PROFIBUS—DP总线在气动物流生产线中的应用

0 引言

    气动系统具有快速、安全、可靠、低成本、无污染等优点。近年来，气动技术与微电子技术相结合，使得气动产业呈现新的生机，其发展呈急剧上升的趋势。如今气动系统已广泛应用于自动化生产线，如汽车生产线、钟表组装线、电子部件组装线及食品包装等行业中。

    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。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线技术的出现和发展，使得建构一种全数字、全分散、全开放的控制系统成为可能，导致了传统控制系统结构的变革。现场总线技术仍处在不断的发展中，现在已经出现了许多种现场总线标准，如PROFIBUS、FF、LonWorks、CAN、HART等。

1 PROFIBUS现场总线的特点

    PROFIBUS是作为德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场总线，目前已成为中国国家标准GB厂r20540·2006的现场总线。由此可看出PROFIBUS在现场总线中的重要的地位。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、

    PROFIBUS—FMS、PROFIBUS-PA3个兼容版本。支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统。其中PROFIBUS—DP(”适用于自动控制系统和设备级分散I／O之间的通信设计，在过程自动化领域有着广泛的运用。

    PROFIBUS-DP总线是为高速设备分散控制或自动化控制而设计的，有比较高的数据传输率，特别适用于系统与外部设备之间的通信，远程I／O系统尤为合适。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求比较高的自动化场合。

    PROFIBUS-DP总线上的设备一般为主站与从站配置，允许构成单主站或多主站系统。多主站系统一般对主站数量有一定的限制。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，PROFmUS—DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理等。

    PROFIBUS—DP协议结构定义了第一层、第二层和用户接口，对第三层到第七层未加描述。第一层为物理层，第二层为数据链层，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同DP设备的行为。

2 物流生产线的构成

    气动物流生产线由监控计算机、PROFIBUS总线适配卡、PLC(S7—300)、PROFIBUS—DP总线网络及执行机构组成，其系统结构如图1所示。分布在现场的PLC节点分别连接生产线的送料、检测、加工、提取和分拣单元，并通过PROFIBUS—DP通信接口与总线相连；监控计算机运行PLC编程软件SE聊和组态软件WINCC并通过总线适配卡和连接在PROFIBUS—DP总线网络上的各个单元的PLC之间进行实时通信，从而实现整个气动物流生产线的分散控制和集中监管。

图1气动物流生产线的总体结构

    监控计算机选用的是普通计算机(PC)；总线适配卡选用的是CP56t3，用来完成现场总线与监控计算机之间的协议转换。各个控制节点之间通过专用屏蔽电缆互联构成PROFIBUS总线网络，总线两端连接PROFIBUS总线终端器，用来提高系统的稳定性、增强系统的抗干扰能力。

    气动物流生产线中的气动控制元件选用CP型阀岛。其优点是结构紧凑，大大减少了气路布线的工作量，提高了操作的准确性和系统的可靠性。由CP阀构成的送料单元的气动控制回路如图2所示。可编程控制器(PLC)实现各单元的运行控制，计算机通过编程软件可以作为PLC的交互式编程器采用梯形图等编程语言对PLC进行编程和联机调试。本系统中采用S7—300 CPU315—2DP可编程序控制器作为每个工作单元的控制系统。各个单元的PLC通过PROFIBUS．DP总线构成分布式网络，进行信息传递，实现各单元之间的动作协调。

图2送料单元气动控制回路图

3 物流生产线的功能

    气动物流生产线的执行部分由5个独立的单元组成，包括：送料单元、检测单元、加工单元、提取单元和分拣单元。整条生产线基本涵概了加工和检测一个工件的全部过程，体现了自动化生产线上物流、能量流和信息流的概念。[page]

    自动线上工件的形状是圆柱形。工件颜色分红色、白色和黑色3种。其中红色和黑色工件的材质是塑料的，白色工件的材质是铝合金的。工件毛坯的直径相同，但是高度不同，分22.5cm、25cm和27.5cm3种。但是，只有高度25cm的工件才是合格毛坯。

    工件在自动线上的加工过程是：

    (1)送料单元从料仓里分离出工件毛坯，用真空吸盘吸住，通过摆动气缸将工件毛坯放到下一站(检测单元)的检测平台。

    (2)检测单元接收到送料单元送来的毛坯后，通过电感式和光电式传感器判断工件毛坯的材质和颜色，然后启动升降气缸将检测平台提起。在检测单元上部有一个位移传感器用来检测工件的高度，高度合格的毛坯通过一个滑道被送到加工单元，而不合格的毛坯被剔除，并送到检测单元的毛坯废品仓。

    (3)加工单元由4工位回转工作台(包括：上料、加工、检测和下料工位)、钻孔、夹紧和检测装置构成。回转工作台由电机驱动，通过电感式接近开关，来确定工作台的回转位置。夹紧气缸在钻孔过程中央夹紧工件，防止松动。加工后的工件在检测工位进行钻孔尺寸的检查，这是确保工件加工质量的必要措施。

    (4)提取单元根据工件加工的合格与否，将加工后的工件分别送至分拣单元的传送带上或加工废品仓。

    (5)分拣单元对检测合格的工件按其特征属性进行分类并送到不同滑道中。每个滑道的仓门由小气缸驱动，根据工件在检测单元检测的结果，不同的仓门开闭实现工件成品的自动分类码放。

4 物流生产线控制系统的硬件组态及软件编程

    调试与检验PROFIBUS—DP总线系统前必须组建总线网络，并进行网络组态。通常的网络组态方法有两种：一种是基于组态软件(如：wINcC)+主站卡(如：CP5613)构成的PROFIBUS-DP二类主站的网络结构，另一种是由具有PROFIBUSDP接口的硬件PLC构成的PROFIBUS—DP一类主站结构，本文调试所采用的就是前一种方式，其网络结构如图1所示。

    计算机运行SIMATIC．NET V6．2软件包进行PROFIBUS—DP总线网络的硬件组态，组态过程包括：(1)通过Configur—Station加载CP5613通信卡建立网络的主站；(2)通过HW—Configuration组态整个PROFIBUS—DP总线网络，组态好的界面如图3所示，组态信息下载到主站中即可。从而构成了基于PROFIBUS—DP现场总线的分布式控制系统。各个控制单元的PLC通过STEP7软件在计算机中进行相应参数设置，如通信端口的设置、MPI地址设定、选择数据传输速率等，然后对S7-300进行硬件组态，即对S7—300的机架、电源、CPU、信号模块等按其实际配置类型和物理地址进行组态，其中在CPU的组态中设置总线地址，并将组态信息通过编程通信电缆下载到PLC并进行确认。依次完成各PLC的组态后，便构成了PROFIBUS—DP总线网络。

图3物流生产线控制系统的网络组态界面

    控制系统的PLC程序是采用S7系列PLC的软件包STEP?V5．2设计开发而成。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)组成对MPS系统的控制系统程序。STEP7 V5．2界面友好，编程方便，在线调试便捷，具有梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能图(FBD)三种编程形式并可随意切换和组合使用。STEP7中有许多固定的系统功能(SFC)，其中SFCl4和SFCl5分别用于通过PRORBUS—DP总线读／写I／O设备参数。

5 结束语

    本文叙述的基于PROFIBUS—DP现场总线的分布式控制系统经过调试，实现了监控计算机与各个单元PLC之间的正常通信，通过编写PLC的测试程序，实现了气动物流生产线的自动控制，检查了整体方案的可行性；验证了整个系统信息传递及控制的可靠性、准确性和实时性。该气动物流生产线系统模拟实际工业生产中大量复杂控制过程，采用模块化概念设计构造，灵活性强，适合于机电一体化人才的综合能力培养。