基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的熱處理實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)研究的是運(yùn)用PLC技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，將S7-300PLC與S7-200PLC通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及遠(yuǎn)程組態(tài)控制熱處理裝置的工作，實(shí)現(xiàn)了熱處理工藝流程的自動(dòng)控制，提高了熱處理效率，降低了能耗，保證了熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量。確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行總體編程，通過(guò)原理圖等表現(xiàn)出整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。

關(guān)鍵詞：熱處理；PLC；PROFIBUS

中圖分類(lèi)號(hào)：G423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-9324（2012）11-0196-02

目前，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展，控制技術(shù)在現(xiàn)代熱處理行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究的熱處理裝置是在模擬仿真的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)的。采用西門(mén)子S7-300 PLC，CPU-315 2DP作為生產(chǎn)線(xiàn)的主站，S7-200PLC作為從站，通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)主從通信，并通過(guò)實(shí)時(shí)通信監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)指揮，完成從站之間數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。本設(shè)計(jì)是基于電機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心工業(yè)自動(dòng)化流水線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中的熱處理單元來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是將總站的S7-300PLC與熱處理從站的S7-200PLC通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及遠(yuǎn)程組態(tài)來(lái)控制熱處理的工作，實(shí)現(xiàn)了熱處理工藝流程的自動(dòng)控制，提高了熱處理效率，降低了能耗，保證了熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量。本文研究的內(nèi)容主要是熱處理實(shí)驗(yàn)裝置電氣控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及Profibus的通訊。

一、熱處理系統(tǒng)控制要求

1.流程簡(jiǎn)介。主站工作流程：首先各個(gè)單元都連上電并且進(jìn)行復(fù)位，確保托盤(pán)出于生產(chǎn)線(xiàn)上，并保證托盤(pán)上無(wú)工件，然后主站進(jìn)行復(fù)位，確保無(wú)故障后，按下主站啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，如為金屬件就送往熱處理單元進(jìn)行熱處理加工，如不是金屬件，則送往裝配站進(jìn)行工件裝配，金屬件經(jīng)過(guò)熱處理加工后，回到生產(chǎn)線(xiàn)上，這就完成了一個(gè)工作流程，待完成后，按下主站停止按鈕，然后將熱處理單元斷電，這就是熱處理單元在主站中的一個(gè)工作流程。熱處理單元工作流程：首先當(dāng)傳感器檢測(cè)到有工件時(shí)，行車(chē)運(yùn)動(dòng)到流水線(xiàn)的托盤(pán)上方，機(jī)械手下降，抓取托盤(pán)上的工件，機(jī)械手臂上升后運(yùn)動(dòng)到加熱爐上方，接著機(jī)械手臂再下降，將工件放入加熱爐，工件加熱延時(shí)，然后，機(jī)械手把工件取出，再運(yùn)動(dòng)到冷卻槽上方，隨后機(jī)械手下降將工件放入冷卻槽，冷卻延時(shí)后，機(jī)械手將工件取走，然后運(yùn)動(dòng)到托盤(pán)上方，機(jī)械手下降，將工件放入托盤(pán)，最后，機(jī)械手返回原位。

2.熱處理系統(tǒng)控制要求：①原位復(fù)位，由復(fù)位按鈕控制，使X、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整至原位。②自動(dòng)運(yùn)行，在X、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整至原位情況下，按下啟動(dòng)按鈕，由抓手機(jī)構(gòu)從物料小圓臺(tái)上抓取物件，X、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)送至加熱部件處，進(jìn)行加熱處理，延時(shí)一定時(shí)間（20s），加熱處理完成，X、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)將物件運(yùn)送至淬火槽，進(jìn)行淬火處理，延時(shí)一定時(shí)間后（10s），完成淬火處理，由X、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)把物件運(yùn)回到物料小圓臺(tái)上，抓手機(jī)構(gòu)釋放物件，然后返回原位，為一個(gè)工作循環(huán)。③必須考慮必要的限位、急停控制。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.熱處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件部分由T1：熱處理加工單元機(jī)構(gòu)總成；T2：電氣控制箱組成。熱處理加工單元總成：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X，Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)，抓手機(jī)構(gòu)，加熱槽，冷卻槽組成；電氣控制箱：控制箱主要由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流開(kāi)關(guān)電源、繼電器、控制按鈕等電氣元部件組成。

2.熱處理電氣控制系統(tǒng)功能。電氣系統(tǒng)應(yīng)完成預(yù)設(shè)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確運(yùn)送和熱處理加工。本裝置中的熱處理控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：①控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的指令，機(jī)械手臂能夠準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，完成運(yùn)送工件的任務(wù)。②控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行對(duì)金屬工件進(jìn)行加熱和冷卻加工，能夠保證對(duì)金屬工件進(jìn)行運(yùn)送至準(zhǔn)確位置，保證快速性和準(zhǔn)確性兼顧。③設(shè)置各種運(yùn)行保護(hù)功能，能夠防止機(jī)械手臂的越位。

3.熱處理電氣控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案。本課題的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用西門(mén)子S7-300系列PLC作為整個(gè)總站的硬件核心，將西門(mén)子S7-200系列可編程控制器（PLC）作為整個(gè)熱處理從站控制系統(tǒng)的硬件核心，建立主站系統(tǒng)，在S7-300的CPU中建立一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立通信參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)地址、通信速率、通信方式、通信字節(jié)、通訊區(qū)域等。然后用STEP-7編程軟件將程序編制完畢后可以通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）將實(shí)現(xiàn)編制完畢的程序傳入PLC中，采用脈沖輸出來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)改變脈沖輸出指令中的脈沖頻率，脈沖寬度和脈沖數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確控制。同時(shí)PLC控制2個(gè)繼電器，通過(guò)2個(gè)繼電器線(xiàn)圈得電否，控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)主回路。

三、軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的程序內(nèi)容主要是單機(jī)的連續(xù)運(yùn)行程序。在熱處理從站運(yùn)行程序中，用到順序控制狀態(tài)編程思想有轉(zhuǎn)移條件，驅(qū)動(dòng)負(fù)載和轉(zhuǎn)移目標(biāo)。在程序中將用到主程序和子程序。利用子程序調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。在子程序中用到PLS高速脈沖輸出指令、中斷指令、數(shù)據(jù)傳送指令、置位復(fù)位指令。主程序就執(zhí)行連續(xù)運(yùn)行程序。使機(jī)械手完成工件的熱加工處理。行車(chē)運(yùn)動(dòng)到的位0是表示當(dāng)檢測(cè)到有金屬件時(shí)機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)到托盤(pán)上方，然后下降取料。行車(chē)運(yùn)行到位1是表示機(jī)械手抓住金屬件后運(yùn)行到加熱爐上方，然后進(jìn)行加熱處理，隨之再取料。行車(chē)運(yùn)行到位2是表示的是將加熱好的金屬件又機(jī)械手運(yùn)送到冷卻槽上方，將其冷卻，之后取料送回托盤(pán)。之后行車(chē)回到原位。

四、模擬調(diào)試及報(bào)告

首先，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的總電源，先打開(kāi)主站的電腦，打開(kāi)主站電腦上的SIMATIC Manager的軟件，先建立一個(gè)新項(xiàng)目，通過(guò)硬件配置等建立通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接S7-200PLC與S7-300 PLC的通訊，然后將其配置的硬件及參數(shù)設(shè)置保存，然后下載到S7-300PLC的CPU中。之后，打開(kāi)與熱處理單元相連接的電腦，打開(kāi)電腦上STEP 7-Micro/WIN 的軟件，將編寫(xiě)熱處理從站的程序拷入進(jìn)去，先建立計(jì)算機(jī)與S7-200PLC的通信，使得S7-300PLC與S7-200PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)取得通信，在軟件中調(diào)用已編寫(xiě)好的程序，接著用軟件進(jìn)行編譯程序，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有錯(cuò)誤后，把程序下載到S7-200PLC中去，然后就可以按啟動(dòng)按鈕開(kāi)始運(yùn)行。首先要使機(jī)械手爪的X軸，Y軸復(fù)位，然后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，按下急停按鈕，使機(jī)械手停止工作，將S7-200 PLC改為停止?fàn)顟B(tài)，對(duì)程序進(jìn)行修改，再次重新編譯程序，再下載到S7-200PLC中，重新開(kāi)始運(yùn)行，重新進(jìn)行模擬調(diào)試，直到按要求完成熱處理的工藝流程。

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基金項(xiàng)目：上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目資助（12ZZ197）；上海市人才發(fā)展基金項(xiàng)目資助（2009027）

作者簡(jiǎn)介：司雪楠（1984-），安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制。