基于現場總線的柔性制造系統的設計

何 芳

（新余學院 機電工程學院，新余 338000）

0 引言

柔性制造系統由控制系統、加工系統和物流系統三個部分組成，隨著各個子系統的發展，柔性制造系統也有了很大的改變，就目前而言，該系統在網絡信息化和系統控制模式上還存在某些欠缺。傳統柔性制造系統的控制模式采用的是集中型，現場設備和主控計算機的通信必須通過有線連接，因此，不管是系統運算還是系統邏輯處理，這些都是由中央計算機控制的。由此可見，現場設備和中央計算機間的通信問題（可靠性、實時性）是促進柔性制造系統實現信息綜合、信息集成和自動化的關鍵。現場總線是一種通信技術，它不僅能夠在工業環境中工作，另外它還具有低成本高性能等優勢，作為柔性制造系統中的通信技術，它可以實現現場設備與主控計算機間的通信。

柔性制造系統采用現場總線作為該系統的通信技術，不僅克服了傳統柔性制造系統在控制模式上的不足，還可以將現場總線技術的優勢發揮出來，現場總線技術的運用極大程度的提高了柔性制造系統各方面的性能。工業控制系統具有網絡化、分散化和智能化等特點，傳統的通訊技術無法適應這種工業環境，現場總線技術的運用使得企業系統走向了自動化。不僅如此，就連PLC和DCS在功能和機構上也做出了相應的改變，而工業自動化產品也面臨著升級。

1 現場總線技術

現場總線控制系統是建立在現場總線技術上的一種控制系統，作為連接通信的一種媒介，它屬于智能化設備，把網絡節點并入到總線，讓網絡節點作為網絡系統的一部分出現，在拓展后控制系統就會進入自動化。過程現場總線的網絡模型包含了三個部分，即應用層、數據鏈路層和物理層，該技術的傳輸速率在9.6Kbps至12Mbps這個范圍內。過程現場總線的網絡模型設計是根據國際標準協議設計的，該協議結構的具體層次分布如圖1所示，它選取了通信過程中的物理層、數據鏈路層和應用層。過程現場總線在交通、電力和樓宇等領域都有廣泛的應用，由于它不需要廠家設備的支持，所以它在自動化離散型系統中的應用比較多。過程現場總線有三個不同的版本，即PROFIBUS-PA過程自動化、PROFIBUS-FMS報文規范和PROFIBUS-DP分布設備。如圖1所示為過程現場總線協議規范層次結構圖。

圖1 PROFIBUS協議規范層次結構

2 現場總線的柔性制造系統的設計

柔性制造系統的主控制器采用的是型號為SIEMENS S7-300的可編程序控制器，上位機中必須裝有WINCC以方便過程監視，另外還應具備機械設備和執行器。柔性制造系統總共包含了8個執行單元，分別是上料、材質檢測、廢料分揀、尺寸檢測、XY直角坐標傳輸、加工、皮帶傳輸和立體倉儲，單元之間都是相對獨立的，屬于它們可以單機運行。狀態監控、總控再加上8個執行單元就是柔性制造系統的所有結構組成?？偪貑卧骺刂破鬟x用的是型號為Siemens S7-300的可編程邏輯控制器，軟件編程是實現調控執行單元的手段；狀態監控單元也是通過在PC機中安裝Siemens組態監控軟件，對系統運行狀態的監控也是通過組態和編程。

2.1 控制系統

控制系統總共有三層，即管理層、單元層和設備層，分層式的控制有利于全面的管理，管理層主要負責界面的監控和系統的整體控制，單元層是負責現場設備的控制，而設備層是是控制分散的設備，將它們進行集中管理。如圖2所示為控制系統層次結構圖。

管理層的一類主站采用的是西門子的S7-300可編程邏輯控制器，它的二類主站安裝的PC機具有CP5611卡。S7-300主站在系統中充當管理中心和數據處理中心，負責各方面的連接，如根據下層發送的狀態信息對加工任務進行規劃和調整，或者將WINCC發送的信息進行加工和轉換，將它傳遞給設備層；WINCC是操作人員和計算機交流的界面，通常用來采集實時數據，或者控制系統設備層的運行，并用文字或動態圖形的方式將系統運行狀態顯示出來，另外它還可以實現記錄變量、歸檔數據、打印消息和報警等操作。

圖2 控制系統層次結構

單元層與設備層之間的連接是通過S7-200或者EM277，單元層會根據管理層的指令驅動電機模塊或者設備層，另外將設備的運行信息發送至管理層。S7-200與PROFIBUS-DP存在一定差異，所以它并不具備通信能力，本文采用的是EM227，通過對它進行模塊拓展，讓它具備與PROFIBUSDP相同的通信功能。

2.2 系統主站組態

在本文中柔性制造系統的一類主站采用的S7-300 可編程邏輯控制器是由SIEMENS公司生產的，該控制器具有體型小、結構模塊式等特點，且它的結構不受到槽位的限制，屬于應用型、容易拓展，在同類控制器中性價比較高。S7-300 可編程邏輯控制器由導軌、接口模塊、電源模塊、中央處理單元模塊、功能模塊和信號模塊幾部分組成。

2.3 系統從站設計

柔性制造系統的從站設計選用的可編程邏輯控制器是S7-200系列的，每個從站設備都會對應一個網絡地址，從站在過程現場總線網絡中處于被動地位。在啟動設備前應先檢查從站的的通信能力，檢查它是否能與主站進行通信連接，對設備進行初始化處理。S7-200系列不具備現場總線的通信接口，所以如果要選用S7-200作為從站的通信設備，首先要對S7-200進行模塊拓展，將它拓展為EM277。從站由變頻器模塊和EM277模塊兩部分組成，且變頻器模塊應該帶有過程現場總線接口。

2.4 WINCC的通訊組態

WINCC在柔性制造系統中充當監控軟件，且它監視的是上層，所以它和主站間有通信連接。從站與主站間的通訊必須通過S7-300，然后才能發送至WINCC，因此它們之間存在一個過程變量，在WINCC和S7-300之間過程變量就相當于媒介的作用，數據的交換都要通過過程變量才能實現，每個過程變量都會對應一個通訊單元和一個驅動程序。

圖3 監控仿真界面

2.5 監控界面設計

系統界面即監控界面，這是人操控系統監視系統運行狀態的媒介，在過程監視系統中，系統界面實現系統功能都是通過參數設置及圖形修改完成的。在整個柔性制造系統中，系統的編程和單元模塊的創建都是通過畫面設計實現的，因此，畫面設計就是實現系統監控功能的核心。如圖3所示為監控仿真界面截圖。

3 結束語

本系統的一類主站采用的是WINCC和S7-300，從站采用的是S7-200，系統的管理和監控都是通過WINCC實現的，WINCC可以將現場的實際情況用動態的畫面顯示出來，系統的實時性和可靠性因此得到了提高。過程現場總線集中式的控制，不僅讓系統對底層設備實行分控，還可以進行實時管理，現場總線的應用讓物流系統和加工單元融合在一起，硬件設計和軟件編程逐漸走向了標準化，柔性制造系統的設計難度隨之下降。

[1] 陸春元, 陸歡林. 基于現場總線技術的柔性制造系統的組態監控[J]. 機床與液壓, 2009, 37(9).

[2] 梁延德, 趙律. 現場總線在柔性制造系統中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2006(4): 65-67.

[3] 陸春元, 陸歡林. 基于現場總線技術的柔性制造系統的組態監控[J]. 機床與液壓, 2009, 37(9).

[4] 于瀛, 邢吉哲, 母佳慶, 張偉. Prof i bus總線在人機協同柔性制造系統中的應用[J]. 新技術新工藝, 2009(6).