FANUC 0i 在Siemens Profibus 總線中的應用

李 強，申曉園

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇揚州 225127）

0 引言

隨著近年來工業4.0 推動自動化技術的蓬勃發展，總線通訊技術應用更加成熟，尤其是德國西門子公司推出Profibus DP總線，以其高可靠性及高傳輸速度成為應用十分廣泛的現場總線技術。本項目根據國內某重型汽車公司的新廠區設計規劃需要，組建一個汽車底盤加工生產線。整個生產線的源頭是一臺進口開卷輥壓機，第1 步將卷板坯料加工成為U型槽鋼，第2步為打碼標識，第3 步為沖孔加工，第4 步為等離子切割，第5步為縱梁折彎，每一環節的板料運輸由遍布車間的物流行吊機構完成，如圖1 所示。為適應全面覆蓋整個工廠車間實現自動化的需要，選擇應用Siemens Profibus DP總線作為貫穿整個項目的經脈。

圖1 自動化工廠布局

整個自動化車間由多家企業共同承擔，協作完成，筆者公司負責圖中的第2 和3 區域的汽車縱梁沖孔機部分，以2區共計6臺單機設備為例，分別由6套獨立的FANUC 0i系統控制。遍布整個自動生產線各環節的物流行吊機構由第三方廠家通過西門子S7-315DP 實現控制。每一臺獨立的汽車縱梁沖孔機都作為整個自動生產線的獨立執行機構單元，只與總線進行數據通訊，單機之間互不影響。因此，本次項目工作分為單機調試階段和聯網通訊調試階段，在此對單機調試內容略過。

1 通訊框架結構

將6臺FANUC 0i 控制的單機設備通過選用Profibus DP從站模塊，與一套西門子S7-315DP 模塊作為主站，組成一套獨立的Profibus DP總線結構，再通過Profibus DP Coupler耦合器，與物流行吊機構的西門子S7-315DP 模塊作為主站，組成的另一套Profibus DP總線進行數據通訊。

主要元器件構成如表1和表2所示。

表1 FANUC關聯部分

表2 Siemens整套部分

硬件組成分布如圖2所示。

圖2 總線結構示意圖

2 FANUC端Profibus通訊設置

訂貨帶有Profibus DP Slave 功能的FANUC 0i 系統單元，按照圖2的連接順序，組成Profibus DP通訊總線結構，單機的總線接口位于CNC單元后面，如圖3所示。

首先需要分別為每一臺FANUC從站系統設置不同的站點號，為使6臺相同的單機設備應用同一套PMC程序，必須統一相同的數據通訊地址。在本項目中，6 臺FANUC系統從站號設定為7、8、9、10、11、12，接收信號地址從R4100 開始，發送信號地址從R4200開始，長度都為64 字節，如圖4和圖5所示。因此，在單機的FANUC 系統PMC 中，只需要對R4100和R4200開始的64字節進行處理，即可實現與物流行吊機構的西門子PLC進行數據通訊［1-2]。

圖3 FANUC 0i 的Profibus DP插件單元

圖4 FANUC 0i 的Profibus DP從站地址設置

圖5 Fanu0805. gsd文件

3 Siemens端Profibus通訊設置

根據Profibus DP通訊的需要，FANUC提供Fanu0805.gsd從站文件，由此文件中獲取從站的設備版本號、定義支持的協議、設備類型、設備硬件及軟件版本號、ID、支持的波特率、信息長度、診斷信息含義、輸入/輸出模塊可選范圍等。“Module =＂ 64 Byte Out，64 Byte In＂ 0xC0，0x3F，0x3F”，對應FANUC的從站定義為64 位輸出/64 位輸入。將此文件存放于Siemens Step7軟件安裝指定GSD文件區域內，即可在進行西門子硬件組態時，在硬件選項列表中直接調用。

通過西門子S7-315DP組成Profibus DP總線的硬件配置，通過Step7 軟件完成各模塊的軟件組態，如圖6所示。

圖6 西門子Step7 配置組態結構

在本項目中，單機設備的控制完全由FANUC 0i系統實現，而應用Siemens S7-315DP 不控制任何實際機床設備的動作，其作用只是將6 臺單機設備組成一套Profibus DP 總線網絡，然后通過DP-Coupler 耦合器與物流行吊機構的控制系統實現Profibus DP 總線與Profibus DP 總線之間的數據通訊。在每個從站中分別設置通訊部分輸入輸出地址，如圖7所示。

圖7 西門子Step7 配置各單元輸入輸出地址段

采用“Consistent”類型的數據，PLC 自身數據按時間戳發送，因此必須調用SFC14 和SFC15 以保證兩個Profibus 網絡之間的所有對應數據通訊都在一個周期內完成。

SFC14：讀取DP標準從站連續數據。

SFC15：向DP標準從站寫入連續數據。

至此，通訊設定和硬件組態工作基本完成，FANUC可與Siemens S7-315DP實現數據通訊。

4 DP-Coupler

DP-Coupler 模塊用于連接兩個Profibus-DP 網絡，以便在這兩個主站網絡之間進行數據通訊，數據通訊區最高可以達244 字節輸入和244 字節的輸出。在此方案中，正是利用DP-Coupler模塊將S7-315 和8 臺縱梁沖孔機組成的Profibus-DP網絡與物料行吊單元的Profibus-DP網絡進行縱梁的型號和工藝等數據的交換。

圖8 西門子S7-315 和DP/DP-Coupler

圖8所示為項目現場的西門子S7-315和DP/DP-Coupler的硬件安裝，組成1＃Profibus-DP網絡。現場所有的Profibus線纜連接就緒之后，務必注意要將Profibus 連接的首站和尾站插頭上的終端電阻開關撥到ON，而中間所有插頭全部撥到OFF。圖9所示為項目現場的物料行吊機構的西門子S7-315和其從站的硬件安裝，組成2＃ Profibus-DP網絡。

圖9 物料行吊的西門子S7-315

對于DP/DP Coupler 連接的兩個網段，通訊速率可以不受限制，非常適用于不同通訊速率的兩個Profibus-DP主站系統之間的數據通訊。但是對于通訊數據區，1＃ Profibus-DP網絡的輸入區必須和2＃ Profibus-DP 網絡的輸出區完全對應，同樣2＃ Profibus-DP網絡的輸入區必須和1＃ Profibus-DP網絡的輸出區完全對應，否則會造成通訊故障。

5 編制FANUC系統PMC程序

受制于篇幅所限，在此只截取關鍵片段。對于總線通訊，只涉及連續數據的交換，而無任何單個動作的觸發，因此，可全部整合為字型或雙字型連續數據，以便于簡化編程。然后，在PMC程序中對收發的字型或雙字型連續數據進行解析，分離出客戶產品的型號、工藝等字符串型數據，以及I/O型信號。其中，產品型號字符串型數據用于以此進行調用CNC存儲器中的與產品對應的加工程序，工藝字符串數據用于傳遞到后續的等離子切割機和壓彎等工序。而I/O型信號用于沖孔主機與自動上下料單元PLC 之間進行動作流程通訊，及安全互鎖條件的限制等。部分PMC 程序如圖10 和圖11所示［3-4]。

圖10 PMC片段1

圖11 PMC片段2

6 編制西門子Step7 格式的梯形圖

與FANUC系統編程格式不同，西門子Step7 編程時，需要定義數據塊，然后在FC 功能塊中對數據塊進行讀寫等操作，如圖12所示［5-6]。

圖12 S7-300 數據塊

為了讀一個DP 從站的相連續的輸入數據區域，使用系統功能SFC14 DPRD_DAT，每個讀存取涉及一個專用輸入模塊。如果一個DP從站有若干個相連續的輸入模塊，則必須為所要讀的每個輸入模塊分別安排一個SFC14調用［7]。

表3所示為必須定義的SFC14的輸入和輸出參數。

表3 SFC14 DPRD_DAT的參數

從S7 CPU傳送一個連續的輸出數據到DP從站，使用系統功能SFC15 DPWR_DAT。每個寫存取涉及一個專用的輸出模塊。如果DP從站有若干個連續的數據輸出模塊，則對每個要寫入的輸出模塊必須分別安排一個SFC15調用［8]。

表4所示為必須定義的SFC15的輸入和輸出參數。

表4 SFC15 DPWR_DAT的參數

S7-300調用系統功能SFC如圖13 所示。S7-300 程序讀寫數據如圖14所示。

圖13 S7-300 調用系統功能SFC

圖14 S7-300 程序讀寫數據

按照上述步驟的處理，結合詳細復雜的FANUC 系統PMC程序和Siemens Step7 軟件PLC 程序的編寫，實現了將FANUC系統控制的單機設備完美地融入到整個自動化工廠車間生產線。

7 結束語

本文以FANUC 0i 控制的數控汽車縱梁沖孔機的單機設備通過Profibus DP 從站功能與西門子S7-315DP 組成一套Profibus DP 總線結構，再通過Profibus DP-Coupler 耦合器實現Profibus DP總線網絡與其他Profibus DP總線網絡的數據通訊。優點在于其中一套Profibus DP總線網絡中任意某臺單機設備出現故障或者關機時，對本網絡內的其他設備和其他Profibus DP總線網絡毫無影響。

本項目中，單機系統還充分應用了FANUC 系統的PMC軸控制、I/O Link 軸等其他輔助功能，在此不做贅述。借此項目機會，將當今機床控制領域的兩大知名企業的產品融入到一起，取長補短，優勢互補，共同完成高水準的汽車底盤縱梁加工生產線，可供其他技術人員參考。