基于Profibus的柔性制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

潘 鋒

PAN Feng

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化技術(shù)研究所，深圳 518055）

0 引言

柔性制造系統(tǒng)（FMS），即Flexible Manufacturing System，是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動化機(jī)械制造系統(tǒng)。其基本組成有自動加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，即：以數(shù)控機(jī)床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，適合加工形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。柔性制造系統(tǒng)作為邁向工廠自動化的第一步，自上世紀(jì)80年代得到了實(shí)際的應(yīng)用。柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展，一方面與計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設(shè)計不同模塊，構(gòu)成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng)；另一方面實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品決策、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)到銷售的整個生產(chǎn)過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

Profibus總線是西門子公司90年代初推出的現(xiàn)場總線，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本，其中PROFIBUS-DP適用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計的，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。

現(xiàn)場總線技術(shù)與柔性制造系統(tǒng)結(jié)合已在工程實(shí)踐中普遍應(yīng)用，因此設(shè)計基于Profibus的柔性制造系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，以實(shí)際生產(chǎn)為對象，實(shí)現(xiàn)從原材料的出庫、加工、裝配、圖像識別、入庫等整個生產(chǎn)過程的自動控制與管理，以PLC控制技術(shù)、工業(yè)自動化組態(tài)軟件為控制系統(tǒng)，可以滿足工與學(xué)的教學(xué)實(shí)踐與訓(xùn)練目的。

1 柔性制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

所設(shè)計的教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置，由變頻輸送線、三維立體倉庫、機(jī)械手、三維氣動機(jī)械手、液壓沖床單元、直線行走單元、CNC加工中心、圖像識別單元和三維裝配站等組成，包含了實(shí)際柔性制造生產(chǎn)中的典型生產(chǎn)單元，是一個比較完整柔性制造系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工藝流程

該教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝置其工藝流程如圖2所示。

系統(tǒng)的工作流程：首先在上位機(jī)的WINCC組態(tài)畫面中設(shè)定好了控制過程后，三維立體倉庫中的氣動機(jī)械手把工件從立體倉庫中取出放到變頻輸送線上，通過變頻輸送線把工件輸送到機(jī)加工單元，由機(jī)械手B拿取工件，放到CNC機(jī)床上進(jìn)行加工，加工完畢后送到三維氣動機(jī)械手進(jìn)行初步裝配，再由機(jī)械手A送到液壓系統(tǒng)，加工后依次送回變頻輸送線，進(jìn)行圖像識別后，傳送到裝配站進(jìn)行最后裝配，再放回三維立體倉庫中。

圖2 系統(tǒng)工藝流程圖

變頻輸送線：由四條鏈板輸送線組成兩兩互相垂直布置的環(huán)形封閉輸送線，是整個系統(tǒng)的傳送部分，將待加工坯料和成品零件分別送到各個單元進(jìn)行加工、檢測與裝配，其中90o轉(zhuǎn)向采用U形轉(zhuǎn)向軌道導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)工件托盤的變向傳輸。封閉后的輸送線采用一臺DELTA變頻調(diào)速器控制4臺交流異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)4條傳輸封閉線的等速運(yùn)動，保持傳輸?shù)囊恢滦裕瑐鬏斔俣瓤筛鶕?jù)生產(chǎn)工藝自由調(diào)節(jié)。

三維立體倉庫單元：三維立體倉庫是存儲待加工坯料和成品零件的倉儲單元，此單元有4個儲層、每層有2個工位，可以儲存坯件和成品零件共8個，立體倉庫的庫層板上的托盤后側(cè)均有一個霍爾傳感器，判定庫位是否有托盤；取料和放料裝置采用兩臺三菱的伺服電機(jī)控制，控制上下、左右移動，由于采用了伺服電機(jī)控制，因此能精確的取料和放料；旋轉(zhuǎn)、伸出、夾緊均采用日本SMC的氣動元件進(jìn)行控制。

三維裝配站單元：具有X、Y、Z三方向直線移動功能，并且可實(shí)現(xiàn)相互間準(zhǔn)確的空間位置關(guān)系，可精確控制動作的位置和高度，完成零件從一個位置抓取、運(yùn)送并準(zhǔn)確裝入到另一個待裝位置的（裝配）過程，由于對精度要求很高，在三維裝配站的X、Y、Z三軸都采用三菱的伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制，抓取工件采用日本SMC氣動手指氣缸進(jìn)行抓取。

下面以變頻輸送線為例，各工位工作流程如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由1臺操作站、1臺主控制站和7臺從控制站構(gòu)成，操作站與主控制站之間通過MPI實(shí)現(xiàn)通信，主從控制站通過Profibus總線實(shí)現(xiàn)通信，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

操作站選用PC機(jī)和CP5611總線適配卡，完成系統(tǒng)監(jiān)視、操作、報警等功能，同時完成工程師站的組態(tài)畫面、控制站編程和通信等功能。

圖3 變頻輸送線各工位工作流程

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

控制站選用1臺S7-300主站和7臺S7-200從站，具體配置：主站采用西門子公司的CPU313C-2DP，CPU313C-2DP是一個用于分布式結(jié)構(gòu)緊湊型CPU，內(nèi)置數(shù)字量I/O可以連接到過程信號，PROFIBUS-DP主站/從站接口可以連接到單獨(dú)的I/O單元。從站根據(jù)各單元控制點(diǎn)數(shù)的不同，分別選用西門子公司的S7-200系列CPU226CN和CPU224CN，并輔助部分?jǐn)U展單元構(gòu)成。通過EM277將CPU226CN和CPU224CN連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 自動/手動功能

對每個單元都設(shè)置了手動/自動功能。“手動”滿足對各單元和設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試；“自動”功能又分為“單動”與“聯(lián)動”，滿足各單元或系統(tǒng)的實(shí)際工作過程的需要。通過單元的“自動控制畫面”，即在相應(yīng)的人機(jī)界面上即可任意切換。

系統(tǒng)的各個單元都是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，“單動”指的是可有選擇地獨(dú)立自動運(yùn)行該單元，只需在上位機(jī)的界面上選擇即可完成。在具體的單元中，還可以選擇多種不同的方式。

以三維立體倉庫站為例，在“柔性制造系統(tǒng)自動控制畫面”界面選中“三維立體庫”后，可進(jìn)一步選擇下列四種工作方式：

倒庫：只要在源庫和目標(biāo)庫中輸入倉庫號，按下啟動按鈕，本單元獨(dú)立動作，將工件拖盤從源庫取出送至目標(biāo)庫；

由庫取件：輸入源庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合變頻輸送線工作，將工件拖盤從立體庫的源庫號取出工件送至流水線拖盤；

向庫放件：輸入目標(biāo)庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合流水線工作，將工件拖盤從流水線拖盤上取出送至立體倉庫的目標(biāo)庫；

取放件：輸入源庫和目標(biāo)庫號，按下啟動按鈕，本單元自動配合變頻輸送線工作，將工件拖盤從源庫取出送至流水線拖盤，經(jīng)過加工、檢測、裝配后再送回目標(biāo)庫；

3.2 聯(lián)動功能

本柔性系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是可以根據(jù)工作過程的不同，將各單元可以隨意撤出系統(tǒng)，或隨意增加新單元裝備于系統(tǒng)之中形成新的系統(tǒng)，起到組合隨意、變更靈活、系統(tǒng)可大可小的柔性理念,學(xué)生可以通過控制單元的組合、軟件編程和調(diào)試達(dá)到學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的目的。充分體現(xiàn)模塊化設(shè)計原則、隨時有升級的余地，也可依據(jù)資金和需求隨時增加新單元。

聯(lián)動功能，選定相關(guān)單元后，系統(tǒng)就可以將選中的單元自動組合成一個柔性制造系統(tǒng)自動運(yùn)行。

如實(shí)現(xiàn)將待加工坯料取出、加工制作成半成品，不需要沖壓、裝配等功能，只需選中“變頻輸送線單元”、“立體倉庫單元”和“機(jī)加工單元”即可，系統(tǒng)工作流程如圖5。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3.3 監(jiān)控功能

系統(tǒng)具有對柔性系統(tǒng)各單元運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，并通過動態(tài)、變色、閃爍、棒圖及曲線等方式實(shí)時監(jiān)視各電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況；系統(tǒng)具有對各電氣設(shè)備故障、系統(tǒng)保護(hù)、過載保護(hù)、系統(tǒng)軟件故障等各種報警、彈出報警畫面、中文字幕、并配合聲音報警等。

4 結(jié)束語

采用S7-300主站、S7-200從站，基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)了整個柔性制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)從原料的出庫、工件的加工、沖壓、裝配、圖像識別和入庫各個單元的柔性協(xié)調(diào)工作，整個系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

[1]江志鋒,可編程序控制器原理與應(yīng)用[M]西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[2]王國貞,張惠榮,高南 基于PROFIBUS PLC控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J]無線電工程2006,05,.

[3]楊衛(wèi)平 基于PROFIBUS-DP的柔性加工系統(tǒng)開發(fā)[J].電氣自動化,2009,04.

[4]陳偉兵 現(xiàn)場總線及其實(shí)際應(yīng)用探討[J].電氣傳動自動化,2009,03.