基于PROFIBUS的柔性生产线系统

2012-08-16易铭

长春工业大学学报 2012年4期

易铭

（佛山职业技术学院，广东佛山 528137）

0 引言

柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的系统，它具有产品生产周期短、产品质量高等一系列优点。而现场总线技术被誉为自动化领域的计算机局域网，是当今自动化领域技术发展的热点之一[1－2]。用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通讯网络。文中介绍以西门子PLC为控制器，基于PROFIBUS总线技术的柔性生产线系统，采用模块化设计构造，根据组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。

1 自动控制总体方案

根据系统总体控制要求，基于PROFIBUS的柔性生产线系统如图1所示。

该系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，从站接收信息以及向主站发出请求时发出信息。系统通过两种总线PROFIBUS和工业以太网都可以完成与每个分站的通讯功能，以太网总线更可以将PLC与多台PC连接在统一的网络中，这样任何一台PC机均可以访问到任何一台PLC，完成编程调试、软件下载等功能。本设计被控对象包括数字量、模拟量，且分布在不同的站点上，而用PROFIBUS现场总线将单个分散的测量控制设备变成网络节点，把它们联成可以相互沟通消息，共同完成控制任务。基于PROFIBUS柔性生产线系统与INDUSTRIAL ETHERNET技术相结合，使控制系统网络和INDUSTRIAL ETHERNET网络互连，从而实现现场控制信息共享。

图1 总体控制系统图

本系统选用全集成自动化西门子公司的S7－300作为主站控制器，选用S7－200CPU226作为从站，有5个工作从站（5个单元），分别是上料单元、冲压单元、检测单元、组装单元和存储单元。并且每个从站配备EM277以及工业以太网模块CP243－1，这样的配置使得S7－300与S7－200之间可以相互通讯，也可以使S7－200独立工作，自主编程，在自己控制的子系统内起到控制的作用。同时，通过 EM277PROFIBUS－DP，可将S7－200连接PROFIBUS网络，构成集成网络系统。那么整个通信网络采用了工业以太网（INDUSTRIAL ETHERNET）和PROFIBUS－DP现场总线，主站和从站之间以及从站与从站之间可以相互通讯。连接各站点的现场设备，包括分散式I／O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等。I／O远程控制站ET200M可以对开关量和模拟量进行控制，模拟量主要包括温度传感器、压力传感器、流量阀开度等。另外，完成现场设备控制及设备间连锁控制，如生产线上各站点设备之间的连锁控制。

2 步进电机的PLC控制[3]

5个工作站中转盘转动、传动臂伸缩、X轴方向移动、Z轴方向移动均采用步进电机驱动。用PLC控制步进电机，实际上是通过PLC控制步进电机驱动器来实现控制步进电机的转动。驱动器使步进电机旋转一步距角，步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，所以，控制步进脉冲信号的频率就可以对电机精确地调速，控制步进脉冲的个数，以对电机精确定位。

PLC控制步进电动机原理图如图2所示。

图2 PLC控制步进电动机原理图

本系统选用电机驱动器Q2HB44MC和Q2HB68MC等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压DC24－80V，适配6或8出线电流在6A以下，外径57～86mm的各种型号的二相混合式步进电机。驱动器设有12／8档等角度恒力矩细分，最高200细分，最高反应频率可200kpps，步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半双极恒流斩波方式。步进电机驱动器一端提供与PLC相连的转速信号（CP），方向控制信号（DR）和启动信号（EN）的接口，一端提供与步进电机相线相连的驱动接口。CP为接收驱动步进电机运转的脉冲信号，DR为接收控制步进电机运转方向的控制信号；EN为接收控制步进电机运转的使能控制信号。西门子S7－200PLC（CPU226），Q0.0可以输出脉宽可调的高速脉冲，给步进电机提供脉冲信号，步进电机驱动器的DIR和EN端可以连接到CPU226的两个普通输出端。

步进电机接收的脉冲由PLC的高速脉冲发生器产生，由Q0.0输出。以1.80的电机为例，如果细分数是2，则电机转一圈需要400个脉冲。在PLC的控制程序中，使用到特殊标志位存储器SM，在此控制中使用的部分SM功能见表1。

3 控制系统通讯

本系统采用二层网络相互通讯。以太网（校园网）作为管理层，即IEC802.3TCP／IP的通信协议标准，管理层工作站通过集线器与5个从站管理网连接，将数据送到管理层。5个工作站通过工业以太网模块CP243－1，将S7－200系统连接到工业以太网（IE）中[4－6]。

第二层网络是PROFIBUS－DP网络，5个工作站各自配备 S7－200CPU226，网络模块EM 277，5个主站点之间通过CP243－1通讯处理模块以PROFIBU总线进行信息交互，通讯介质为西门子专用PROFIBUS屏蔽紫色线。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM 277 PROFIBUS－DP模块。每个工作站连于PROFIBUS－DP，EM 277经过串行I／O总线连接到S7－200CPU。

网络组态主要是确定各个接点的地址以及网络的通讯速率等。使用网络模块EM 277需要设置DP地址、硬件组态地址和EM 277模块上实际设置的硬件地址要相符合[7－8]，否则通讯发生错误。本系统中上料单元DP地址为4，冲压单元DP地址为5，检测单元DP地址为6，组装单元DP地址为7，存储单元DP地址为8。

控制过程和网络通讯中，PLC采用循环扫描的方式进行工作，程序执行中所产生的中间暂存信息和数据通过PROFIBUS网络通讯程序经网络传送至各个站点，实现对现场设备的自动控制。实现信息管理、数据交换、系统运行状态的显示，完成运行参数监视、故障报警、调试运行等功能。

4 硬件组态和程序设计

主控制器S7－300的硬件组态、总线参数设置和PLC程序的编写都通过STEP7软件设计开发而成。硬件组态工作在工控组态软件WinCC中完成，WinCC可以提供各种PLC的驱动软件。STEP7软件硬件组态主要分为两个大步骤：首先对上位机进行相应的参数设置，包括通讯端口、传输速率等；然后根据系统实际配置对S7－300进行硬件组态，双击SIMATIC Manager图标，打开STEP7主画面，将SIMATIC 300＼RACK－300机架拖入，在空机架的第1槽装入PS电源、第2槽装入 CPU 和设置PROFIBUS－DP网络，选择TRANSMISSION RATE 为 1.5Mbps，PROFILE为DP，DP网络设置成功后，空出第3槽，从第4槽开始设置IM153通讯卡、添加DI＼DO＼AI＼AO、通信处理器CP等，按其实际配置类型和物理地址进行组态。此处主控制器S7－300 CPU313C－2DP的DP地址为2，SIMATIC ET2OOM的DP地址为1，SIEMENS MICROMASTER的DP地址为3，SIMATIC PANEL的DP地址为10，CPU选择分配地址默认为2，通讯卡设置DP地址默认为1，输入输出通道定义电流4～20MA，电压为0～5V。ET200M（PROFIBUS－DP）通讯硬件组态如图3所示。

依次完成各PLC的组态后，STEP7V5.0基本软件是用于SIMATIC S7系列PLC的标准工具，程序设计采用结构化编程，应用组织块（OB）、功能块（FB）、功能（FC）及数据块（DB）组成控制系统程序[4]。各个站点S7－200CPU226采用S7－200编程软件实现编程。下面给出上料单元程序控制框图，如图4所示。