基于PROFIBUS通信的模塊式自動生產線控制系統應用研究

武彩霞，劉媛媛，趙振榮，王莉莉

（無錫科技職業學院 智能制造學院，江蘇 無錫 214028）

0 引言

“中國制造2025”的核心就是實現制造業智能升級，而實現制造業智能升級離不開工業通信網絡的應用。

傳統的單個控制器控制的自動生產線系統生產產品種類單一；而多個控制器組成的模塊式自動生產線系統可以根據不同客戶的需求，進行個性化產品定制，提升了生產線系統的柔性。模塊式自動生產線系統中多個控制器則需要通過工業通信網絡進行連接。

本文以模塊式自動生產線控制系統為研究對象，系統中共有6個控制器，其中主站為西門子S7-300系列PLC，5個從站均為西門子S7-200系列PLC，應用PROFIBUS通信成功實現系統各單元之間通信，提升生產線的智能化程度，方便地實現了生產線系統的生產柔性。

1 模塊式自動生產線系統

模塊式自動生產線系統是一種典型的自動化系統，它可方便地根據用戶的需求進行組合，滿足客戶對于不同生產過程的需求。本研究以供料、搬運、加工、安裝、搬運與安裝、分類等幾個站組合而成的模塊式自動化系統為研究對象。

圖1顯示了系統中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：供料站將大工件按順序排好后提升送出；搬運站將大工件從上料檢測單元搬至加工站；加工站將大工件加工后送出工位；安裝搬運站將大工件從加工站搬至安裝工位放下。安裝站再將對應的小工件裝入大工件中。而后，安裝搬運站再將安裝好的工件送分類站，分類站再將工件送入相應的料倉。

圖1 模塊式自動化生產線系統工作過程示意圖

系統綜合應用了機械、氣動、電機與電氣控制、PLC、檢測傳感、網絡通信等多種技術。該系統可作為教學平臺，用于機械制造及其自動化、機電一體化、電氣工程及自動化、自動化工程、控制工程、測控技術、計算機控制、自動控制、機械電子工程、機械設計與理論、等相關專業的教學和培訓[1]。

2 PROFIBUS通信

2.1 工業通信網絡技術

企業的通信網絡可分為企業級、車間級和現場級3個級別。企業級用于企業的上層管理，為企業提供生產、經營、管理等數據，通過信息化的方式優化企業的資源，提高企業的管理水平。在企業級的通信網絡中IT技術的應用十分廣泛，如Internet和Intranet。車間級介于企業級和現場級之間。其主要任務是解決車間內需要協調工作的不同工藝段之間的通信。要求通信網絡能夠高速傳遞大量信息數據和少量控制數據，同時具有較強的實時性。對于車間級通訊網絡，所使用的主要解決方案是工業以太網。現場級處于工業網絡系統的最底層，直接連接現場的各種設備，包括I/O設備、傳感器、變送器、變頻與驅動等裝置。所使用的通信方式比較復雜，對網絡實時性和確定性要求很高。對于現場級通信網絡，現場總線是主要的解決方案。最具有影響力的現場總線：PROFIBUS現場總線、基金會現場總線、Devicenet現場總線和CAN現場總線等[2]。

圖2中所示為一西門子工業通信網絡拓撲圖實例。網絡中分為監控、操作和現場3層，分別對應企業級、車間級和現場級三個網絡級別。現場控制信號如I/O、傳感器、變頻器等，通過HART、ModBus等各種方式連接到S7-300 PLC上，PROFIBUS總線完成S7-300 PLC與現場設備的信息交流，可以很方便地進行第三方設備的擴展。現場層配備有兩個數據同步的互為冗余的主站，保證現場層與操作層之間的數據信息的穩定可靠。中央控制室與操作員站、工程師站通過開發、標準的以太網進行數據的交換[3]。

圖2 西門子工業通信網絡拓撲圖實例

2.2 PROFIBUS通信

PROFIBUS總線符合國際標準IEC61158，是目前國際上通用的現場總線標準之一，并以獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支出和不斷發展的應用行規，成為現場級通信網絡的最優解決方案，其網絡節點數已突破1000萬個，在現場總線領域遙遙領先。

PROFIBUS總線包括PROFIBUS-DP、PROFIBUSFM和PROFIBUS-PA三種。PROFIBUS-DP專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統數據傳輸，廣泛適用于制造業自動化等系統中單元級和現場級設備高速通信。PROFIBUS-FMS解決車間級通用性通信任務，提高大量的通信服務，完成中等傳輸速度的循環和非循環通信任務，主要用于自動化系統中系統級和車間級的過程數據交換。PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，標準的本征安全的傳輸技術，實現了IEC1158-2中規定的通信規程，電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化等系統中單元級和現場級通訊[4]。

由于本文研究的模塊式自動生產線系統中主站為S7-300PLC，型號為CPU313C-2DP，其自帶了兩個DP口，故本文選用了Profibus DP通訊方式。從站均為S7-200PLC，需擴展通信模塊EM277實現與S7-300PLC的Profibus DP通訊。

3 系統配置

本文研究的模塊式自動生產線系統由六個站組成，每個站均為獨立的單元，分別為上料檢測單元、搬運單元、加工與檢測單元、安裝單元、安裝搬運單元、分類單元。每個單元都安裝在獨立的型材桌上，均由通信接口板、電氣網孔板、按鈕控制板、I/O接口板、各種傳感器、警示燈、各類電磁閥和氣缸等組成。以搬運單元為例，如圖3所示，在工作臺面上主要有機械本體：氣動機械手爪、單桿氣缸、雙導桿氣缸、旋轉氣缸、擺臺，調壓過濾器，電磁閥組和I/O接口等；在按鈕控制板上有急停按鈕、開機按鈕、復位按鈕、調試按鈕、手/自動選擇開關、單機/聯機選擇開關、停止按鈕和上電按鈕組成；電氣網孔板上有電源總開關、控制器、通信模塊走線槽等；為了便于移動，各實訓桌下方均安裝了萬向輪。

各個單元均有控制器，可以實現單站獨立運行。各站控制器之間通過Profibus通信，可以實現聯機運行。各個單元的控制器安裝在各自的電氣網孔板上，如圖3中的控制器。

圖3 搬運單元外形圖

本文中模塊式自動生產線系統的各站控制器及通信模塊配置見表1，主站為S7-300PLC，自帶兩個DP口，可直接進行Profibus DP通信；從站均為S7-200PLC，每個站需擴展通信模塊EM277，才能實現與主站之間的Profibus DP通信。

表1 MPS系統配置表

搬運單元、安裝單元、安裝搬運單元驅動部分為純氣動，選擇價格相對便宜的繼電器輸出類型的PLC即可滿足使用。加工與檢測單元和分類單元中因用到了步進電機，控制器需選擇可以發送高速脈沖的晶體管輸出類型的PLC方可滿足使用。

4 硬件組態與通信設置

本文研究的模塊式自動生產線系統，以S7-300 PLC為主站控制器，5個從站控制器均為S7-200 PLC。系統中應用PROFIBUS通信，需進行在S7-300 PLC編程軟件SIMATIC Manager中硬件組態，在系統實物中進行硬件設置，還需進行系統通信地址的分配，具體如下所述。

4.1 硬件組態

在S7-300 PLC編程軟件SIMATIC Manager中硬件組態，插入300站點，在STEP 7中組態S7-300主機架（rail），1號槽放置電源模塊PS 307 5A，2號槽放置CPU模塊CPU313C-2DP。PROFIBUS屬性設定傳輸率為1.5MPS，配置文件選擇DP，如圖4所示。S7-300 PLC作為PROFIBUS-DP的主站系統，從站的S7-200 PLC通過EM277模塊連接到PROFIBUS-DP網絡中，在STEP 7的硬件目錄中選取EM277模塊，如圖5所示，雙擊進行添加即可。從站站號分別設置為4、5、6、7、8，硬件組態完成后如圖6所示。

圖5 S7-300 PROFIBUS DP中選擇EM277模塊

圖6 S7-300 PLC編程軟件中的硬件組態截圖

4.2 網絡連接器設置

在編程軟件中組態好后，在各站的S7-200 PLC擴展的EM277模塊中還需要進行硬件設置。首先設定各站的EM277模塊地址，用一字螺絲刀調節模塊上的編址開關，各單元模塊地址出廠設定為4、5、6、7、8。然后將DP聯線首端出線的網絡連接器接到300主機的DP口上，其他網絡連接器依次接到各從站的EM277模塊DP口上，將聯線末端網絡連接器上的終端電阻開關打到“ON”位置,其他網絡連接器上的終端電阻開關全部打到“OFF”位置。EM277模塊地址和網絡連接器，終端電阻設置如圖7所示。

圖7 EM277模塊地址和網絡聯接器終端電阻設置

4.3 通信地址分配

PLC從站與主站的地址對應示例見表2。以4號站為例說明，程序分配了I30.0～I37.7、Q30.0～IQ30.7作為輸入輸出的點數。其中，S7-200 PLC向S7-300 PLC傳送的數據作為輸入型數據，S7-300 PLC向S7-200 PLC傳送的數據作為輸出型數據。

表2 PLC從站與主站數據對應示例表

在S7-200 PLC的程序中，V0.0～V7.7是作為S7-300 PLC向S7-200 PLC傳送數據的輸入點使用的，V8.0～V15.7是作為S7-200 PLC向S7-300 PLC傳送數據的輸出點使用的，在S7-200 PLC中作為輸出給S7-300 PLC的數據，可以是Q*.*,也可以是I*.*，而作為S7-300 PLC輸出給S7-200 PLC的數據，可以是Q*.*,或者是I*.*，例如S7-200 PLC的I0.0，可以通過V8.0～V15.7間任一點傳送到S7-300 PLC主站上去，也可以讓S7-300 PLC主站通過V0.0～V7.7間任一點傳送到S7-200 PLC上來。

在各站程序中M5.*由V3.*輸入，M6.*由V14.*輸出。在S7-300 PLC程序中，各從站站點的數據對應到S7-300 PLC站點時見表3。

表3 各從站與主站數據具體對應表

5 結束語

PROFIBUS通信在模塊式自動生產線系統中已成功應用，系統既可單機運行，亦可聯機運行。通過PROFIBUS網絡可以輕松地訪問到主站和各從站PLC，方便地實現進行程序的下載、上傳和調試。通過PROFIBUS網絡，主站和從站之間可以實現信息共享，來按照系統要求完成各項動作，提高了系統可靠性和抗干擾能力，達到了較好的控制效果。該模塊式自動生產線系統已作為教學平臺，用于培養學生的機、電、氣等技術的綜合應用能力。