基于FESTO PMS可重構生產線的控制系統設計

馬利云，李 屹，趙先鋒，陳建海，劉春偉

MA Li-yun, LI Yi, ZHAO Xian-feng, CHEN Jian-hai, LIU Chun-wei

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550003）

基于FESTO PMS可重構生產線的控制系統設計

The design of reconfi gurable production line control system based on FESTO PMS

馬利云，李 屹，趙先鋒，陳建海，劉春偉

MA Li-yun, LI Yi, ZHAO Xian-feng, CHEN Jian-hai, LIU Chun-wei

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550003）

本文以FESTO教學設備為平臺，從生產加工的應用角度出發，構建了一種較為完備的可重構生產線的控制系統模型。采用的分布式控制系統，通過上位機與PLC 通信、PLC 與PLC 之間通信，利用WinCC軟件組態，實現了計算機對整個柔性生產線的數據采集以及過程監視。

可重構；FEST模塊；ROFIBUS-DP；控制

0 引言

隨著制造企業從面向產品的生產轉向面向客戶的生產，一種能夠通過產品結構調整和制造系統快速重構將產品的生產問題全部或部分地轉化為批量生產的新型制造系統，即可重構制造系統(Reconfigurable manufacturing system，簡稱RMS)[1]的需求更為迫切?？芍貥嬒到y最突出的優點就是能夠根據不同的應用需求，改變自身的體系結構，以便與具體的應用需求相匹配。能夠更好地適應實際應用中的多元化需求。因此，具有廣泛的應用市場和廣闊的發展前景。

本文以我校實驗室FESTO教學虛擬生產系統為研究對象，從生產加工的應用角度出發，構建了一個較為完備的可重構生產線的控制系統模型。

1 FESTO教學虛擬生產線

FESTO公司的FMS教學虛擬生產線是一種模塊化結構，如圖1所示。包括供料單元、檢測單元、傳送單元、加工單元和成品分裝單元五個模塊。每個模塊既可獨立工作，也可以多個模塊配合工作，更重要的是可以根據需要進行模塊選擇及組合順序的多變設計，是一種典型的可重構柔性生產線。其控制系統以一臺中央計算機為中心實現數據的采集、過程監視及管理。該中央計算機使用WinCC 組態軟件，下位機是以多臺PLC 組管理器為核心，配以相應的傳感器、控制和驅動設備組成的現場設備控制系統。

圖1 FMS虛擬生產線

2 可重構生產線的控制策略

柔性生產線能否高效地運行，實現大幅度的柔性生產，取得預期的經濟效益，主要取決于控制系統的合理的規劃及有效的設計。

根據該生產線的生產規劃及各模塊控制器的特點采用的分布式控制系統[2]，即基于PROFIBUS的FESTO 控制系統，其結構如圖2所示。

控制系統最上層是安裝有WinCC 的總控計算機，主要負責系統總體控制、監視等；第二層為單元控制器，主要由內部資源實體組成，包括WinPISA、PLC、LOGO 三種控制器；最底層為設備控制器，包括傳感器及其各模塊的執行元件。一方面，這些分布在不同層次上的控制實體具有獨立控制對象功能，實體的活動受上一層實體的監視和協調，系統具有全局優化能力，克服了采用完全分布式控制帶來的局部優化缺陷。另一方面，同一層次的實體具有局部自治能力，他們互相合作，共同完成該層的各種活動，松弛了層次之間的“主一從”關系，具有相互合作，共同完成該層的各種活動。

圖2 控制系統結構示意圖

利用PLC的高可靠性、模塊化結構及編程簡單等特點，將其作為下位機完成實時采集和控制任務，利用PC友好的人機界面實現人機交互和監視功能，并進行相關的輔助策略設計。PC上位機在通過數據通信實現對兩個分散過程控制裝置的控制以及整個系統的狀態監視的同時對生產結果進行統計和記錄。

控制系統中各個PLC站點使用PROFIBUS-DP總線通過DP口組成一個網絡，并使用CP56n卡和上位機通信。

3 基于PROFIBUS的FESTO控制系統的設計

該系統采用了一種基于現場總線PROFIBUS的柔性生產線控制系統，以改善傳統層次控制方式的局限性[3]。與其它現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點在于符合EN50170國際標準，經實際應用驗證具有良好的穩定性。

基于現場總線的現場總線控制系統既是一個開放的通信網絡，又是一個全分布式控制系統，它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節點的智能設備連接成網絡系統，并通過組態進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償算法、參數修改、報警、顯示、優化以及測、控、管理一體化的綜合自動化功能。以智能傳感器、自動控制、計算機、通信、網絡等技術為支撐。

3.1 PROFIBUS的拓撲結構

采用以PROFIBUS-DP 版本和典型的OP 配置為單主站結構，實現了高速通信連接和高速數據傳輸的單主站系統[5]。主站與從站之間的通信基于主從原理，即主站向從站發出請求，按照站號順序輪詢從站。DP 通信通過連接集成在CPU上的DP口，CP342-5 或CP443 Extend 模塊來完成。傳輸的帶的LOGO設備（非西門子），由于支持標準DP協議，能夠提供GSD 文件，故也可也通過DP 協議進行通信。

同時，PROFIBUS-DP 能夠代替PLC /PC 與I/O之間昂貴的電線，傳輸1千字節的輸入數據和1千字節的輸出數據所需時小于2ms ，減少了組態和維護費用，允許周期性和非周期性的數據傳輸。單主站和多主站網絡每個站的輸入和輸出數據最多可達2 科字節。以PROFIBUS-DP為基礎的控制系統網絡示意圖如圖3 所示。

圖3 控制系統拓撲結構示意圖

該控制系統網絡可以分為現場控制層和過程控制層兩個部分。其中現場控制層采用PROFIBUS-DP網絡，它是網絡集成的最底層，主要是連接現場設備，如分散式I/O、傳感器、驅動器、執行器等。主站（PLC 、PC 等）負責總線通信管理及所有從站通信。過程監視層由操作臺計算機和控制臺計算機組成。PLC 加以太網卡等組成工業以太網，操作臺計算機利用組態軟件WinCC 對工作現場的監督控制，現場層將來自生產第一線的數據傳送到控制室，置于實時數據庫，進行控制及計算、動態顯示參數、報警及歷史數據保存；控制臺計算機將實時數據庫的數據送到服務器的關系數據庫中，進入保存和數據處理[4]。

連接在PROFIBUS-DP網絡上的站點按照它們之間的地址順序組成一個邏輯拓撲環，令牌只在上站之間順序傳遞，這是由特定的令牌幀定義的。獲得令牌的主站可以在擁有令牌期間對屬于它的從站進行發送或讀取數據的操作。

3.2 FESTO物流系統通信方式及數據采集

FESTO 物流控制系統結構圖如圖4所示。

圖4 FESTO控制系統結構圖

根據I/O 點的點數及其分布情況，FESTO 物流系統采用一臺 PC機 作為上位監視機運行監視軟件，實現數據的采集，過程監視及管理，顯示和設定系統運行的各種參數。該中央計算機使用SIMATIC WinCC V6.0組態軟件，采用PROFIBUS 總線方式控制多臺下位機。下位機是以多臺S7-300系列PLC 組管理器為核心，配以相應的傳感器、控制和驅動設備組成的現場設備控制系統。整個系統使用WinCC 實現上位監視系統和FESTO 物流系統的通信.并通過STEP7 軟件編程來實現對PLC 的控制.PLC 作為網絡上的主機，與現場傳感器、執行器相連的PROFIBUS總線設備作為從設備。現場傳感器、執行器通過PROFIBUS 總線網絡和PROFIBUS 總線控制器與主機進行數據交換，主機與上位機可以單獨通過MPI/DP 接口交換數據。本文使用MPI口，將程序從上位機下載到各個S7-300西門子。然后，PLC控制系統中各個PLC 站點使用PROFIBUS-DP總線通過DP口組成一個網絡，并使用CP5611卡和上位機通信。PROFIBUS 接口為RS485 接口，連接電纜為PROFIBUS 電纜, 接頭帶有終端電阻。

FESTO 物流系統采用西門子的S7-300系列CPU313 作為控制系統的核心。其中供料單元、檢測單元及加工單元控制系統均采用西門子S7-300系列PLC 控制，傳送帶單元則由LOGO 控制,立體倉庫單元由WinPISA控制。這些PLC 模塊均提供MPI口和DP口。

3.3 PLC與上位計算機和PLC之間的通信

為了實現用計算機進行數據采集和過程監視，就要解決PLC 與上位計算機的通信問題。

3.3.1 上位機和單臺PLC 的通信

本文在實現上位機和PLC 的通信時[6]，使用了集成DP口作為主站、CP作為從站的通信方式。首先，在Step7 中組態兩個S7-300 站，其中集成DP口選擇為主站模式，CP3I3 選擇為從站模式。然后在PROFIBUS-DP 的硬件列表下，選擇從站硬件組態中所選用的CP型號，拖拽到DP主站總線上，將該從站連接在主站建立的PROFIBUS 網上。

這里控制器CPU 的DP口編程口指S7-300/400CPU 上自帶的編程口，利用編程口通信是一種對通信速率要求不高，通信數量不大的通信方式。DP口通信利用PLC站S7-200/300/400和上位機（PG / PC）插卡CP56ll 的DP口進行數據交換。DP口接口為RS-485 接口，連接電纜為西門子提供的編程電纜

3.3.2 PLC 之間的通信

該系統PLC之間的通信采用全局數據包通信方式實現，這樣PLC之間的數據交換時，只需要關心數據的發送區和接收區。在配置PLC 硬件的過程中，組態所要通信PLC 站之間的發送區和接收區即可，不需要任何程序處理。通信時其數據包長度為S7-300最大為22 字節，S7-400最大為54字節，這種通信方式只適合S7-300/400PLC之間相互通信。

4 硬件組態

組態就是在確定PLC底板類型后，在該底板上安排電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、參數化的專用智能模塊等，并指定這些模塊的類型和數量，配置模塊的屬性，分配模塊在CPU中占據的地址等一系列的過程。實現硬件組態的工具主要采用STEP7軟件的標準軟件包中的HWCONFIG 硬件組態包。該軟件包以站的組織形式進行組態，它提供可視化的硬件組態工具、豐富的硬件模塊數據庫信息以及強大的組態功能。組態完畢后，必須將組態文件下載到PLC 的CPU 中。當可編程控制器運行后，CPU去比較實際的組態和在STEP7 中創建的組態，并隨時識別和報告組態錯誤。

5 編程控制及實驗運行驗證

控制系統設計完畢之后，根據工藝需求及各執行元件的動作順序，對各接口進行地址分配。使用S7GRAPH 軟件進行程序編制并下載到相應的控制器中，通過調試驗證，各模塊動作執行正確，其控制及監控正常，如圖 5所示。

圖5 計算機控制計監控界面

6 結論

根據該生產線各模塊控制器的特點，設計了合理的控制策略，通過設計上位機與PLC 通信、PLC 與PLC 之間通信以及對硬件的組態，實現了計算機對整個柔性生產線的數據采集以及過程監視。完成了基于PROFIBUS 的FESTO 可重構控制系統的設計。并通過運行驗證，其結果完全可行。

[1] 梁福軍,寧汝新.可重構制造系統理論研究[J].機械工程學報,2003,39(6).

[2] 李培根.張潔.敏捷化智能制造系統的重構與控制[M].北京：機械工業出版社,2002,120-122.

[4] 劉增輝.模塊化生產加工系統應用技術[M].北京：電子工業出版社,2005,(7)：80-85.

[5] 林英蕓,楊煜善.在winCC中實現串行通信的兩種方法[J].電子測量技術,2006：29(2).

[6] SIEMENS S7系列PLC通信課程.科萊德科技開發有限公司.20-40.

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1009-0134(2010)10(下)-0016-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).05

2010-01-09

馬利云（1983 -），男，山西興縣人，碩士研究生，主要從事先進制造技術研究。