基于PROFIBUS—DP的自動裝配線控制系統設計

【摘 要】介紹基于西門子S7-300的Profibus-DP自動化控制系統設計方案及具體設置過程；利用MP277觸摸屏對S7-300主從站PLC、變頻器等組成的物料裝配自動線進行控制，證實了設計的可行性和正確性，設計過程還可以作為Profibus-DP總線的典型培訓案例。

【關鍵詞】PLC Profibus-DP S7-300 MP277

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）07C-0189-04

近年來，隨著工業現場自動化的控制工藝復雜程度不斷增加，對于企業的自動化控制要求也越來越高，網絡化的控制系統逐漸成為目前工業控制領域的熱點。

PROFIBUS是一種開放式、不依賴于設備生產商的國際化現場總線標準，是目前國際上通用的且應用最為廣泛的工業現場總線標準之一，該總線由13家企業和研究機構聯合開發，目前已經成為國際標準IEC61158的組成部分，在2001年批準成為中國的行業標準JB/T 10308.3-2001。PROFIBUS-DP是一種高速低成本數據傳輸，用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通信，采用RS-485傳送方式，速率可由9.6Kbps至12Mbps。PROFIBUS廣泛適用于制造業自動化、過程工業自動化等其他領域，可實現車間級監控到現場設備層的分散式控制和現場通信網絡，從而為實現現場設備智能化和工廠自動化提供了可行的解決方案。

一、自動化生產線Profibus-DP控制網絡結構

本設計主要完成對S7-300PLC的主從站自動線分布控制，實現對自動線的現場監控，本套系統主要硬件組成如下：

PLC：S7-300單元模塊由1臺CPU 315C-2DP，帶PROFIBUS-DP主/從接口，自帶數字輸入：DI 16x DC24V ， 數字輸出： DO 16x DC24V/0.5A，CP343-1。1臺CPU314C-2DP、SM323（DI 8/DO8x DC24V/ 0.5A）、CP343-1 I組成。

HMI：觸摸屏采用西門子公司的MP277-10 Touch觸摸屏；觸摸屏是現場應用較為廣泛的監控設備之一，本設計采用MP277觸摸屏通過Profibus-DP總線構成對物料裝配自動線的控制。

編程軟件：S7-300編程軟件為STEP7_V54_SP3.1_CH版本；MP277-10 Touch觸摸屏項目采用Wincc flexible 2008觸摸屏組態軟件。

編程計算機PC操作系統為Windows XP Professional SP3，PCI插槽安裝CP5611通訊板卡，用于下載PLC程序及監控程序。

變頻器采用西門子的MM420，DP通信模塊安裝在MM420上，使之成為PROFBUS-DP從站。

自動線上安裝有MP277-10 Touch觸摸屏，通過MP277可以監控整條線的運行情況。MP277通過MPI通信線連接主站PLC，主站PLC為CPU315C-2DP，該型號PLC自帶MPI與DP接口，直接可以進行通信。主站PLC負責與子站及變頻器進行相互信息數據的發送與接收，定義站地址為2#站，另一PLC站（314C-2 DP）為從站，定義站地址為3#站，變頻器MICROMASTER MM420為4#站，下接一臺三相異步電動機。自動線系統結構如圖1所示：

圖1 PROFIBUS-DP的總線系統結構圖

二、PROFIBUS-DP主從通訊參數設置

組建PROFBUS-DP總線通信，首先對線上的各個工控設備進行硬件組態，按照先從站后主站的順序進行。

（一）組態從站

打開硬件組態（HW），STEP7新建工程項目，進入硬件組態窗口，按硬件實際配置類型和地址進行組態，依次按照次序插入機架導軌（RACK-300）、電源模塊（PS 307，5A）、CPU模塊（315-2 DP）和數字量I/O模塊SM323（DI8/DO8，24V0.5A）等完成從站的硬件組態。

在“DP Properties（DP性能）”對話框中選擇“Operation mode（操作模式）”標簽，將該站DP屬性設為從站（Slave），并對其屬性進行配置，如Profibus站地址號3#，數據傳輸速率187.5K等。

確認參數設定完成后，回到（DP性能）對話框并選擇“Configuration（配置）”標簽，對通訊數據區進行設置。DP模式選擇：選中PROFIBUS網絡，然后點擊按鈕進入DP屬性對話框，選擇“Operating Mode（操作模式）”標簽，激活“DP slave（DP從站）”操作模式，如果“Test ，commissioning ，routing（測試，調試，路由）”選項被激活，則表示這個接口既可作為DP網絡的從站，同時還可通過該接口監控程序。

在DP屬性對話框中，選擇“Configuration（配置）”標簽，打開I/O通信接口區屬性設置窗口界面，新建一行通信接口區，可看到當前的組態模式為Master-slave configuration（主從結構）。此時只能對本地（slave從站）進行通信數據區的配置。

（二）組態主站

在完成slave從站組態配置后，在同一項目下插入主站的station（站）， 并打開硬件組態進行配置。在“DP Properties（DP性能）”對話框中選擇“Operation mode（操作模式）”標簽， 將DP屬性設為Master（主站），并對其屬性繼續完成配置，在主站CPU模塊的組態中設置Profibus地址為2#站、MPI地址為2#站及通信傳輸速率為187.5kbps等。

（三）主從站組態連接

在硬件組態界面找到S7-300從站，將從站圖標拖曳至PROFIBUS-DP總線上，完成相應的硬件設置，對主站與從站的通訊地址進行分配。配置頁面如圖2所示：

圖2 主從站組態通信地址設置

（四）編譯保存

組態完成后進行編譯保存，連接成功后可以看到連接的系統圖，如果編譯不成功，則不會產生系統塊，通信界面則會出現紅色或者黃色的出錯顯示，需要查找出錯原因解決后才能繼續進行網絡通信參數設置。Profibus-DP系統硬件組態如圖3所示：

圖3 Profibus-DP系統組態

（五）編譯通信接口區

完成主從站硬件組態后，主站（S7-300PLC 315C-2 DP）調用S7-300PLC系統功能SFC15 / DPWR_DAT 0進行數據的發送，調用SFC14/DPRD _DAT 0進行數據的讀取，從站亦相同。完成住從站通信地址的定義后，即可在自動線程序編制中通過通信地址進行數據交換，主站和從站的控制命令即可通過總線進行交互控制。

（六）項目下載

本條自動線網絡中的通信主要是指主站S7-300 PLC（315C-2DP）與從站（314C-2DP）之間的通信，采用的是Profibus-DP通信協議；PC下載PLC項目程序到各PLC，PC的PC/PG Interface接口選擇5611進入設置即可。主站與從站只要通信DP接口硬件連接正常，且各個站點地址無沖突，通訊速率設置統一后即可進行通信。是否連接正?？梢圆榭碢LC面板上的運行指示燈是否變為綠色即可判斷，也可以通過監控PLC檢查故障找出故障原因。

（七）項目程序

要實現主從通信連接，首先要定義通信接口區。本例中先定義通信接口區主站QB50～QB69對應從站IB50～IB69，從站IB5O～IB69對應主站QB5O～QB69。

組態通信接口區后，主站程序下載到主站PLC中，為防止總線網絡上因某個站點掉電使整個網絡不能正常工作的故障，還要在S7-300 PLC中編寫組織塊OB82、OB86及OBl22。

主站程序舉例：

主站系統塊在OBl中調用SFCl4進行數據的讀取、SFCl5進行數據的發送。如圖4所示：

圖4 主站程序

SFCl4打開主站存放在IB50～IB69的數據包并放在DBl.DBBO～DBl.DBB10中。SFCl5給存放在DB2.DBBO～DBl.DBB10中的數據打包，通過QB50～QB69發送出去。

從站程序舉例：

從站系統塊的OBl中調用SFCl4進行數據的讀取、SFCl5進行數據的發送。如圖5所示：

圖5 從站程序

從站程序與主站程序編程思路一致。通過發送和接收過程，可以在控制程序中采用這些通信區域進行數據交互。

三、PLC對變頻器MM420的控制

主站PLC或從站PLC需要與變頻器通信，還要對變頻器進行多個參數設置。應根據系統手冊，針對系統對控制電機的要求進行設定。建立通訊DB塊，劃分好通信數據區域，PLC讀取變頻器的數據，存放在DB0-DB11共12個字節中，寫給變頻器的數據放在DB12-DB13共12個字節中。

（一）PLC組態設置

在STEP 7 編程軟件中的HW config中先組態S7-300站，使之成為PROFIBUS-DP主站，在DP總線掛上MM420，并組態MM420的通訊區。通訊區與自動線控制過程有關，需要讀/寫MM420參數，需4 PKW區；如果除控制字和設定值以外還需傳送其他數據，則要選擇4 PZD。

（二）變頻器MM420參數設置如表1所示：

表1 變頻器參數設置表

參數號 設置值 功能 參數號 設置值 功能 參數號 設置值 功能

P0010 1 快速調試 P0305 1.6 額定電流 P0311 1400 額定轉速

P0100 0 選擇地區 P0307 0.75 額定功率 P0700 l 選擇命令源

P0304 380V 額定電壓 P0310 50 額定頻率 P1000 1 頻率設定值

P1121 5s 減速時間 P3900 l 快速調試 P0700 6 接受PLC的命令

P0918 4 設置變頻器地址 P1120 5s 加速時間 P1000 6 接受PLC的設定值

P1080 0 下限頻率 P1082 50 上限頻率

設置完變頻器參數后，PLC即可通過PROFIBUS-DP對變頻器進行遠程控制。

四、HMI與主站S7-300 PLC間的通信

（一）觸摸屏采用西門子公司的MP277-10 Touch觸摸屏

在PC機上打開Wincc flexible觸摸屏組態軟件，建立新的監控項目，選擇觸摸屏的型號（MP277）在編輯界面連接參數設置，選擇SIMATIC S7-300型號（315C-2DP）的PLC，波特率19.2K，配置網絡為MPI，主站數為1，PLC地址設置為主站MPI地址為2。然后創建變量，變量參數如圖6所示：

圖6 變量參數設置

（二）進行監控畫面制作

在面板上設計出自動線上的各個控制按鈕、監控指示燈等和動畫模擬控制過程等。自動線部分監控畫面如圖7所示：

圖7 自動線部分監控畫面

（三）項目下載至MP277

將網線的一端連接到計算機的網絡端口上，另外一端直接連接到MP277面板下部網絡口上，組態完成后設置PC的PC/PG Interface接口協議，要求協議與上述配置項目一致。觸摸屏與主站之間的通信，采用的是MPI通信協議。觸摸屏項目文件通過網線將項目傳送至HMI，下載時注意將接口選擇以太網協議。還要注意將計算機網段與觸摸屏的網段設置相同，IP末位地址不同即可。點擊Transfer（傳送）按鈕，即可進入傳送模式。

（四）MP277面板設置

MP277上電后，進入Windows CE操作系統，在彈出對話框中，點擊Control Panel（控制面板）按鈕，雙擊Transfer（傳送）圖標進入傳送界面。首先要取消勾選Channel 1（通道1）的Enable Channel和Remote Control（使能通道和遠程控制），否則無法激活MPI/DP下載通道2。激活通道2的MPI/DP通道后，點中“Advanced”按鈕，進入對話框選擇是通過MPI還是PROFIBUS協議進行下載，這里選擇MPI協議。點擊各個對話框的OK鍵進行參數保存，直到退出到系統登陸畫面。點擊Properties按鈕，進入MPI參數設置對話框。在此設置面板的MPI地址，默認地址是1，波特率默認為187.5k，這里可以修改MPI地址及波特率。接下來在觸摸屏上也要將地址修改成1#站，波特率為19.2K，與PC串口波特率設置相同。

最后使用MPI通信線將觸摸屏與主站（CPU315C-2DP）的MPI接口連接，然后就可用觸摸屏對主站對象進行控制了。

五、系統的調試和運行

通過整條線的綜合調試，通過觸摸屏可以很好地對主從站PLC及變頻器進行監控，達到了設計的基本要求。可以實現以下功能：

主站與從站可以通過Profibus-DP總線進行數據交互，主站可以對從站進行遠程控制，以及接受從站的狀態。例如主站控制的輸送單元機械手傳輸物料到下一個加工從站時，可以通過總線發送到位信號給從站接收，從站接收到主站發送的命令后即可進入從站的工藝流程，當從站完成加工流程后，可以發送一個完成信號給主站，主站接收到從站的加工完成信號后，可以控制下一工作流程，還可以通過觸摸屏顯示當前自動線加工情況。

變頻器從站接收到主站發送的控制命令后，可以按照預制工藝過程進行變頻調速加工過程，工藝節點或者工藝結束后均可發送信號返回主站，信號可以通過觸摸屏顯示到界面中進行工藝監控。

通過觸摸屏監控界面可以較為直觀地監控到自動線當前的工藝流程情況，可以通過界面進行控制，加工的過程及產量可以通過實時曲線和歷史曲線進行分析，較好地完成質量等方面的監控。

本系統經調試運行達到了預期設計效果，在本系統中還使用了組態軟件開發人機界面，界面清晰，操作直觀簡便。系統除了典型的Profibus-DP現場總線網絡外，還增加了MPI通信協議作為補充，在同一自動線上可以有兩種不同的通信方式，增加了控制的多樣性。系統除了可對生產線進行遠程控制外，也可作為典型的西門子Profibus-DP網絡案例進行培訓。

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【作者簡介】藍偉銘（1982- ），男，廣西忻城人，柳州職業技術學院工程師，研究方向：工業電氣自動化，機電一體化技術，自動化電氣設備設計及改造。