PROFIBUS總線在MPS改造中的應用

張俊勇

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

模塊化生產加工系統（MPS，Modular Production System）是近年來各高校引進的典型機電一體化培訓系統，是國際技能大賽—機電一體化競賽的官方競賽設備，它可以模擬零件的檢測、搬運、加工、裝配和分類的生產過程，使學員處于一個非常接近于生產實際的教學環境。

PR0FIBUS現場總線，是目前在工業自動化領域中應用最為廣泛的現場總線通訊技術之一。本文采用PR0FIBUS現場總線技術對MPS系統進行改造，利用上位機與系統通信，實現對MPS系統的高速數據傳輸和數據處理控制，以及對各站的生產運行監控，使得系統的生產效率得到顯著提高，且大大提高了系統的可靠性和可維護性。

1 MPS系統簡介

MPS系統是一套開放式的設備，一般由6個工作站組成，分別為上料檢測站、機械手站、加工檢測站、裝配站、安裝搬運單元、立體倉庫單元，其系統結構如圖1所示，它可以較為真實地模擬出一條自動生產加工流水線的工作過程。

目前陜西國防工業職業技術學院MPS設備各工作站之間通信采用的方法是一個工作站PLC的輸出與另一工作站PLC的輸入相連，從而實現各工作站的協調動作。這種點對點通信方式存在諸多缺點：

（1）占用系統資源；

（2）信號傳輸抗干擾能力差；

（3）不能體現新型的工業控制系統網絡結構理念；

（4）MPS系統不具有監控功能[1]。

圖1 MPS系統結構圖

應用PR0FIBUS現場總線技術可以解決上述問題。

2 PROFIBUS-DP現場總線技術

PR0FIBUS現場總線技術，是實現現場級設備數字化的工業現場層網絡通信技術，它具有較強的現場信號集成能力，可靠性和維護性好，且總線協議是開放的。

PR0FIBUS總線標準包括3個方而的內容：FMS，DP，PA，分別適用不同的應用領域[2]。

本次改造主要采用的是PR0FIBUS－DP總線標準，用于現場級快速高效的數據交換。PROFIBUS－DP主站可分為一類主站和二類主站：

一類DP主站是中央控制器，它在規定的周期內與分散的站點（如DP從站）交換信息，典型主站設備包括可編程控制器（PLC）和個人計算機（PC）。

二類DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在系統組態時或對系統運行監控時使用[3]。

在采用PROFIBUS系統結構類型時，選擇PLC做一類主站，設置一臺監控站，監控站通過串口與PLC一對一連接。這種結構類型，監控站不在RPOFBIUS網上，不是二類主站，不能直接讀取從站數據和完成遠程參數化工作，監控站所需從站數據只能從PLC中讀取。

2.1 設備類型

該系統共有6個工作站單元，將第1個工作站模塊即上料檢測設置為主站，主站的配置是選用SIEMENSS7-300可編程控制器CPU 315-2DP模塊及存儲卡；其余5個工作站模塊為從站，都采用SIEMENSS7-200 CPU226型，每個從站的I/O口均為24入/16出。S7-200通過EM277 PROFIBUS-DP從站模塊連入PROFIBUS-DP網，主站可通過EM277對S7-200 CPU進行讀/寫數據。

2.2 總線拓撲

PR0FIBUS-DP總線存取協議，主站之間采用令牌傳遞方式，主站與從站間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線令牌，在PR0FIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發送或讀取信息。因此，有3種系統配置：

（1）純主—從系統；

（2）純主—主系統；

（3）混合系統[4]。

本系統采用令牌傳遞方式和純主—從系統配置。網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 網絡拓撲圖

2.3 總線數據通信網絡的硬件組態

根據圖2所示數據通信網絡的組成，利用已連接好的PROFIBUS-DP網絡專用線纜與總線插頭，采用總線拓撲結構進行網絡連接，并檢查網絡連接是否正確，給系統送電。S7-300 PLC與S7-200 PLC通過EM277進行PROFIBUS-DP通訊時，在STEP7中需要對S7-300站組態，而在S7-200系統中不需要對通訊進行組態。

在STEP7中對S7-300 PLC站組態時，首先在STEP7中插入一個S7-300 PLC的站。然后在STEP7硬件組態窗口中安裝EM277從站配置文件，接著選擇通訊方式，并在STEP7的硬件組態窗口中設置EM277的從站地址，至此一個工作單元的EM277從站硬件組態結束，接著依次將所需的EM277從站掛接到總線上，如圖3所示。PROFIBUS-DP網絡組態完成后，編譯并下載到S7-300 PLC中。

圖3 硬件組態過程

2.4 主從站數據通信編程

采用PROFIBUS-DP總線網絡，主從站之間的通訊不需要編寫專門的通訊程序，只需在S7-300主站的硬件組態中，配置PROFIBUS總線中的EM277模塊時所建立的緩沖區的輸入輸出字節數即可。例如組態時選擇“8 BytesOut/8 Bytes In”，在S7-300側建立的I/O緩沖區為PIB0～PIB7和PQB0～PQB7，將EM277的撥位開關撥到與以上硬件組態的設定值一致，則200側的通信區VB0～VB7為接收區，VB8～VB15為發送區（通信區地址通過設置可以偏移）。只要從站的站點地址以及各個從站PLC的端口地址，在組態時明確且不重復，就可以很準確地實現主從站之間的通訊控制。

3 上位機監控系統的實現

圖形界面開發程序由“組態王”運行系統組成。畫面編輯應用程序提供需要制作實時畫面的所有功能，用戶根據實際需要組織、調動畫面。本系統監控主畫面設計如圖4所示，畫面顯示給用戶提供命令與圖建立聯系。

圖4 MPS系統監控主畫面

4 結束語

經實踐證明，采用PROFIBUS-DP和組態王工控軟件組建的工業網絡控制管理系統，實現了人機交互可視化以及生產管理的一體化，給系統的安裝、調試和設備維護帶來方便，改造后可以實現對各站的生產運行監控，提高了系統的安全性、可靠性和工作效率。

[1]段向軍，曹桂玲，蔡云升，朱方園.Profibus－DP和WinCC在MPS改造中的應用[J].機械制造與自動化，2008，（3）:140-141.

[2]高 峰.基于PROFIBUS-DP現場總線控制器從站的研究與開發[D].河北：華北電力大學，2005:2～14

[3]SIMENS.PROFIBUS specification,Normative parts of PROFIBUS-FMS-DP-PA According to the European Standard 50170[S].SIEMENS.Volume2.Edition1.0March，1998

[4]安憲軍，楊利超，黃爾烈.基于PROFIBUS－DP總線的數據通信的應用研究[J].山東煤炭科技，2008，(1):112-113.