摘 要：本文介紹了采用西門子PLC作為現(xiàn)場控制設(shè)備，使用臺灣WEIN VIEW MT-500觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，利用Easy Builder500組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)，PROFIBUS-DP總線，組態(tài)軟件，可編程序控制器

1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外市場競爭的加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快以及人們對產(chǎn)品多樣化需求的增加，使得機(jī)械制造業(yè)向多品種、小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。為適應(yīng)這種需求的變化，必須大幅度提高產(chǎn)品制造的柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System-FMS）正是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生的。 FMS是一項(xiàng)工程應(yīng)用技術(shù)，它的內(nèi)部組成根據(jù)使用目的而異，客觀上也難以有一個(gè)統(tǒng)一的模式。典型的FMS一般由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)的構(gòu)成框圖及功能特征如圖1所示。三個(gè)子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)制造系統(tǒng)的能量流（通過制造工藝改變工件的形狀和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造過程的信息和數(shù)據(jù)處理）。

　　PROFIBUS是一種國際性的、開放式的現(xiàn)場總線，廣泛用于離散型、流程型自動化系統(tǒng)以及樓宇、交通、電力等自動化領(lǐng)域。根據(jù)其特點(diǎn)，可將PROFIBUS分為報(bào)文規(guī)范PROFIBUS- FMS（ Fieldbus Message Specification） 、分布設(shè)備PROFIBUS- DP（ Decentralized Periphery） 、過程自動化PROFIBUS-PA（ Process Automation） 三個(gè)相互兼容的版本。而柔性制造系統(tǒng)就屬于流程型自動化系統(tǒng)，本文重點(diǎn)探討基于現(xiàn)場總線PROFIBUS- DP的柔性制造監(jiān)視與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

　　2.1 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的組成

　　PROFIBUS-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場級，是一種高速（可達(dá)12Mbit/s） 和便宜的通信連接，它被設(shè)計(jì)為設(shè)備級自動控制系統(tǒng)與分散的外圍設(shè)備之間的通信，可以承擔(dān)現(xiàn)場控制與監(jiān)控的通信任務(wù)，具有較高的性價(jià)比，是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)理想的總線技術(shù)。PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了OSI 參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶層，其中用戶層定義了用戶系統(tǒng)和各種設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能以及詳細(xì)說明了各種PROFIBUS-DP設(shè)備的行為。PROFIBUS-DP是一個(gè)主站/從站（Master/ Slave）總線系統(tǒng)，主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息，主站可以是PLC、PC 等;從站為外圍設(shè)備（典型的從站包括輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動器和測量發(fā)送器等），從站沒有總線控制權(quán)，僅當(dāng)接受到信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請求時(shí)向它發(fā)送信息。PROFIBUS-DP有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線形，星形，環(huán)形等。該系統(tǒng)采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　該柔性制造系統(tǒng)也是由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。加工系統(tǒng)由儲料單元、翻轉(zhuǎn)送料單元、尺寸檢測單元、材質(zhì)檢測單元、機(jī)械手送料單元、加工單元、搬運(yùn)單元、立體倉儲單元等八個(gè)工作單元組成。物流系統(tǒng)是由各工作單元之間配備的不同形式的工件傳送裝置組成。監(jiān)控系統(tǒng)是以西門子PLC為主控制器，上位采用MT-500觸摸屏監(jiān)控，中間采用S7-300 PLC負(fù)責(zé)通信功能，下位采用八個(gè)S7-200 PLC （CPU 224） 組成分站控制器，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，八個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同組成一套完整的控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中的典型流水線工藝。其中，加工系統(tǒng)是由機(jī)械加工設(shè)備組成，物流系統(tǒng)是由機(jī)械傳送裝置組成，監(jiān)控系統(tǒng)是由基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將S7-300 PLC、S7-200 PLC和MT500觸摸屏連接而成的系統(tǒng)組成?；赑ROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖2所示。

　　2.3 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

　?、拧7-300 PLC與S7-200 PLC的通信

　　S7-300 PLC與S7-200 PLC通過PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)中，CPU 315-2DP作為主站通過DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)。該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用八個(gè)EM227 PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊通過串行I/O總線分別連接到八個(gè)S7-200 PLC（CPU 224）分站控制器;作為從站，EM227模塊通過其DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)。CPU 315-2DP PLC通過組態(tài)將EM227模塊定義成DP從站，采用主-從方式進(jìn)行通信，在主-從方式下，一個(gè)主站控制多個(gè)從站，主站發(fā)出命令（ Command），從站給出響應(yīng)（ Response），配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個(gè)主站可與多個(gè)從站中的每一個(gè)從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路;從站可以發(fā)送多個(gè)幀，直到從站沒有信息幀可發(fā)送或未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止為止。

　　⑵、MT500觸摸屏與S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

　　MPI（Multi Point Interface）用于PLC和PG/OP之間的接口，每個(gè)PLC都安裝有一個(gè)RS 485 MPI接口。MT500觸摸屏通過MT5-MPI專用電纜將MT500 RS232串行通信口與CPU 315-2DP PLC的MPI通信口連接起來，CPU 315-2DP PLC可以自動地通過MPI接口發(fā)布其總線參數(shù)組態(tài)。總線參數(shù)包括：波特率為19200，數(shù)據(jù)位為8Bits，奇偶校驗(yàn)采用奇校驗(yàn)，停止位為1Bit，MT500觸摸屏的站地址為0，CPU 315-2DP PLC的站地址為2。這樣可使MT500觸摸屏可以自動連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，通過MPI協(xié)議與CPU 315-2DP PLC進(jìn)行通信。MT500觸摸屏與S7-200 PLC通信時(shí)，將CPU 315-2DP PLC作為通信中介來實(shí)現(xiàn)MT500觸摸屏與S7-200 PLC的通信。

　?、?、PC機(jī)與MT500觸摸屏、S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

　　在該系統(tǒng)中，PC機(jī)主要是作為編程器。PC機(jī)通過MT5-PC編程電纜與MT500觸摸屏連接起來進(jìn)行通信。PC機(jī)通過使用STEP7編程電纜將PC機(jī)上的通信卡CP5611（適用于PC機(jī)的PCI卡）的通信口與CPU 315-2DP PLC的DP通信口連接起來進(jìn)行通信。PC機(jī)通過使用STEP7-Micro/WIN 32的編程電纜將PC機(jī)上的RS-232串行通信口與CPU 224 PLC的RS-485通信口連接起來進(jìn)行通信。

3 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)

　　根據(jù)圖2所示基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，并給系統(tǒng)送電。S7-300 PLC與S7-200 PLC通過EM277進(jìn)行PROFIBUS-DP通訊時(shí)，在STEP7中需要對S7-300站組態(tài)，而在S7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進(jìn)行組態(tài)，只要將通訊的數(shù)據(jù)存放在與S7-300組態(tài)時(shí)的EM277從站的硬件I/O地址相對應(yīng)的V存儲區(qū)就可以了。

　　在STEP7中對S7-300站組態(tài)時(shí)，首先在STEP7中插入一個(gè)S7-300的站;然后在STEP7硬件組態(tài)窗口中安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD文件。安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD后，根據(jù)EM277從站通訊實(shí)際需要的通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式，該系統(tǒng)選擇8字節(jié)入/8字節(jié)出的方式，并在STEP 7的硬件組態(tài)窗口中設(shè)置EM277的從站地址，至此一個(gè)單元的EM277從站硬件組態(tài)結(jié)束。接著依次將其它各單元EM277從站進(jìn)行硬件組態(tài)。

　　硬件組態(tài)完成后，將硬件組態(tài)信息下載到S7-300 PLC中，下載完成后，將EM277模塊上的撥位開關(guān)撥到與硬件組態(tài)的設(shè)定值相一致，在S7-200中編寫程序?qū)⑦M(jìn)行交換的數(shù)據(jù)存放在與S7-300 PLC的外設(shè)輸入/輸出存儲區(qū)PI和PQ相對應(yīng)的V存儲區(qū)中，打開STEP7中的變量表和STEP7 Micro/Win32的狀態(tài)表可監(jiān)控S7-300與S7-200通過EM277進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信。

　　3.2 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場控制層和監(jiān)控管理層組成。

　?。?）現(xiàn)場控制層

　　該柔性制造系統(tǒng)的工作任務(wù)是將隨設(shè)備一起提供的工件由原料倉庫取出，經(jīng)過高度檢測，材質(zhì)檢測，然后對非金屬工件進(jìn)行加工，最后按材料的不同將工件分撿入庫。同時(shí)在各工作單元之間配以不同形式的工件傳送裝置完成一整套工作及工藝過程。每個(gè)工作單元的S7-200 PLC通過EM277模塊和PROFIBUS-DP總線連接器連接至PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。各從站的站號通過EM277模塊設(shè)定。各從站EM277模塊接收主站的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回主站。輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200 CPU的V存儲器內(nèi)。V存儲器中輸入、輸出緩沖區(qū)大小及起始字節(jié)位置是在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)時(shí)定義的，DP主站將組態(tài)時(shí)定義的V存儲器地址和輸入/輸出數(shù)據(jù)長度傳給S7-200 CPU。PC機(jī)利用西門子STEP7-Micro/WIN V4.0 SP3 編程軟件編寫各從站的控制程序并下載到相應(yīng)S7-200（CPU224）PLC中來獨(dú)立控制各單元的啟動、運(yùn)行、通信和停止等操作。

　?。?）監(jiān)控管理層

　　PC作為PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的主站，通過西門子CP5611通信卡的總線連接器接入網(wǎng)絡(luò)。在WINDOWS2000操作系統(tǒng)下，PC機(jī)首先通過軟件STEP7對其進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)配置。然后再利用STEP7軟件編寫由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成的CPU315-2DP PLC的控制程序。其中，OB是PLC的主監(jiān)控掃描程序，用于控制程序的運(yùn)行;FB、FC是功能子程序塊，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各功能子程序，其中包括MT500觸摸屏和各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序、S7-300 PLC和各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序以及MT500觸摸屏和S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序等，供主程序調(diào)用;DB數(shù)據(jù)塊為存儲各運(yùn)行數(shù)據(jù)的區(qū)域，為S7-300 PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及MT500觸摸屏和各從站之間、MT500觸摸屏和S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)交換提供了平臺。最后將程序下載到CPU315-2DP PLC中，就可以實(shí)現(xiàn)MT500觸摸屏和S7-300 PLC、各從站以及S7-300 PLC和各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用臺灣WEIN VIEW的MT500觸摸屏作為監(jiān)控設(shè)備，在PC機(jī)上利用Easy Builder 500組態(tài)軟件編寫柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，然后將監(jiān)控軟件裝入MT500觸摸屏。在WEIN VIEW的MT500觸摸屏上通過使用柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件就可實(shí)現(xiàn)對柔性制造系統(tǒng)各工作單元的監(jiān)控。

4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場控制設(shè)備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，以臺灣WIEN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，利用Easy Builder 500組態(tài)軟件對該柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而能夠可靠、準(zhǔn)確地完成控制操作?；赑ROFIBUS-DP總線的柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)控制中比較先進(jìn)的控制方案，可適用多種應(yīng)用場合，應(yīng)用前景將會十分廣泛。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在本文中，以PLC作為現(xiàn)場控制設(shè)備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，以臺灣WEIN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，利用Easy Builder 500 組態(tài)軟件對該柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，在現(xiàn)代工業(yè)控制中屬于比較先進(jìn)的控制方案，可適用多種應(yīng)用場合，應(yīng)用前景將會十分廣泛。

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