基于PROFIBUS—DP的自动装配线控制系统设计

【摘 要】介绍基于西门子S7-300的Profibus-DP自动化控制系统设计方案及具体设置过程；利用MP277触摸屏对S7-300主从站PLC、变频器等组成的物料装配自动线进行控制，证实了设计的可行性和正确性，设计过程还可以作为Profibus-DP总线的典型培训案例。

【关键词】PLC Profibus-DP S7-300 MP277

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）07C-0189-04

近年来，随着工业现场自动化的控制工艺复杂程度不断增加，对于企业的自动化控制要求也越来越高，网络化的控制系统逐渐成为目前工业控制领域的热点。

PROFIBUS是一种开放式、不依赖于设备生产商的国际化现场总线标准，是目前国际上通用的且应用最为广泛的工业现场总线标准之一，该总线由13家企业和研究机构联合开发，目前已经成为国际标准IEC61158的组成部分，在2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS-DP是一种高速低成本数据传输，用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，采用RS-485传送方式，速率可由9.6Kbps至12Mbps。PROFIBUS广泛适用于制造业自动化、过程工业自动化等其他领域，可实现车间级监控到现场设备层的分散式控制和现场通信网络，从而为实现现场设备智能化和工厂自动化提供了可行的解决方案。

一、自动化生产线Profibus-DP控制网络结构

本设计主要完成对S7-300PLC的主从站自动线分布控制，实现对自动线的现场监控，本套系统主要硬件组成如下：

PLC：S7-300单元模块由1台CPU 315C-2DP，带PROFIBUS-DP主/从接口，自带数字输入：DI 16x DC24V ， 数字输出： DO 16x DC24V/0.5A，CP343-1。1台CPU314C-2DP、SM323（DI 8/DO8x DC24V/ 0.5A）、CP343-1 I组成。

HMI：触摸屏采用西门子公司的MP277-10 Touch触摸屏；触摸屏是现场应用较为广泛的监控设备之一，本设计采用MP277触摸屏通过Profibus-DP总线构成对物料装配自动线的控制。

编程软件：S7-300编程软件为STEP7_V54_SP3.1_CH版本；MP277-10 Touch触摸屏项目采用Wincc flexible 2008触摸屏组态软件。

编程计算机PC操作系统为Windows XP Professional SP3，PCI插槽安装CP5611通讯板卡，用于下载PLC程序及监控程序。

变频器采用西门子的MM420，DP通信模块安装在MM420上，使之成为PROFBUS-DP从站。

自动线上安装有MP277-10 Touch触摸屏，通过MP277可以监控整条线的运行情况。MP277通过MPI通信线连接主站PLC，主站PLC为CPU315C-2DP，该型号PLC自带MPI与DP接口，直接可以进行通信。主站PLC负责与子站及变频器进行相互信息数据的发送与接收，定义站地址为2#站，另一PLC站（314C-2 DP）为从站，定义站地址为3#站，变频器MICROMASTER MM420为4#站，下接一台三相异步电动机。自动线系统结构如图1所示：

图1 PROFIBUS-DP的总线系统结构图

二、PROFIBUS-DP主从通讯参数设置

组建PROFBUS-DP总线通信，首先对线上的各个工控设备进行硬件组态，按照先从站后主站的顺序进行。

（一）组态从站

打开硬件组态（HW），STEP7新建工程项目，进入硬件组态窗口，按硬件实际配置类型和地址进行组态，依次按照次序插入机架导轨（RACK-300）、电源模块（PS 307，5A）、CPU模块（315-2 DP）和数字量I/O模块SM323（DI8/DO8，24V0.5A）等完成从站的硬件组态。

在“DP Properties（DP性能）”对话框中选择“Operation mode（操作模式）”标签，将该站DP属性设为从站（Slave），并对其属性进行配置，如Profibus站地址号3#，数据传输速率187.5K等。

确认参数设定完成后，回到（DP性能）对话框并选择“Configuration（配置）”标签，对通讯数据区进行设置。DP模式选择：选中PROFIBUS网络，然后点击按钮进入DP属性对话框，选择“Operating Mode（操作模式）”标签，激活“DP slave（DP从站）”操作模式，如果“Test ，commissioning ，routing（测试，调试，路由）”选项被激活，则表示这个接口既可作为DP网络的从站，同时还可通过该接口监控程序。

在DP属性对话框中，选择“Configuration（配置）”标签，打开I/O通信接口区属性设置窗口界面，新建一行通信接口区，可看到当前的组态模式为Master-slave configuration（主从结构）。此时只能对本地（slave从站）进行通信数据区的配置。

（二）组态主站

在完成slave从站组态配置后，在同一项目下插入主站的station（站）， 并打开硬件组态进行配置。在“DP Properties（DP性能）”对话框中选择“Operation mode（操作模式）”标签， 将DP属性设为Master（主站），并对其属性继续完成配置，在主站CPU模块的组态中设置Profibus地址为2#站、MPI地址为2#站及通信传输速率为187.5kbps等。

（三）主从站组态连接

在硬件组态界面找到S7-300从站，将从站图标拖曳至PROFIBUS-DP总线上，完成相应的硬件设置，对主站与从站的通讯地址进行分配。配置页面如图2所示：

图2 主从站组态通信地址设置

（四）编译保存

组态完成后进行编译保存，连接成功后可以看到连接的系统图，如果编译不成功，则不会产生系统块，通信界面则会出现红色或者黄色的出错显示，需要查找出错原因解决后才能继续进行网络通信参数设置。Profibus-DP系统硬件组态如图3所示：

图3 Profibus-DP系统组态

（五）编译通信接口区

完成主从站硬件组态后，主站（S7-300PLC 315C-2 DP）调用S7-300PLC系统功能SFC15 / DPWR_DAT 0进行数据的发送，调用SFC14/DPRD _DAT 0进行数据的读取，从站亦相同。完成住从站通信地址的定义后，即可在自动线程序编制中通过通信地址进行数据交换，主站和从站的控制命令即可通过总线进行交互控制。

（六）项目下载

本条自动线网络中的通信主要是指主站S7-300 PLC（315C-2DP）与从站（314C-2DP）之间的通信，采用的是Profibus-DP通信协议；PC下载PLC项目程序到各PLC，PC的PC/PG Interface接口选择5611进入设置即可。主站与从站只要通信DP接口硬件连接正常，且各个站点地址无冲突，通讯速率设置统一后即可进行通信。是否连接正常可以查看PLC面板上的运行指示灯是否变为绿色即可判断，也可以通过监控PLC检查故障找出故障原因。

（七）项目程序

要实现主从通信连接，首先要定义通信接口区。本例中先定义通信接口区主站QB50～QB69对应从站IB50～IB69，从站IB5O～IB69对应主站QB5O～QB69。

组态通信接口区后，主站程序下载到主站PLC中，为防止总线网络上因某个站点掉电使整个网络不能正常工作的故障，还要在S7-300 PLC中编写组织块OB82、OB86及OBl22。

主站程序举例：

主站系统块在OBl中调用SFCl4进行数据的读取、SFCl5进行数据的发送。如图4所示：

图4 主站程序

SFCl4打开主站存放在IB50～IB69的数据包并放在DBl.DBBO～DBl.DBB10中。SFCl5给存放在DB2.DBBO～DBl.DBB10中的数据打包，通过QB50～QB69发送出去。

从站程序举例：

从站系统块的OBl中调用SFCl4进行数据的读取、SFCl5进行数据的发送。如图5所示：

图5 从站程序

从站程序与主站程序编程思路一致。通过发送和接收过程，可以在控制程序中采用这些通信区域进行数据交互。

三、PLC对变频器MM420的控制

主站PLC或从站PLC需要与变频器通信，还要对变频器进行多个参数设置。应根据系统手册，针对系统对控制电机的要求进行设定。建立通讯DB块，划分好通信数据区域，PLC读取变频器的数据，存放在DB0-DB11共12个字节中，写给变频器的数据放在DB12-DB13共12个字节中。

（一）PLC组态设置

在STEP 7 编程软件中的HW config中先组态S7-300站，使之成为PROFIBUS-DP主站，在DP总线挂上MM420，并组态MM420的通讯区。通讯区与自动线控制过程有关，需要读/写MM420参数，需4 PKW区；如果除控制字和设定值以外还需传送其他数据，则要选择4 PZD。

（二）变频器MM420参数设置如表1所示：

表1 变频器参数设置表

参数号 设置值 功能 参数号 设置值 功能 参数号 设置值 功能

P0010 1 快速调试 P0305 1.6 额定电流 P0311 1400 额定转速

P0100 0 选择地区 P0307 0.75 额定功率 P0700 l 选择命令源

P0304 380V 额定电压 P0310 50 额定频率 P1000 1 频率设定值

P1121 5s 减速时间 P3900 l 快速调试 P0700 6 接受PLC的命令

P0918 4 设置变频器地址 P1120 5s 加速时间 P1000 6 接受PLC的设定值

P1080 0 下限频率 P1082 50 上限频率

设置完变频器参数后，PLC即可通过PROFIBUS-DP对变频器进行远程控制。

四、HMI与主站S7-300 PLC间的通信

（一）触摸屏采用西门子公司的MP277-10 Touch触摸屏

在PC机上打开Wincc flexible触摸屏组态软件，建立新的监控项目，选择触摸屏的型号（MP277）在编辑界面连接参数设置，选择SIMATIC S7-300型号（315C-2DP）的PLC，波特率19.2K，配置网络为MPI，主站数为1，PLC地址设置为主站MPI地址为2。然后创建变量，变量参数如图6所示：

图6 变量参数设置

（二）进行监控画面制作

在面板上设计出自动线上的各个控制按钮、监控指示灯等和动画模拟控制过程等。自动线部分监控画面如图7所示：

图7 自动线部分监控画面

（三）项目下载至MP277

将网线的一端连接到计算机的网络端口上，另外一端直接连接到MP277面板下部网络口上，组态完成后设置PC的PC/PG Interface接口协议，要求协议与上述配置项目一致。触摸屏与主站之间的通信，采用的是MPI通信协议。触摸屏项目文件通过网线将项目传送至HMI，下载时注意将接口选择以太网协议。还要注意将计算机网段与触摸屏的网段设置相同，IP末位地址不同即可。点击Transfer（传送）按钮，即可进入传送模式。

（四）MP277面板设置

MP277上电后，进入Windows CE操作系统，在弹出对话框中，点击Control Panel（控制面板）按钮，双击Transfer（传送）图标进入传送界面。首先要取消勾选Channel 1（通道1）的Enable Channel和Remote Control（使能通道和远程控制），否则无法激活MPI/DP下载通道2。激活通道2的MPI/DP通道后，点中“Advanced”按钮，进入对话框选择是通过MPI还是PROFIBUS协议进行下载，这里选择MPI协议。点击各个对话框的OK键进行参数保存，直到退出到系统登陆画面。点击Properties按钮，进入MPI参数设置对话框。在此设置面板的MPI地址，默认地址是1，波特率默认为187.5k，这里可以修改MPI地址及波特率。接下来在触摸屏上也要将地址修改成1#站，波特率为19.2K，与PC串口波特率设置相同。

最后使用MPI通信线将触摸屏与主站（CPU315C-2DP）的MPI接口连接，然后就可用触摸屏对主站对象进行控制了。

五、系统的调试和运行

通过整条线的综合调试，通过触摸屏可以很好地对主从站PLC及变频器进行监控，达到了设计的基本要求。可以实现以下功能：

主站与从站可以通过Profibus-DP总线进行数据交互，主站可以对从站进行远程控制，以及接受从站的状态。例如主站控制的输送单元机械手传输物料到下一个加工从站时，可以通过总线发送到位信号给从站接收，从站接收到主站发送的命令后即可进入从站的工艺流程，当从站完成加工流程后，可以发送一个完成信号给主站，主站接收到从站的加工完成信号后，可以控制下一工作流程，还可以通过触摸屏显示当前自动线加工情况。

变频器从站接收到主站发送的控制命令后，可以按照预制工艺过程进行变频调速加工过程，工艺节点或者工艺结束后均可发送信号返回主站，信号可以通过触摸屏显示到界面中进行工艺监控。

通过触摸屏监控界面可以较为直观地监控到自动线当前的工艺流程情况，可以通过界面进行控制，加工的过程及产量可以通过实时曲线和历史曲线进行分析，较好地完成质量等方面的监控。

本系统经调试运行达到了预期设计效果，在本系统中还使用了组态软件开发人机界面，界面清晰，操作直观简便。系统除了典型的Profibus-DP现场总线网络外，还增加了MPI通信协议作为补充，在同一自动线上可以有两种不同的通信方式，增加了控制的多样性。系统除了可对生产线进行远程控制外，也可作为典型的西门子Profibus-DP网络案例进行培训。

【参考文献】

[1]刘华波.西门子S7-300/400PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2009

[2]陈海霞.西门子S7-300/400PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012

[3]胡健.西门子S7-300/400PLC工程应用[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2008

[4]翟世宽.通过Profibus-DP实现S7-300与MM420通信的两种编程方法[J]. 电气应用，2011（08）

[5]刘健.基于Profibus-DP的变频器监控系统的实现[J]. 信息系统工程，2013（02）

【作者简介】蓝伟铭（1982- ），男，广西忻城人，柳州职业技术学院工程师，研究方向：工业电气自动化，机电一体化技术，自动化电气设备设计及改造。