精密箱體柔性制造系統網絡通信的實現*

邱 紅 嚴江云 張 韜 封光磊

（沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

隨著市場競爭的激烈，企業在市場上面臨越來越大的競爭壓力。企業基于快速響應市場變化、并同時滿足成本和質量控制的需求，需要將整個工廠的生產流程和自動化控制系統納入到統一的信息管理平臺，形成控制信息與管理信息對接、管控一體化的自動化管理系統。基于此，昆明機床股份有限公司（簡稱昆機）研發的精密箱體柔性制造系統FMS1600系統集成控制解決方案提出了通過構建現場級PROFIBUS通信網絡和工業以太網雙層網絡通信系統，組成連接設備層、現場控制層和企業級通信網絡的解決方案，幫助企業實現自動控制、信息共享、資源優化的集成自動化管理。

FMS設備層控制系統配置的西門子840D數控系統和PLC系統提供了PROFIBUS－DP通信協議和更為優化的PROFIBUS－S7通信方式，以及內嵌式以太網接口，為雙層網絡的構建奠定了硬件基礎條件。

1 FMS的網絡結構

FMS1600精密洗箱體柔性制造系統解決方案中，將通信網絡分為三級:企業級、現場控制級和設備級。其網絡結構如圖1所示。

企業級網絡:用于企業的上層管理，為企業提供生產、經營、管理等數據，通過信息化的方式優化企業資源。

現場級網絡:介于企業級和設備級之間，包含PROFIBUS－DP網絡和工業以太網。PROFIBUS－DP網絡通信主要作用是解決物流控制系統主控PLC與設備層PLC控制系統之間控制信號的傳輸和通信，對網絡的實時性和準確性要求很高。PROFIBUS－DP協議是基于主－從原則的，本項目采用單主站網絡配置結構。物流控制系統的主控PLC和帶有CP5613A2通信網卡的WinCC上位機組成主控站，主要任務是控制物流系統從站設備，在數據交換階段，主站有規律地輪詢從站設備。現場7臺加工設備、物流小車和7套射頻識別系統組成物流系統的智能從站，接受主站對其初始化配置（設置參數和檢查組態），并以被輪詢的方式周期地與主站交換數據。工業以太網絡用于FMS信息管理系統與物流控制系統之間、現場控制系統與企業管理系統之間的數據通信，網絡上傳輸的是生產計劃信息、加工系統的生產數據、設備運行數據、刀具數據和加工程序數據，通過MCIS（Movement Control Information System）系統實現FMS的信息與管理功能。

設備控制級:設備層的S7－300型PLC控制系統作為FMS的智能從站，通過現場級網絡連接到現場控制級的主控PLC系統，接受主控PLC的控制指令;而840D數控系統的HMI系統則通過工業以太網連接到現場級信息管理系統，為系統采集底層設備的信息數據、下載程序數據提供技術支撐。

2 設備組態

組態就是用應用軟件中提供的工具和方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態軟件是有專業性的。一種組態軟件只能適合某種領域的應用。

本項目FMS集成了眾多現場設備，需要通過組態方法統一到物流控制系統，實現統一調配、控制和管理。項目采用西門子STEP7組態軟件工具構建物流主站系統與物流從站PLC控制系統、射頻識別系統之間的通信連接。PLC控制系統采用通信模塊CP 342－5 DP進行數據交換，射頻識別系統通過ASM456通信模塊與PLC控制系統進行數據交換。通信模塊的特征信息需要通過GSD（General Station Description）文件創建設備鏈接，GSD描述文件包括通信參數、插入模塊數量及類型、模塊所處位置位、模塊參數和出錯文本等信息。圖2是使用STEP7軟件的“HW Config”工具設置S7－300 CP 342－5 DP通信模塊的方法。

物流主站控系統和從站控制系統均由S7－300 PLC擴展CP342－5通信模塊組成，組態時將主站的“Opreting Mode”設置為“DP Master”（主站），將從站的“Opreting Mode”設置為“DP Salver”（從站）。鏈接完成后，通信模塊就被賦予PROFIBUS總線通信的IP地址，將組態數據下載到PLC系統，通信模塊自動地由PLC系統參數化和組態，定義模塊的屬性（是否聯網狀態、底板連接MPI地址、通訊速率、是否DP主站或從站），初始化完成，系統進入數據循環交換。照此方法，逐一組態FMS現場7臺加工設備、物流小車和7套RFID系統為物流從站。硬件組態完成后，現場總線上所有設備的屬性也就隨之確定，形成如圖3所示的PROFIBUS網絡硬件結構。

圖3中MAIN PROFIBUS總線是FMS設備的網絡通信總線，加工單元OP10至OP70的網絡通信IP地址從101到107;小車XC的IP地址是108、主控站ZK是100，MOBY PROFIBUS是連接 RFID通信模塊ASM456的總線，其通信地址是92。至此總線上所有設備在通信結構中的物理位置、IP地址都進行了分配，完成了PROFIBUS通信的基礎構架。

3 PROFIBUS－DP主—從站之間的通信實現

如前所述，項目PROFIBUS－DP總線的配置是主—從網絡系統，1個主站控制1組從站，總線通信方式是1個主站輪詢多個從站。并且PROFIBUS－DP主站和從站都配置了通信模塊CP342－5，使用基于PROFIBUS－DP通信協議。CP342－5與CPU上集成的DP接口不一樣，它對應的通信接口區不是實際的輸入/輸出接口區（I區/Q區），而是虛擬通信區，需通過通信功能模塊傳輸數據。本項目主站編程FC5和FC6通信功能塊，從站編程FC105和FC106功能塊見圖4。

主站虛擬緩沖區的數據周期性地寫到從站的輸出通道上，周期性讀取的來自從站的數值存放在輸入緩沖區，整個過程由主站的CP342－5與從站的CP342－5之間自動協調完成，不需要再編寫數據交換程序，但是需要在主站PLC程序調用FC5和FC6建立通信接口區;從站的PLC控制程序中通過功能組織塊OB35周期性地調用數據發送軟件功能塊FC105和數據接收軟件功能塊FC106，來讀寫CP342－5內部緩沖區的數據。參數“SEND”和“RECV”指定的DP數據區可以是過程映像區（I/O）、存儲器區（M）或數據塊（DB）區。

PLC控制程序要為數據發送軟件功能塊FC5（FC105）的參數“SEND”指定需要發送的數據的數據存儲區，以便按照參數“SEND”指定的區域把數據傳送到CP342－5的輸出緩沖區。同樣，也要為數據接收軟件功能塊FC6（FC106）的參數“RECV”指定接收數據的數據接收區，系統才能把從CP342－5的輸入緩沖區接收到的來自I/O的過程數據，存入參數“RECV”指定的CPU中的數據接收區。同時還要為FC5（FC105）和FC6（FC106）通行功能塊設置數據傳送起動條件，當啟動條件參數“DONE”為1、錯誤判定參數“ERROR”和數據傳送執行結果參數“STATUS”為0時，可以認為數據被正確地傳送到了通信伙伴。網絡通信見圖5。

通信驗證:通信驗證程序結構見圖6。

圖6所示FMS網絡通信監控分別在主控站和從站的控制程序中編程周期性組織塊FB135，每隔100 ms將數據發送區的某個字（本項目是STAT3）的值增加一定的值（主控站為3，從站為4），當監控脈沖連續累加到參數IN1規定的數值（主控站為3，從站為4），說明與某個從站通信中斷，此時發出從站通信中斷的報警，進行故障處理。

項目通過編程診斷組織塊，對從站系統的電源丟失、變量表監視、局部變量監控、故障處理中斷等進行監控，防止某個從站的故障造成整個PROFIBUS主站系統停機。如圖7所示，現場總線加工單元、物流小車單元、物流主控系統設計各自完善的故障診斷控制程序，構成對整個FMS網絡通信系統的監控，其監控內容如框圖中各OBxx功能塊說明。

4 工業以太網通信系統

在圖1中，工業以太網絡通信系統采用星型網絡拓撲結構和工業屏蔽雙絞線ITP（Industrial Twisted Pair）電纜，將現場加工單元和物流小車的人機操作系統、WinCC上位機系統通過點到點的方式連接到工業以太網交換機上，信息管理系統與底層控制系統之間的通信都通過交換機進行。這種集中式控制策略，使得每個站的通信處理負擔很小，只需滿足點到點鏈路簡單通信要求，結構簡單，并且任何一個節點的故障不會導致整個通信系統的癱瘓。服務器置于中央控制室內，通過硬件防火墻與內部局域網相連，并且這是生產線局域網與公司內部局域網的唯一通信接口。

網絡配置:MCIS網絡IP地址分配使用C級地址，分配的格式為192．168．1．y。其中y表示網絡中設備的編號（表1）。

系統通過通用參數和機床網絡參數，設置通信參數、機床狀態組信息和底層設備的IP地址。通過信息管理系統FMS實現了以下管理功能:

（1）設備的分析:機床利用率和機床組利用率分析;

表1

（2）設備生產數據統計:設備運行狀態和加工質量統計;

（3）工件管理:工件類型、加工件數和加工時間節拍統計;

（4）工廠日歷管理:工作日類型和工作班次類型統計。

5 結語

基于PROFIBUS－DP總線和以太網總線技術，分層構建了FMS雙總線網絡通信系統，在加工設備和小車運輸設備的數控系統與物流控制系統之間、控制系統與信息管理系統之間搭建了網絡通信數據交換平臺，通過這個平臺，實現了FMS系統全自動化的集成控制功能，實現了控制信息與管理信息對接、管控一體化的自動化管理功能，通過預留的網絡擴展接口，為用戶將FMS工業控制網接入企業級網絡，實現對FMS柔性制造系統的監控和管理奠定了基礎。

［1］陳在平，岳有軍．現場總線及工業控制網絡［M］．北京:電子工業出版社，2008．

［2］崔堅，李佳．西門子工業網絡通信指南［M］．北京:機械工業出版社，2004．

［3］華中生．柔性制造系統和柔性供應鏈－建模、決策與優化［M］．北京:科學出版社，2007．

［4］蘇昆哲，何華．深入淺出西門子WinCC V6［M］．2版．北京:北京航空航天大學出版社，2004．

［5］向曉漢，陸彬，鄭貞平，等．西門子PLC高級應用實例精解［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［6］王忠，陳明銳．基于FROFINET工業以太網的柔性制造系統的研究［J/OL］．萬方數據，2009－5－9．

［7］SIEMENS．SIMATIC communicationg with simatic［Z］，2006．