基于PROFINET技術的柔性生產線實訓平臺設計與實現(xiàn)

（湖南工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程系，湖南 長沙 410208）

基于PROFINET技術的柔性生產線實訓平臺設計與實現(xiàn)

劉德玉

（湖南工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程系，湖南 長沙 410208）

本文以湖南工業(yè)職業(yè)技術學院自動化生產線、西門子技術中心實訓室為依托，利用現(xiàn)場層控制器與控制層控制器本體上的PROFINET通信接口功能，實現(xiàn)PROFINET開放式“ISO-ON-TCP”通信，通過PROFINET技術管理協(xié)調行車運送站、底盒加裝站、加蓋操作站、插銷固定站、恒溫噴涂站、物料檢測站、物料分揀站和物料倉儲站等8個功能單元站的柔性生產，實現(xiàn)了生產數(shù)據(jù)的收集與控制信息實時傳遞，使生產數(shù)據(jù)數(shù)字化、信息化、智能化，使工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET在柔性生產線實訓平臺中得以應用。

柔性生產線；PROFINET；實訓

近幾年來，柔性生產制造的研究，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術成為柔性制造的主導網(wǎng)絡技術，其與以前的CC-link、CAN、PROFIBUS-DP等現(xiàn)場總線比較，通信速率要高很多，更具有集中管理功能。因此，工業(yè)制造現(xiàn)場大力推行工業(yè)以太網(wǎng)技術。而高職院校所教學的自動化生產線都是CC-link、PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，如THMSZC-2A、YL-335B等實訓設備。本文從柔性生產線實訓平臺的總體設計出發(fā)，模擬企業(yè)生產活動，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET在柔性生產線中的應用。

1 柔性生產線實訓平臺的總體構成

本柔性生產線實訓平臺是依托湖南工業(yè)職業(yè)技術學院的自動化生產線、西門子技術中心為基礎。利用紅、黃、藍3種顏色的塑料組合工件為載體，模擬企業(yè)把客戶對組合工件的需求信息，用客戶代碼、工件類型和生產數(shù)量等信息，輸入到柔性生產線中，生產過程中，按上料、加蓋、插銷、恒溫噴涂、顏色檢測、分揀、倉儲和搬運等8個工序進行，生產過程中，根據(jù)客戶的要求，隨時動態(tài)更改生產工藝參數(shù)，實時顯示客戶的生產信息與進度，并進行加工過程的動畫跟蹤。

柔性生產線是企業(yè)的核心設備，從現(xiàn)場到控制，管理，是個完整的實時控制管理網(wǎng)絡，經(jīng)調研和分析湖南主要企業(yè)的控制器使用情況，本系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡分為現(xiàn)場層、控制層和運行管理層。控制方案圖見圖1所示。現(xiàn)場層的從站測控裝置采用西門子新一代的小型可編程控制器S7-1200(CPU1214C)，完成以太網(wǎng)通信向工業(yè)現(xiàn)場延伸控制，完成工業(yè)以太網(wǎng)的生產數(shù)據(jù)的收集與生產過程的實時控制與反饋。控制層的控制器采用西門子S7-300PLC（CPU315T-2PN/DP），進行PROFINET通信的協(xié)調工作，完成8個不同的工藝站點的工作協(xié)調與數(shù)據(jù)處理工作。運行管理層采用西門子SIMATIC WINCC V7.0監(jiān)控組態(tài)，完成基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的柔性生產線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的用戶登錄、工藝參數(shù)的設置、整體的實時動畫監(jiān)控等功能。實現(xiàn)各層之間數(shù)字化管理控制。

圖1 柔性生產線控制方案圖

2 柔性生產線程序設計

2.1 PROFINET通信設計

西門子可編程控制器S7-300（CPU315T 2PN/ DP）和S7-1200 CPU（CPU 1214C）都自帶有以太網(wǎng)通信接口，此接口支持三種通信協(xié)議及服務：TCP；IS0 on TCP（RCF 1006）和S7通信，本文采用的通信協(xié)議為ISO ON TCP。

ISO-on-TCP協(xié)議是基于TCP的ISO傳輸服務的協(xié)議，能夠在TCP/IP的網(wǎng)絡中將ISO應用進行移植，高效的與硬件建立緊密的通信關系，適用于中等或較大數(shù)據(jù)量的實時通信，有效的動態(tài)長度數(shù)據(jù)傳輸，方便控制。S7-1200和S7-300兩款CPU都提供了開放式TCP/IP通信功能塊：TCON、TSEND、TRCV和TDISCON。通過通信指令的有機協(xié)調，完成ISO-ON-TCP通信。本系統(tǒng)管理平臺采用的CPU315T-2 PN/DP，此CPU具有通用的“ISO-on-TCP”通信協(xié)議，可以同時連接8個通信伙伴，剛好滿足系統(tǒng)組網(wǎng)需要，每個連接伙伴通過IP地址來識別。通過更改連接數(shù)據(jù)塊中的IP地址，通過相同的連接資源，實現(xiàn)行車機械手單元、上料落料單元、加蓋單元、插銷單元、噴涂單元、檢測單元、分揀單元、物流倉儲單元和管理平臺等單元的數(shù)據(jù)交換和實時數(shù)據(jù)跟蹤。

2.2 PROFINET通信測試

實訓平臺是一個教學系統(tǒng)，需要教學內容需要由淺入深，為了驗證通信程序的正確性和方便理解程序，確立了一個生產測試要求：通過從PC監(jiān)控系統(tǒng)中的下單界面，確立多客戶的生產任務，經(jīng)PROFINET下達生產任務，并實時監(jiān)控現(xiàn)場層的生產數(shù)據(jù)上傳情況，并規(guī)定通信程序的測試時間為4天。以驗證通信的穩(wěn)定性、實時性。測試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。從測試的數(shù)據(jù)可知，從任務的下達，至客戶生產信息的實時反饋，都已實現(xiàn)，并通過4天的連續(xù)測試，確定PROFINET通信穩(wěn)定、實時效果好、數(shù)據(jù)反饋及時和通信的吞吐量大，達到柔性生產線的通信功能設計要求。

2.3 柔性生產線控制系統(tǒng)的程序設計

柔性生產線實訓平臺的管理平臺是生產線的核心，負責整體的協(xié)調與管理工作。如圖4管理單元程序流程圖所示，管理單元首先接收PC監(jiān)控系統(tǒng)或HMI人機交互系統(tǒng)的客戶生產信息，經(jīng)FB3數(shù)據(jù)處理程序，進行客戶的生產任務歸檔和生產任務的分配工作；經(jīng)FB1通信模塊，有序、按時的下達生產任務和啟停信息給8個功能單元。生產過程中，各功能單元把當前生產的客戶代碼、生產的產品類型、產品檢測結果等生產信息進行實時反饋，如表1、表2所示的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)與接收數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)定義，按照客戶生產信息輸入的先后順序關系、產品數(shù)量及類型，依照先入先出的原則，自動完成客戶的生產任務，并把生產過程中的良品和不良品、產品種類、各客戶生產狀態(tài)等生產信息，通過工業(yè)以太網(wǎng)實時反饋給管理單元存檔，方便管理層進行信息化、數(shù)字化、智能化、人性化、個性化的智能生產管理。

圖2 自定義的歸檔數(shù)據(jù)類型

圖3 加蓋單元的數(shù)據(jù)歸檔實時監(jiān)控

圖4 管理單元程序流程圖

根據(jù)表1和表2所確定的生產交互信息，按程序流程圖的設計步驟，依據(jù)模塊化的設計思維，完成柔性生產線工業(yè)以太網(wǎng)的程序設計，并完成功能單元管理單元的程序設計，實現(xiàn)了功能單元的邏輯控制與生產數(shù)據(jù)的實時收集反饋，管理單元與功能單元的數(shù)據(jù)處理與協(xié)調管理工作，實現(xiàn)了柔性生產線的生產數(shù)字化操作。

表1 通信數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)域的信號說明

表2 通信數(shù)據(jù)接收區(qū)域的信號說明

3 柔性生產線實訓平臺的監(jiān)控系統(tǒng)設計

柔性生產線的監(jiān)控系統(tǒng)是一個人機交互的操作運行平臺，監(jiān)控運行平臺與管理單元的控制器通過PROFINET相連接，使操作工人和管理人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)生產數(shù)據(jù)的輸入，實時觀測到柔性生產線的生產信息，包括客戶代碼、已完成的工件數(shù)、產品合格與不合格數(shù)、每個單元環(huán)節(jié)的生產情況等生產現(xiàn)場信息，并根據(jù)生產的一線信息，通過監(jiān)控管理平臺，實時控制生產線的啟停、修改生產工藝參數(shù)。柔性生產線的監(jiān)控系統(tǒng)包括HMI人機交互與PC監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，具有用戶等登錄、實時監(jiān)控、任務管理、參數(shù)設置、報警等功能。

如圖5、圖6所示，監(jiān)控管理系統(tǒng)的生產線監(jiān)控分為主界面和8個功能單元的獨立監(jiān)控，實時監(jiān)控客戶生產信息和生產任務情況。功能單元的獨立監(jiān)控，實現(xiàn)生產過程的生產步驟動畫實時跟蹤。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主界面的實時監(jiān)控

圖6 加蓋單元的實時監(jiān)控界面

4 結語

本文設計的基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的自動化柔性生產線實訓平臺，已經(jīng)對工業(yè)以太網(wǎng)通過功能測試和安全性測試，結果表明PROFINET通信穩(wěn)定、實時性能優(yōu)、系統(tǒng)設計合理、功能完善、符合當前柔性生產線工作的需要。從測試的結果和通信的穩(wěn)定性可以看出，生產線實現(xiàn)了柔性管理、智能管理、數(shù)字化管理、圖形化管理，系統(tǒng)集成管理等功能。學生在實訓過程中，從生產信息的輸入，到成品的倉儲，生產信息的檢測，到數(shù)據(jù)的處理，對自動化生產線的系統(tǒng)調試、設計都有一個很好的系統(tǒng)認識。良好的動畫監(jiān)控效果，對學生有很好的教學吸引，有效提高了自動化技術專業(yè)、機電一體化技術專業(yè)的教學效果。

[1]周濟. 智能制造——“中國制造2025”的主攻方向 [J]. 中國機械工程, 2015, 17.

[2]黃誠. 基于CC—Link及網(wǎng)關模塊的柔性生產線教學系統(tǒng) [J].機電工程技術, 2011, 40(6): 31～3.

[3]張利新, 徐揚. Profinet在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的應用; proceedings of the 全國冶金自動化信息網(wǎng)2016年會論文集, F, 2016 [C].

[4]索菲婭, 董建平. 汽車柔性生產線先進制造技術——建設汽車強國與相關產業(yè)的發(fā)展 [J]. 金屬加工:冷加工, 2012, 22: 9～11.

[5]王靜. PROFINET挺進過程自動化的特點及應用——基于以太網(wǎng)通信的工業(yè)自動化 [J]. 中國儀器儀表, 2014, 1: 63～6.

TP273；TH165

A

1671-0711（2017）04（上）-0113-03

湖南省教育廳科學研究（13C223）項目。