CPX終端閥島在自動化生產實訓臺中的應用

董庭瓊，高欽和，于傳強，劉麗紅

(1.第二炮兵工程大學，西安 710025;2.渭南高級中學，陜西 渭南 714000)

現場總線技術的出現，推動了氣動自動化技術的發展，促進了傳統的氣動技術和PLC 控制的更好融合。另外，基于現場總線的CPX 終端閥島技術的出現，使電氣控制與氣動控制達到完美結合，并在自動化領域里得到了廣泛應用。采用各相對獨立的氣動控制閥元件來控制執行機構動作是傳統的氣動自動化實訓臺中氣動控制部分采取的方案，其元件安裝精度較低，安裝空間大，實訓臺的綜合性能差，實驗項目較少，給使用和學習帶來了極大不便，滿足不了日益發展的氣動自動化技術的實訓操作要求。因此，采用先進的自動化技術模擬自動化生產線的氣動實訓操作和提高實訓臺的綜合性已成為必然趨勢。

本文以基于現場總線Profibus-DP 的CPX 終端閥島作為氣動控制系統的核心元件，采用西門子S7 -300 可編程控制器來控制整個系統的運行過程。實驗證明該系統能夠滿足目前自動化生產線的實訓要求。

1 實訓臺系統硬件組成

實訓臺系統主要用于模擬自動化生產線上工件的自動搬運過程。系統采用西門子S7 -300 可編程控制器來控制整個系統運行過程，氣動部分采用德國FESTO 公司先進的基于Profibus-DP 總線的CPX 終端閥島替代傳統實訓臺中多個獨立的氣動控制閥來完成工作。系統結構如圖1 所示。

1.1 電路部分

系統電氣部分主要由電源模塊、PLC、CPX 終端和Profibus-DP 電纜組成。電路部分結構如圖2 所示。

系統供電采用單獨的24 V 電源模塊，它具有輸入輸出完全隔離、保護功能完善、抗干擾能力強、質量輕、體積小、紋波低等特點，使用安全穩定，便于實訓操作。

圖1 基于CPX 終端閥島的實訓臺

圖2 系統的電路結構

控制系統采用西門子公司的CPU，為313C -2DP 的S7-300 系列可編程控制器。他帶有Profibus - DP 主從站和MPI 的雙接口，與CPX 終端閥島連接方便，操作非常簡單，改變了傳統氣動控制系統中單根導線與控制閥和傳感器相連接的問題，減少了接線困難，以及接線容易出現錯誤但很難排查等問題。系統采用的PLC 帶有1 個微存儲卡(MMC)，系統的程序和數據都存儲其中，不需要系統運行時，微存儲卡可以拔掉，方便用戶操作程序時保密;同時，該PLC 帶有系統啟動、停止、復位按鈕，操作簡單直觀［1-2］。

如圖3 所示，CPX 終端閥島是FESTO 公司CPX 終端與閥島的組合模塊。CPX 終端是1 個用于閥島的模塊化外圍系統，該系統是為使閥島能適應不同應用而特別設計的，由于所采用的是模塊化結構，因此用戶可根據實際應用配置適當數量的閥和輸入/輸出點。在不帶閥島的情況下，CPX 終端可用作遠程I/O 模塊。CPX 終端主要由總線接點模塊、I/O 模塊、氣動接口模塊3 部分組成，FESTO 公司提供多種常用現場總線的節點模塊，如Profibus-DP、Interbus、DeviceNet、CANopen、CC-Link，也支持廣泛使用的以太網，這使CPX 終端的應用得到了很大程度的擴展，不僅其數據傳輸速度大幅度提高并具備實時能力，更重要的是增添了IT 服務所帶來的各種優勢。本實訓系統中CPX 終端閥島采用的總線節點模塊是支持Profibus-DP 總線的CPX-FB13，帶有1 個16DI 數字量模塊、1 個8DI/8DO 數字量模塊和1 個用于MPA 的氣動接口。傳感器的信號直接與16DI 數字量模塊連接，閥島直接與氣動接口相連［3-6］。

Profibus-DP 電纜用于CP5611 與PLC 下載程序時的連接，以及PLC 與CPX 終端閥島的通信連接。其采用RS485 標準，兩端都有終端電阻，在組網的時候，終端電阻非常重要［3］。

1.2 氣路部分

系統氣動部分主要由CPX 終端閥島、氣動抓手、扁平氣缸、導向氣缸和無桿氣缸組成，系統的氣路圖如圖3 所示。

圖3 CPX 終端閥島結構

氣動控制部分采用FESTO 公司的MPA 閥島來控制多個類型的執行元件氣缸，以完成抓取動作。系統中MPA 閥島包含6 片相同的二位五通帶手控開關的單側電磁先導控制閥和1 片二位四通帶手控開關的雙側電磁先導控制閥。其使用場合廣泛、操作方便、性能穩定、簡潔直觀［7］。系統氣路見圖4。

圖4 系統氣路

氣動執行元件使用了多種類型的氣缸，能夠豐富實訓臺的可利用設備，充分發揮系統的多種實訓功能。例如，可利用實訓臺，掌握多種氣動執行元件的工作原理及安裝注意事項，保證實訓臺功能達到最優。

2 實訓臺軟件開發平臺

實訓臺的軟件開發主要依托STEP7 軟件進行，而后通過CP5611 通訊卡將程序下載到PLC 中。系統軟件結構如圖5所示。

圖5 系統軟件結構

西門子CP 卡作為PG/PC 的系統接口，是TIA(totally integrated automation)全集成自動化的1 個重要網絡組件。CP5611A2 用作智能控制主站，可以PC 機作為控制主站，以支持PROFIBUS 或PROFINET 協議的子站做從站，結合SIMATIC NET 軟件，進行現場總線控制，而且還可提供程序下載。

STEP7 用于西門子系列工控產品，包括SMATIC S7、M7、C7 和基于PC 的WinAC，是供其編程、監控和參數設置的標準工具，是SIMATIC 工業軟件的重要組成部分。

3 CPX 終端閥島在實訓臺中的應用

PROFIBUS 是Process Fieldbus 的縮寫，是面向工廠自動化和流程自動化的1 種國際性的現場總線標準。主要包含PROFIBUS-DP、ROFIBUS-FMS 和PROFIBUS-PA 共3 種類型。PROFIBUS-DP 是專為自動控制系統與設備級分散I/O 之間通訊而設計的，用于分布式控制系統設備間的高速數據傳輸。使用Profibus-DP 可取代24V 直流電壓或4 ～20 mA 電流信號傳輸。PLC 和閥島、傳感器等之間利用Profibus-DP 總線進行主從之間的通訊控制，從而完成設定的實訓操作［8-9］。

3.1 CPX 終端閥島的參數設置

在系統電氣和氣動連接好后，就要對CPX 終端閥島的DIL 開關進行設置，如圖6 所示。

圖6 DIL 開關設置

CPX 終端閥島的DIL 開關處于總線節點模塊上，運行模式分為遠程I/O 和遠程控制器。若沒有在CPX 系統內集成FEC，則運行模式設為遠程I/O，否則設為遠程控制器。從站地址主要設置CPX 終端閥島在系統中的地址。本文中系統運行模式設置為遠程I/O，診斷模式為開啟狀態，CPX 終端閥島地址設置為3，因此DIL 運行模式的1、2 位都設為OFF，診斷模式開關設為ON，DIL 從站地址設置為:1、2 位為ON，3～7 位為OFF［10］。

3.2 CPX 終端閥島的軟件組態

在進行軟件組態之前，要在STEP7 軟件下安裝所需要的產品GSD 文件，而后在軟件環境下進行軟件組態，軟件組態要保證與硬件設置相符。其配置過程如下。

1)將FESTO CPX 終端閥島添加到Profibus-DP 總線上，如圖7 所示。

圖7 添加CPX 終端閥島

2)配置CPX 終端閥島的各模塊和地址，如圖8 所示。

圖8 配置CPX 終端閥島

3.3 系統的地址分配

整個系統中傳感器采用漫射式光電傳感器，可根據工作空間的需求進行調整。傳感器的靈敏度也是可調的，他可比較靈敏地檢測到執行元件的狀態，而后傳送給CPX 終端閥島中的I/O 模塊。系統的輸出信號主要用來控制電磁閥，以此來控制各氣缸的工作。地址分配如表1 所示。

表1 地址分配

3.4 編程

程序框圖如圖9 所示。

圖9 程序流程

編好程序后，通過Rrofibus-DP 總線下載到PLC 中。

4 結束語

通過實驗，可看出采用CPX 終端閥島替代多個控制閥的連接，能使實訓臺的安裝更加簡潔，綜合性更強，并集成現在生產線上最先進的氣動自動化技術。系統可培養學生的動手能力，讓學生能夠初步了解掌握現場總線技術、閥島技術、PLC 的原理與結構。同時，本系統運用的是西門子公司的STEP7 進行程序開發，能夠使學生了解程序開發的基本流程和方法，系統可方便地設置多種故障，培養學生排除故障的能力，滿足實訓操作的要求。CPX 閥島的總線節點模塊可根據實際使用要求更換各種協議模塊，提供多種控制方式，其他部分不需要更改，節約經費開支，使實訓臺達到最大的使用效率。

［1］馬丁.西門子PLC 應用程序設計［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［2］高鴻斌，孔美靜，赫孟合.西門子PLC 與工業控制網絡應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［3］FESTO 公司.模塊化電氣終端CPX［Z］.北京，2008.

［4］翁之旦，陶國良.氣動緊湊型閥島的設計［J］.液壓與氣動，2010(7):65-68.

［5］呂世霞.總線型閥島在自動化生產線實訓臺中的應用［J］.機床與液壓，2009，37(10):110-113.

［6］向毅，孫海平.成國真.鋁合金液壓閥島的研究及性能分析［J］.機床與液壓，2004(10):68-69.

［7］崔堅，李佳.西門子工業網絡通訊指南［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［8］陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［9］劉晶，于勇，高建，等.抽油機減速器柔性裝配單元實驗研究［J］.四川兵工學報，2011，32(3):105-106.

［10］FESTO 公司.PROFIBUS DP 現場總線型閥島快速配置手冊［Z］.北京:費斯托(中國)，2009.