基于現(xiàn)場(chǎng)總線的柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何 芳

（新余學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新余 338000）

0 引言

柔性制造系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)三個(gè)部分組成，隨著各個(gè)子系統(tǒng)的發(fā)展，柔性制造系統(tǒng)也有了很大的改變，就目前而言，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)信息化和系統(tǒng)控制模式上還存在某些欠缺。傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)的控制模式采用的是集中型，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和主控計(jì)算機(jī)的通信必須通過有線連接，因此，不管是系統(tǒng)運(yùn)算還是系統(tǒng)邏輯處理，這些都是由中央計(jì)算機(jī)控制的。由此可見，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和中央計(jì)算機(jī)間的通信問題（可靠性、實(shí)時(shí)性）是促進(jìn)柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息綜合、信息集成和自動(dòng)化的關(guān)鍵。現(xiàn)場(chǎng)總線是一種通信技術(shù)，它不僅能夠在工業(yè)環(huán)境中工作，另外它還具有低成本高性能等優(yōu)勢(shì)，作為柔性制造系統(tǒng)中的通信技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主控計(jì)算機(jī)間的通信。

柔性制造系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為該系統(tǒng)的通信技術(shù)，不僅克服了傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)在控制模式上的不足，還可以將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的運(yùn)用極大程度的提高了柔性制造系統(tǒng)各方面的性能。工業(yè)控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、分散化和智能化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的通訊技術(shù)無法適應(yīng)這種工業(yè)環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的運(yùn)用使得企業(yè)系統(tǒng)走向了自動(dòng)化。不僅如此，就連PLC和DCS在功能和機(jī)構(gòu)上也做出了相應(yīng)的改變，而工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品也面臨著升級(jí)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是建立在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的一種控制系統(tǒng)，作為連接通信的一種媒介，它屬于智能化設(shè)備，把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并入到總線，讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分出現(xiàn)，在拓展后控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化。過程現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)模型包含了三個(gè)部分，即應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，該技術(shù)的傳輸速率在9.6Kbps至12Mbps這個(gè)范圍內(nèi)。過程現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)的，該協(xié)議結(jié)構(gòu)的具體層次分布如圖1所示，它選取了通信過程中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。過程現(xiàn)場(chǎng)總線在交通、電力和樓宇等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，由于它不需要廠家設(shè)備的支持，所以它在自動(dòng)化離散型系統(tǒng)中的應(yīng)用比較多。過程現(xiàn)場(chǎng)總線有三個(gè)不同的版本，即PROFIBUS-PA過程自動(dòng)化、PROFIBUS-FMS報(bào)文規(guī)范和PROFIBUS-DP分布設(shè)備。如圖1所示為過程現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議規(guī)范層次結(jié)構(gòu)圖。

圖1 PROFIBUS協(xié)議規(guī)范層次結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柔性制造系統(tǒng)的主控制器采用的是型號(hào)為SIEMENS S7-300的可編程序控制器，上位機(jī)中必須裝有WINCC以方便過程監(jiān)視，另外還應(yīng)具備機(jī)械設(shè)備和執(zhí)行器。柔性制造系統(tǒng)總共包含了8個(gè)執(zhí)行單元，分別是上料、材質(zhì)檢測(cè)、廢料分揀、尺寸檢測(cè)、XY直角坐標(biāo)傳輸、加工、皮帶傳輸和立體倉(cāng)儲(chǔ)，單元之間都是相對(duì)獨(dú)立的，屬于它們可以單機(jī)運(yùn)行。狀態(tài)監(jiān)控、總控再加上8個(gè)執(zhí)行單元就是柔性制造系統(tǒng)的所有結(jié)構(gòu)組成。總控單元主控制器選用的是型號(hào)為Siemens S7-300的可編程邏輯控制器，軟件編程是實(shí)現(xiàn)調(diào)控執(zhí)行單元的手段；狀態(tài)監(jiān)控單元也是通過在PC機(jī)中安裝Siemens組態(tài)監(jiān)控軟件，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控也是通過組態(tài)和編程。

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)總共有三層，即管理層、單元層和設(shè)備層，分層式的控制有利于全面的管理，管理層主要負(fù)責(zé)界面的監(jiān)控和系統(tǒng)的整體控制，單元層是負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，而設(shè)備層是是控制分散的設(shè)備，將它們進(jìn)行集中管理。如圖2所示為控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖。

管理層的一類主站采用的是西門子的S7-300可編程邏輯控制器，它的二類主站安裝的PC機(jī)具有CP5611卡。S7-300主站在系統(tǒng)中充當(dāng)管理中心和數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)各方面的連接，如根據(jù)下層發(fā)送的狀態(tài)信息對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，或者將WINCC發(fā)送的信息進(jìn)行加工和轉(zhuǎn)換，將它傳遞給設(shè)備層；WINCC是操作人員和計(jì)算機(jī)交流的界面，通常用來采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或者控制系統(tǒng)設(shè)備層的運(yùn)行，并用文字或動(dòng)態(tài)圖形的方式將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示出來，另外它還可以實(shí)現(xiàn)記錄變量、歸檔數(shù)據(jù)、打印消息和報(bào)警等操作。

圖2 控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

單元層與設(shè)備層之間的連接是通過S7-200或者EM277，單元層會(huì)根據(jù)管理層的指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊或者設(shè)備層，另外將設(shè)備的運(yùn)行信息發(fā)送至管理層。S7-200與PROFIBUS-DP存在一定差異，所以它并不具備通信能力，本文采用的是EM227，通過對(duì)它進(jìn)行模塊拓展，讓它具備與PROFIBUSDP相同的通信功能。

2.2 系統(tǒng)主站組態(tài)

在本文中柔性制造系統(tǒng)的一類主站采用的S7-300 可編程邏輯控制器是由SIEMENS公司生產(chǎn)的，該控制器具有體型小、結(jié)構(gòu)模塊式等特點(diǎn)，且它的結(jié)構(gòu)不受到槽位的限制，屬于應(yīng)用型、容易拓展，在同類控制器中性價(jià)比較高。S7-300 可編程邏輯控制器由導(dǎo)軌、接口模塊、電源模塊、中央處理單元模塊、功能模塊和信號(hào)模塊幾部分組成。

2.3 系統(tǒng)從站設(shè)計(jì)

柔性制造系統(tǒng)的從站設(shè)計(jì)選用的可編程邏輯控制器是S7-200系列的，每個(gè)從站設(shè)備都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，從站在過程現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中處于被動(dòng)地位。在啟動(dòng)設(shè)備前應(yīng)先檢查從站的的通信能力，檢查它是否能與主站進(jìn)行通信連接，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化處理。S7-200系列不具備現(xiàn)場(chǎng)總線的通信接口，所以如果要選用S7-200作為從站的通信設(shè)備，首先要對(duì)S7-200進(jìn)行模塊拓展，將它拓展為EM277。從站由變頻器模塊和EM277模塊兩部分組成，且變頻器模塊應(yīng)該帶有過程現(xiàn)場(chǎng)總線接口。

2.4 WINCC的通訊組態(tài)

WINCC在柔性制造系統(tǒng)中充當(dāng)監(jiān)控軟件，且它監(jiān)視的是上層，所以它和主站間有通信連接。從站與主站間的通訊必須通過S7-300，然后才能發(fā)送至WINCC，因此它們之間存在一個(gè)過程變量，在WINCC和S7-300之間過程變量就相當(dāng)于媒介的作用，數(shù)據(jù)的交換都要通過過程變量才能實(shí)現(xiàn)，每個(gè)過程變量都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊單元和一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。

圖3 監(jiān)控仿真界面

2.5 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面即監(jiān)控界面，這是人操控系統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的媒介，在過程監(jiān)視系統(tǒng)中，系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能都是通過參數(shù)設(shè)置及圖形修改完成的。在整個(gè)柔性制造系統(tǒng)中，系統(tǒng)的編程和單元模塊的創(chuàng)建都是通過畫面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，因此，畫面設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能的核心。如圖3所示為監(jiān)控仿真界面截圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的一類主站采用的是WINCC和S7-300，從站采用的是S7-200，系統(tǒng)的管理和監(jiān)控都是通過WINCC實(shí)現(xiàn)的，WINCC可以將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況用動(dòng)態(tài)的畫面顯示出來，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性因此得到了提高。過程現(xiàn)場(chǎng)總線集中式的控制，不僅讓系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備實(shí)行分控，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用讓物流系統(tǒng)和加工單元融合在一起，硬件設(shè)計(jì)和軟件編程逐漸走向了標(biāo)準(zhǔn)化，柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度隨之下降。

[1] 陸春元, 陸歡林. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的柔性制造系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控[J]. 機(jī)床與液壓, 2009, 37(9).

[2] 梁延德, 趙律. 現(xiàn)場(chǎng)總線在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2006(4): 65-67.

[3] 陸春元, 陸歡林. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的柔性制造系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控[J]. 機(jī)床與液壓, 2009, 37(9).

[4] 于瀛, 邢吉哲, 母佳慶, 張偉. Prof i bus總線在人機(jī)協(xié)同柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝, 2009(6).