PROFIBUS总线在MPS改造中的应用

张俊勇

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

模块化生产加工系统（MPS，Modular Production System）是近年来各高校引进的典型机电一体化培训系统，是国际技能大赛—机电一体化竞赛的官方竞赛设备，它可以模拟零件的检测、搬运、加工、装配和分类的生产过程，使学员处于一个非常接近于生产实际的教学环境。

PR0FIBUS现场总线，是目前在工业自动化领域中应用最为广泛的现场总线通讯技术之一。本文采用PR0FIBUS现场总线技术对MPS系统进行改造，利用上位机与系统通信，实现对MPS系统的高速数据传输和数据处理控制，以及对各站的生产运行监控，使得系统的生产效率得到显著提高，且大大提高了系统的可靠性和可维护性。

1 MPS系统简介

MPS系统是一套开放式的设备，一般由6个工作站组成，分别为上料检测站、机械手站、加工检测站、装配站、安装搬运单元、立体仓库单元，其系统结构如图1所示，它可以较为真实地模拟出一条自动生产加工流水线的工作过程。

目前陕西国防工业职业技术学院MPS设备各工作站之间通信采用的方法是一个工作站PLC的输出与另一工作站PLC的输入相连，从而实现各工作站的协调动作。这种点对点通信方式存在诸多缺点：

（1）占用系统资源；

（2）信号传输抗干扰能力差；

（3）不能体现新型的工业控制系统网络结构理念；

（4）MPS系统不具有监控功能[1]。

图1 MPS系统结构图

应用PR0FIBUS现场总线技术可以解决上述问题。

2 PROFIBUS-DP现场总线技术

PR0FIBUS现场总线技术，是实现现场级设备数字化的工业现场层网络通信技术，它具有较强的现场信号集成能力，可靠性和维护性好，且总线协议是开放的。

PR0FIBUS总线标准包括3个方而的内容：FMS，DP，PA，分别适用不同的应用领域[2]。

本次改造主要采用的是PR0FIBUS－DP总线标准，用于现场级快速高效的数据交换。PROFIBUS－DP主站可分为一类主站和二类主站：

一类DP主站是中央控制器，它在规定的周期内与分散的站点（如DP从站）交换信息，典型主站设备包括可编程控制器（PLC）和个人计算机（PC）。

二类DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在系统组态时或对系统运行监控时使用[3]。

在采用PROFIBUS系统结构类型时，选择PLC做一类主站，设置一台监控站，监控站通过串口与PLC一对一连接。这种结构类型，监控站不在RPOFBIUS网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作，监控站所需从站数据只能从PLC中读取。

2.1 设备类型

该系统共有6个工作站单元，将第1个工作站模块即上料检测设置为主站，主站的配置是选用SIEMENSS7-300可编程控制器CPU 315-2DP模块及存储卡；其余5个工作站模块为从站，都采用SIEMENSS7-200 CPU226型，每个从站的I/O口均为24入/16出。S7-200通过EM277 PROFIBUS-DP从站模块连入PROFIBUS-DP网，主站可通过EM277对S7-200 CPU进行读/写数据。

2.2 总线拓扑

PR0FIBUS-DP总线存取协议，主站之间采用令牌传递方式，主站与从站间采用主从方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线令牌，在PR0FIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或读取信息。因此，有3种系统配置：

（1）纯主—从系统；

（2）纯主—主系统；

（3）混合系统[4]。

本系统采用令牌传递方式和纯主—从系统配置。网络拓扑图如图2所示。

图2 网络拓扑图

2.3 总线数据通信网络的硬件组态

根据图2所示数据通信网络的组成，利用已连接好的PROFIBUS-DP网络专用线缆与总线插头，采用总线拓扑结构进行网络连接，并检查网络连接是否正确，给系统送电。S7-300 PLC与S7-200 PLC通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯时，在STEP7中需要对S7-300站组态，而在S7-200系统中不需要对通讯进行组态。

在STEP7中对S7-300 PLC站组态时，首先在STEP7中插入一个S7-300 PLC的站。然后在STEP7硬件组态窗口中安装EM277从站配置文件，接着选择通讯方式，并在STEP7的硬件组态窗口中设置EM277的从站地址，至此一个工作单元的EM277从站硬件组态结束，接着依次将所需的EM277从站挂接到总线上，如图3所示。PROFIBUS-DP网络组态完成后，编译并下载到S7-300 PLC中。

图3 硬件组态过程

2.4 主从站数据通信编程

采用PROFIBUS-DP总线网络，主从站之间的通讯不需要编写专门的通讯程序，只需在S7-300主站的硬件组态中，配置PROFIBUS总线中的EM277模块时所建立的缓冲区的输入输出字节数即可。例如组态时选择“8 BytesOut/8 Bytes In”，在S7-300侧建立的I/O缓冲区为PIB0～PIB7和PQB0～PQB7，将EM277的拨位开关拨到与以上硬件组态的设定值一致，则200侧的通信区VB0～VB7为接收区，VB8～VB15为发送区（通信区地址通过设置可以偏移）。只要从站的站点地址以及各个从站PLC的端口地址，在组态时明确且不重复，就可以很准确地实现主从站之间的通讯控制。

3 上位机监控系统的实现

图形界面开发程序由“组态王”运行系统组成。画面编辑应用程序提供需要制作实时画面的所有功能，用户根据实际需要组织、调动画面。本系统监控主画面设计如图4所示，画面显示给用户提供命令与图建立联系。

图4 MPS系统监控主画面

4 结束语

经实践证明，采用PROFIBUS-DP和组态王工控软件组建的工业网络控制管理系统，实现了人机交互可视化以及生产管理的一体化，给系统的安装、调试和设备维护带来方便，改造后可以实现对各站的生产运行监控，提高了系统的安全性、可靠性和工作效率。

[1]段向军，曹桂玲，蔡云升，朱方园.Profibus－DP和WinCC在MPS改造中的应用[J].机械制造与自动化，2008，（3）:140-141.

[2]高 峰.基于PROFIBUS-DP现场总线控制器从站的研究与开发[D].河北：华北电力大学，2005:2～14

[3]SIMENS.PROFIBUS specification,Normative parts of PROFIBUS-FMS-DP-PA According to the European Standard 50170[S].SIEMENS.Volume2.Edition1.0March，1998

[4]安宪军，杨利超，黄尔烈.基于PROFIBUS－DP总线的数据通信的应用研究[J].山东煤炭科技，2008，(1):112-113.