓撲如圖4所示。

操作站選用PC機和CP5611總線適配卡，完成系統監視、操作、報警等功能，同時完成工程師站的組態畫面、控制站編程和通信等功能。

圖3 變頻輸送線各工位工作流程

圖4 系統網絡拓撲圖

控制站選用1臺S7-300主站和7臺S7-200從站，具體配置：主站采用西門子公司的CPU313C-2DP，CPU313C-2DP是一個用于分布式結構緊湊型CPU，內置數字量I/O可以連接到過程信號，PROFIBUS-DP主站/從站接口可以連接到單獨的I/O單元。從站根據各單元控制點數的不同，分別選用西門子公司的S7-200系列CPU226CN和CPU224CN，并輔助部分擴展單元構成。通過EM277將CPU226CN和CPU224CN連接到PROFIBUS-DP網絡。

3 系統功能設計

3.1 自動/手動功能

對每個單元都設置了手動/自動功能。“手動”滿足對各單元和設備進行單獨調試；“自動”功能又分為“單動”與“聯動”，滿足各單元或系統的實際工作過程的需要。通過單元的“自動控制畫面”，即在相應的人機界面上即可任意切換。

系統的各個單元都是一個獨立的系統，“單動”指的是可有選擇地獨立自動運行該單元，只需在上位機的界面上選擇即可完成。在具體的單元中，還可以選擇多種不同的方式。

以三維立體倉庫站為例，在“柔性制造系統自動控制畫面”界面選中“三維立體庫”后，可進一步選擇下列四種工作方式：

倒庫：只要在源庫和目標庫中輸入倉庫號，按下啟動按鈕，本單元獨立動作，將工件拖盤從源庫取出送至目標庫；

由庫取件：輸入源庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合變頻輸送線工作，將工件拖盤從立體庫的源庫號取出工件送至流水線拖盤；

向庫放件：輸入目標庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合流水線工作，將工件拖盤從流水線拖盤上取出送至立體倉庫的目標庫；

取放件：輸入源庫和目標庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合變頻輸送線工作，將工件拖盤從源庫取出送至流水線拖盤，經過加工、檢測、裝配后再送回目標庫；

3.2 聯動功能

本柔性系統的最大特點就是可以根據工作過程的不同，將各單元可以隨意撤出系統，或隨意增加新單元裝備于系統之中形成新的系統，起到組合隨意、變更靈活、系統可大可小的柔性理念,學生可以通過控制單元的組合、軟件編程和調試達到學習和訓練的目的。充分體現模塊化設計原則、隨時有升級的余地，也可依據資金和需求隨時增加新單元。

聯動功能，選定相關單元后，系統就可以將選中的單元自動組合成一個柔性制造系統自動運行。

如實現將待加工坯料取出、加工制作成半成品，不需要沖壓、裝配等功能，只需選中“變頻輸送線單元”、“立體倉庫單元”和“機加工單元”即可，系統工作流程如圖5。

圖5 系統工作流程圖

3.3 監控功能

系統具有對柔性系統各單元運行數據的實時監控，并通過動態、變色、閃爍、棒圖及曲線等方式實時監視各電氣設備的運行狀況；系統具有對各電氣設備故障、系統保護、過載保護、系統軟件故障等各種報警、彈出報警畫面、中文字幕、并配合聲音報警等。

4 結束語

采用S7-300主站、S7-200從站，基于PROFIBUS-DP現場總線，實現了整個柔性制造教學實訓系統從原料的出庫、工件的加工、沖壓、裝配、圖像識別和入庫各個單元的柔性協調工作，整個系統運行情況良好。

[1]江志鋒,可編程序控制器原理與應用[M]西安：西安電子科技大學出版社,2004.

[2]王國貞,張惠榮,高南 基于PROFIBUS PLC控制系統中的網絡技術[J]無線電工程2006,05,.

[3]楊衛平 基于PROFIBUS-DP的柔性加工系統開發[J].電氣自動化,2009,04.

[4]陳偉兵 現場總線及其實際應用探討[J].電氣傳動自動化,2009,03.