基于PROFIBUS的柔性生產線系統

2012-08-16 01:10:22易銘

長春工業大學學報 2012年4期

易銘

（佛山職業技術學院，廣東佛山 528137）

0 引言

柔性生產線是一種技術復雜、高度自動化的系統，它具有產品生產周期短、產品質量高等一系列優點。而現場總線技術被譽為自動化領域的計算機局域網，是當今自動化領域技術發展的熱點之一[1－2]。用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互聯通訊網絡。文中介紹以西門子PLC為控制器，基于PROFIBUS總線技術的柔性生產線系統，采用模塊化設計構造，根據組合設計不同模塊，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。

1 自動控制總體方案

根據系統總體控制要求，基于PROFIBUS的柔性生產線系統如圖1所示。

該系統分為主站和從站，主站決定總線的數據通信，從站接收信息以及向主站發出請求時發出信息。系統通過兩種總線PROFIBUS和工業以太網都可以完成與每個分站的通訊功能，以太網總線更可以將PLC與多臺PC連接在統一的網絡中，這樣任何一臺PC機均可以訪問到任何一臺PLC，完成編程調試、軟件下載等功能。本設計被控對象包括數字量、模擬量，且分布在不同的站點上，而用PROFIBUS現場總線將單個分散的測量控制設備變成網絡節點，把它們聯成可以相互溝通消息，共同完成控制任務。基于PROFIBUS柔性生產線系統與INDUSTRIAL ETHERNET技術相結合，使控制系統網絡和INDUSTRIAL ETHERNET網絡互連，從而實現現場控制信息共享。

圖1 總體控制系統圖

本系統選用全集成自動化西門子公司的S7－300作為主站控制器，選用S7－200CPU226作為從站，有5個工作從站（5個單元），分別是上料單元、沖壓單元、檢測單元、組裝單元和存儲單元。并且每個從站配備EM277以及工業以太網模塊CP243－1，這樣的配置使得S7－300與S7－200之間可以相互通訊，也可以使S7－200獨立工作，自主編程，在自己控制的子系統內起到控制的作用。同時，通過 EM277PROFIBUS－DP，可將S7－200連接PROFIBUS網絡，構成集成網絡系統。那么整個通信網絡采用了工業以太網（INDUSTRIAL ETHERNET）和PROFIBUS－DP現場總線，主站和從站之間以及從站與從站之間可以相互通訊。連接各站點的現場設備，包括分散式I／O、傳感器、驅動器、執行機構、開關設備等。I／O遠程控制站ET200M可以對開關量和模擬量進行控制，模擬量主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量閥開度等。另外，完成現場設備控制及設備間連鎖控制，如生產線上各站點設備之間的連鎖控制。

2 步進電機的PLC控制[3]

5個工作站中轉盤轉動、傳動臂伸縮、X軸方向移動、Z軸方向移動均采用步進電機驅動。用PLC控制步進電機，實際上是通過PLC控制步進電機驅動器來實現控制步進電機的轉動。驅動器使步進電機旋轉一步距角，步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，所以，控制步進脈沖信號的頻率就可以對電機精確地調速，控制步進脈沖的個數，以對電機精確定位。

PLC控制步進電動機原理圖如圖2所示。

圖2 PLC控制步進電動機原理圖

本系統選用電機驅動器Q2HB44MC和Q2HB68MC等角度恒力矩細分型驅動器，驅動電壓DC24－80V，適配6或8出線電流在6A以下，外徑57～86mm的各種型號的二相混合式步進電機。驅動器設有12／8檔等角度恒力矩細分，最高200細分，最高反應頻率可200kpps，步進脈沖停止超過100ms時，線圈電流自動減半雙極恒流斬波方式。步進電機驅動器一端提供與PLC相連的轉速信號（CP），方向控制信號（DR）和啟動信號（EN）的接口，一端提供與步進電機相線相連的驅動接口。CP為接收驅動步進電機運轉的脈沖信號，DR為接收控制步進電機運轉方向的控制信號；EN為接收控制步進電機運轉的使能控制信號。西門子S7－200PLC（CPU226），Q0.0可以輸出脈寬可調的高速脈沖，給步進電機提供脈沖信號，步進電機驅動器的DIR和EN端可以連接到CPU226的兩個普通輸出端。

步進電機接收的脈沖由PLC的高速脈沖發生器產生，由Q0.0輸出。以1.80的電機為例，如果細分數是2，則電機轉一圈需要400個脈沖。在PLC的控制程序中，使用到特殊標志位存儲器SM，在此控制中使用的部分SM功能見表1。

3 控制系統通訊

本系統采用二層網絡相互通訊。以太網（校園網）作為管理層，即IEC802.3TCP／IP的通信協議標準，管理層工作站通過集線器與5個從站管理網連接，將數據送到管理層。5個工作站通過工業以太網模塊CP243－1，將S7－200系統連接到工業以太網（IE）中[4－6]。

第二層網絡是PROFIBUS－DP網絡，5個工作站各自配備 S7－200CPU226，網絡模塊EM 277，5個主站點之間通過CP243－1通訊處理模塊以PROFIBU總線進行信息交互，通訊介質為西門子專用PROFIBUS屏蔽紫色線。PROFIBUS網絡經過其DP通信端口，連接到EM 277 PROFIBUS－DP模塊。每個工作站連于PROFIBUS－DP，EM 277經過串行I／O總線連接到S7－200CPU。

網絡組態主要是確定各個接點的地址以及網絡的通訊速率等。使用網絡模塊EM 277需要設置DP地址、硬件組態地址和EM 277模塊上實際設置的硬件地址要相符合[7－8]，否則通訊發生錯誤。本系統中上料單元DP地址為4，沖壓單元DP地址為5，檢測單元DP地址為6，組裝單元DP地址為7，存儲單元DP地址為8。

控制過程和網絡通訊中，PLC采用循環掃描的方式進行工作，程序執行中所產生的中間暫存信息和數據通過PROFIBUS網絡通訊程序經網絡傳送至各個站點，實現對現場設備的自動控制。實現信息管理、數據交換、系統運行狀態的顯示，完成運行參數監視、故障報警、調試運行等功能。

4 硬件組態和程序設計

主控制器S7－300的硬件組態、總線參數設置和PLC程序的編寫都通過STEP7軟件設計開發而成。硬件組態工作在工控組態軟件WinCC中完成，WinCC可以提供各種PLC的驅動軟件。STEP7軟件硬件組態主要分為兩個大步驟：首先對上位機進行相應的參數設置，包括通訊端口、傳輸速率等；然后根據系統實際配置對S7－300進行硬件組態，雙擊SIMATIC Manager圖標，打開STEP7主畫面，將SIMATIC 300＼RACK－300機架拖入，在空機架的第1槽裝入PS電源、第2槽裝入 CPU 和設置PROFIBUS－DP網絡，選擇TRANSMISSION RATE 為 1.5Mbps，PROFILE為DP，DP網絡設置成功后，空出第3槽，從第4槽開始設置IM153通訊卡、添加DI＼DO＼AI＼AO、通信處理器CP等，按其實際配置類型和物理地址進行組態。此處主控制器S7－300 CPU313C－2DP的DP地址為2，SIMATIC ET2OOM的DP地址為1，SIEMENS MICROMASTER的DP地址為3，SIMATIC PANEL的DP地址為10，CPU選擇分配地址默認為2，通訊卡設置DP地址默認為1，輸入輸出通道定義電流4～20MA，電壓為0～5V。ET200M（PROFIBUS－DP）通訊硬件組態如圖3所示。

依次完成各PLC的組態后，STEP7V5.0基本軟件是用于SIMATIC S7系列PLC的標準工具，程序設計采用結構化編程，應用組織塊（OB）、功能塊（FB）、功能（FC）及數據塊（DB）組成控制系統程序[4]。各個站點S7－200CPU226采用S7－200編程軟件實現編程。下面給出上料單元程序控制框圖，如圖4所示。