基于Profibus—DP的搬運機器人分布式控制系統研究

摘 要：文章針對硅塊檢測中人力搬運效率低、工作量大的問題，設計了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運機器人分布式控制系統。該系統由主站S7-300PLC、人機界面、從站西門子S7-200PLC、步進驅動器及其步進電機、氣動抓手等組成，實現硅塊在運料小車和檢測臺之間的自動搬運；由于采用西門子公司的Profibus-DP現場總線將各智能搬運機器人組成分布式控制系統，實現了集中管理和分布控制。實驗結果表明，系統運行速度快、精度高、可靠穩定，大大節省了人力。

關鍵詞：硅塊檢測；Profibus-DP；S7-300PLC；分布控制系統

引言

太陽能是一種清潔的可再生能源，光伏發電是國家重點鼓勵發展的新能源之一，徐州作為我國硅材料的重要生產基地，擁有江蘇中能硅業科技發展有限公司等眾多生產企業。目前，在硅塊檢測方面，許多企業依然靠人力搬運，不但效率低，而且工作量大，嚴重影響了企業的發展。針對上述問題，文章設計了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運機器人分布式控制系統。該系統由主站S7-300PLC、人機界面、從站西門子S7-200PLC、步進驅動器及其步進電機、氣動抓手等組成，實現硅塊在運料小車和檢測臺之間的自動搬運；并采用西門子公司的Profibus-DP現場總線將各智能搬運機器人組成分布式控制系統，實現了集中管理和分布控制[1]。

1 基于Profibus-DP的搬運機器人分布式控制系統

基于Profibus-DP總線的搬運機器人分布式控制系統采用三層結構，如圖1所示。

第一層為傳動控制層，可以采用Siemens公司的V80伺服驅動器或步進驅動器，文章作者在實驗時考慮到成本，采用步進驅動器；第二層為PLC控制層，采用Siemens S7-200 PLC及其Profibus-DP通訊擴展模塊EM277，通過Profibus-DP現場總線將S7-200 PLC和主控S7-300 PLC組成網絡通訊系統，進行實時高速通訊，協調工作；第三層為主控層，采用CPU314-2DP的S7-300 PLC，實時多個智能搬運機器人的集中管理和分布控制[2]。

2 西門子S7-300PLC與S7-200PLC的Profibus_DP通訊

2.1 西門子S7-200PLC的設置

S7-200PLC不能作為Profibus-DP網絡主站，只能作為從站來配置。由于S7-200本身沒有DP 接口，只能通過EM277接口模塊連接到Profibus-DP網絡上。

EM277模塊的左上方有兩個撥碼開關。每個撥碼開關使用平口螺釘旋轉旋動，從而可以設定0到9這10個數主站字，其中一個撥碼來管的數字×10，另一個數字×1，因此組合起來構成0到99，這也是EM277在PROFIBUS-DP網絡中的物理站地址。EM277在通電情況下修改撥碼開關的數字后，必須斷電，然后在上電才能使設定的地址生效。

2.2 西門子S7-300PLC的通訊組態

在S7-300PLC的硬件配置中，在DP接口上添加一個Profibus_DP網絡，網絡地址設置為1，并在網絡上新建一個EM277（S7-200PLC的PROFIBUS-DP通訊模塊），將其設置為網絡上的3號從站，如2所示。

2.3 西門子S7-300PLC與S7-200PLC之間的通訊區

這里要配置的通信區是指S7-300與S7-200兩側的互為映射的通信緩沖區。首先，配置S7-300PLC的通信區，在EM277模塊中提供了多種不同大小的通信區，用戶可以根據實際數據傳輸量來選擇，譬如選擇2Bytes Out/2 Bytes In，即兩個字節的輸出映射區和兩個字節的輸入映射區，地址是IB30、IB31、QB30和QB31。其次，配置S7-200PLC的通信區，雙擊打開EM277模塊，選擇分配參數，在I/O Offset in the V-memory中寫入600，則S7-200PLC的通訊區地址是VB600、VB601、VB602和VB603，如表1。

3 基于S7-200PLC的搬運機械手設計

文章設計了一種圓柱坐標式搬運機器人，如圖3所示。機械手主要是由回轉基座、上下直線運動立柱、左右直線運動橫臂和平行氣等四部分組成。基座的主要任務是支撐和完成機械手回轉；立柱裝在基座上，作上下直線運動；橫臂與立柱相連，作橫向運動；手部采用平行氣夾，能夠實現夾緊和松開兩個動作[3]。

為了防止夾傷硅塊，在手部設計時，需要在平行氣夾上內側安裝塑料墊。塑料墊材料選擇非常關鍵，需要有良好的彈性、耐磨性和耐腐蝕性，我們選擇全氟醚橡膠墊[4]。

系統以S7-200PLC為控制器，基座采用直流電機及其減速器，主要實現正反轉控制，定位采用霍爾傳感器檢測；立柱和橫臂采用步進驅動器和步進電機驅動，采用S7-200PLC的PTO高頻脈沖輸出，定位也采用霍爾傳感器檢測；抓手為氣動平行氣夾，為開關控制[5]。

4 控制程序設計

4.1 主程序設計

主程序主要包括初始化子程序、Profibus_DP子程序、立柱脈沖發送子程序、橫軸脈沖發送子程序、底座（或轉盤）左旋、底座（或轉盤）右旋、立柱上升、立柱下降、橫軸伸出、橫軸縮回、抓手夾緊、抓手松開共計12個子程序，動作流圖如圖4所示。

鑒于篇幅所限，只分析主程序的關鍵部分，即SHRB移位指令實現順序控制功能，如圖5所示。當搬運機器人接收到主站發送的啟動命令后，M0.0得電并調用機械手松開子程序，同時延時T37；延時時間到后M0.1得電并調用機械手上升子程序，當觸發到上限位傳感器時停止并使M0.2得電；M0.2得電調用機械手縮回子程序，當觸發到縮回限位傳感器時停止并使M0.3得電；M0.3得電調用底盤右旋子程序，當觸發到右旋限位傳感器時停止并使M0.4得電，順序控制。當M1.4得電時表示一次搬運結束并返回開始等待。

4.2 S7-200PLC的高頻脈沖輸出

S7-200PLC的PTO功能可輸出一定脈沖個數和占空比為50%的方波脈沖。輸出脈沖的個數在1～4 294 967 295范圍內可調；輸出脈沖的周期以？滋s或ms為增量單位，變化范圍分別是10～65 535？滋s或2～65 535ms。如果周期小于兩個時間單位，周期被默認為兩個時間單位。如果指定的脈沖數為0，則脈沖數默認為1。

S7-200PLC的高頻脈沖輸出可以采用三種方式：一是采用編程軟件STEP7-Micro/WIN中位置控制向導自動生成PTO脈沖；二是采用MAP庫來創建PTO脈沖；三是采用編程方式來創建脈沖，一般是建立一些脈沖發送子程序。文章不再一一介紹，僅以第三種為例，進行說明。第三種方式可以建立一個PTO脈沖子程序，如圖6所示。SMB67是PTO控制特殊寄存器，設置成16#85后允許PTO脈沖輸出、單段輸出、異步更新、時基增量1微秒等。SMW68是脈沖周期設置；SMD72是脈沖發送數量；PLS是高速脈沖輸出指令，操作數X指定脈沖輸出端子，0為Q0.0輸出，1為Q0.1輸出[6]。

5 結束語

文章針對硅塊檢測中人力搬運效率低、工作量大的問題，設計了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運機器人分布式控制系統。重點介紹了西門子S7-300PLC的Profibus-DP硬件組態、S7-200PLC通訊擴展模塊EM277的設置、搬運機器人的結構設計、主控程序分析和高頻脈沖發送子程序分析。經實驗驗證，系統運行速度快、精度高、可靠穩定，大大節省了人力。

參考文獻

[1]言蘭，懂峰.基于PLC控制的搬運機械手的應用[J].機械工程與自動化，2008，4（2）：156-158.

[2]馬超.基于Profibus現場總線的柔性制造系統的研究與實現[D].合肥：合肥工業大學，2010：5-6.

[3]孔秀艷.一種四軸搬運機械手的PLC控制[J].大眾科技，2008（7）：112-113.

[4]熊明，曹才開.一種工業機械手的PLC控制[J].微計算機信息，2006，22（11）：120-122.

[5]詹貴印，周紅梅.三自由度液壓機械手的PLC控制研究[J].裝備制造行業應用，2007（7）：109-112.

[6]劉軒，王麗偉.機械手的PLC控制[J].機床電器，2006（4）：34-49.

作者簡介：王建華（1981-），男，山東臨沂人，講師，碩士，研究方向為電氣控制。