基于现场总线的PLC分布式控制生产线的设计

白帅丽 刘保朝

（陕西工业职业技术学院 陕西咸阳712000）

当今社会，职业教育居有十分重要的地位，为企业培养生产一线的高级应用型人才。随着科技的发展，融合了机械、电气、气动、传感器、交流电机变频调速、步进电机驱动控制、伺服电机驱动控制、PLC控制及工业通信网络等多种技术的生产线设备不断地投入到生产中，其生产工艺不断复杂，系统规模越来越大，由于大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，对工程人员和操作人员的要求越来越高。另外，现代职业教育的生源质量不断下降，理论学习能力严重不足。因此，高职教育必须在不断变革中求生存，通过适度的分层教育和强化动手能力的实践教学来满足高规格的高级应用型人才培养。

本文设计的生产线[1]能符合企业生产的技术标准，作为项目化任务驱动的实训教学的载体，成本较低，能够满足学生职业能力的培养。可保障学生进入企业后，不但能较快的适应操作员和技术员等工作岗位的需求；而且具有进行生产线设计、开发、组态开发、故障诊断与排除的能力。

1 基于现场总线的PLC分布式控制生产线的系统设计

基于现场总线的PLC分布式控制生产线要求实现工业自动生产线中的供料、检测、搬运、切削加工、装配、输送、分拣的环节[2]，设计其系统如图1所示。基于PLC网络通信功能，系统采用PLC工业网络通信技术实现系统中个工作单元联动。

本系统的供料站、加工站、装配站、分拣站为过程控制级，由各自站内的PLC控制生产过程[3]；搬运站为过程监控级，其PLC通过网络读/写功能向各个下属从站发送控制指令，并读取各个从站的工作状态，即集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制模式。生产过程中供料站自动供给待加工毛坯，由搬运站的机械手指气缸夹紧工件后送至加工站进行钻削，钻削完成后由机械手搬运至装配站进行装配，装配完成后由机械手搬运至分拣站，传送带机构输送工件，分拣机构分拣工件。

2 各工作站设计

基于现场总线的PLC分布式控制生产线的机构包括供料机构、加工机构、搬运机械手、物料输送与分拣机构。其设计如下：

2.1 供料站

供料站实现圆柱凸台形毛坯件供料，圆柱凸台形毛坯件同心同轴，大径高，小径高，圆柱凸台同心同轴。毛坯为塑料材质，分黑白两种，选用井石料仓存储、定位，由两个光电传感器检测其是否充分和有无，由另外一个光电传感器检测其是否推到物料台。系统启动后，如果检测到有毛坯件，采用直线气缸把其推到物料台并顶紧，直到搬运机械手把它取走气缸缩回。

2.2 加工站

搬运机械手把毛坯件从物料台取走，并搬运至工作台夹紧，由步进电机驱动实现X、Y方向精确运动控制，到达主轴正下方后，启动主轴电机和主轴升降气缸，主轴下降完成钻孔后升起，步进电机驱动工件返回原点。

2.3 装配站

机械手把返回原点后的工件搬运至装配站三工位回转工作台的第一工位；传感器检测到后，伺服电机在位置控制模式下带动三工位回转工作台回转120°至第二工位；传感器检测到后由两个直线气缸配合每次提供一个套筒降落在凸台工件上，内孔与凸台工件小凸台配合；然后工作台回转120°至第三工位，由冲压气缸完成压紧装配，工作台再回转120°至第一工位。

2.4 分拣站

机械手把装配完成的工件搬运至分拣站的入料孔，传感器检测到后启动传送带，前进过程中直线气缸把检测到的白色工件推至1号滑槽，黑色工件推至2号滑槽，不合格工件传送至废料仓。

2.5 搬运站

系统复位时搬运机械手回原点。之后系统启动，供料站物料台有工件时，搬运机械手伸出将工件搬运到切削加工站物料加紧台上，工件加工完毕后，再将工件送到装配站完成装配，最后黑白两种工件成品送到分拣站分拣入库。

3 系统网络控制方案设计

基于现场总线的PLC分布式控制生产线的各站都采用PLC控制。其中供料站、加工站、分拣站为从站，分别实现各站内的顺序动作的过程控制；由从站内的控制PLC分布在各自站内，接收不同的传感器检测信号以及上位PLC和HMI的指令信号，结合控制程序产生控制指令，发送到对应的气缸电磁阀线圈和电机驱动器的控制端子，驱动气缸和电机完成规定动作。各PLC控制从站独立工作 ,自主完成既定的数据采集、处理、监视、操作和控制等任务,解决系统分散和空间分布多分支问题[4]。

搬运站为总站，完成过程监控级控制，它的PLC通过网络读/写功能向各个下属从站发送控制指令，并读取各个从站的工作状态。各从站通过RS485串行通信口由现场总线通讯网络（高速数据通道）传送各种信息,由控制中心（装配站）的上位机（PLC）协调工作通过网络传递各种信息，上位机使得各从站与总站的运行得到统一的集中管理与控制，使系统按规定的流程工作。系统控制网络结构如图2所示，各站之间通过Profibus总线进行连接。

4 网络控制设置

基于现场总线的PLC分布式控制生产线的通信网络遵循PPI协议，通过串行的端口（PORT0或PORT1）通信。PPI是一种主—从协议通信，主—从站在一个令牌环网中，主站发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不发送信息，只是等待主站的要求并对要求做出响应。主站靠一个PPI协议管理的共享连接来与从站通信。在一个网络中，主站不限于一个，但不能超过32个[5]。

4.1 设置各站地址和通信频率

运行个人电脑上的STEP7 V4.0程序，打开设置端口界面，利用PC/PPI编程电缆把PC的RS-232端口分别与各工作站的PPI通信端口PORT0相连，指定PLC地址（站号如图1所示）和波特率，设置后把把系统块下载到PLC[6]。

4.2 通信口设置

西门子S7-200 PLC中的SMB30和SMB130为自由端口控制寄存器，这些字节设置自由端口通讯的操作方式，并提供自由端口或者系统所支持的协议之间的选择。SMB30控制自由端口0的通信方式，对SMB30进行读、写操作，设置其值为2，通信方式为 “PPI/主站模式”。

4.3 网络读写操作

在西门子S7-200 PPI网络中的各CPU之间通信用网络读写指令NETR/NETW。NETR用于主站CPU通过指定的通信口从其他从站CPU中指定的地址读取数据，存入本站CPU中指定的地址。NETW用于主站CPU通过指定的通信口将本站CPU指定地址写入其他从站CPU中指定的地址中。网络读写指令只能由PPI主站的CPU执行，主站CPU可以对PPI网络中其他任何从站CPU进行网络读写操作。从站CPU不必编写通信程序，只须将与主站通信的数据放入数据缓冲区即可。在主程序中调用子程序“NET_EXE”。设置完成后在主程序中调用子程序“NET_EXE”即可。

5 结语

本文对基于PLC分布式控制的自动生产线教学设备的工作站功能、工作流程和控制网络进行设计，依据分布式控制系统的要求，把不停的PLC设置为上位机和下位机，分别完成各站的状态监视与任务调度，使各站协调工作；各从站的PLC分别独立完成个站内的控制任务。这样既可以使系统的整体设计模块化，提高运行效率，方便系统重新设计，也方便对复杂的大规模的生产控制系统的开发。