1 引言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，國內外市場競爭的加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快以及人們對產(chǎn)品多樣化需求的增加，使得機械制造業(yè)向多品種、小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。為適應這種需求的變化，必須大幅度提高產(chǎn)品制造的柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質量，降低能耗和生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟效益。柔性制造系統(tǒng)在成組技術的基礎上，以多臺（種）數(shù)控機床或數(shù)組柔性制造單元為核心，通過自動化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，統(tǒng)一由主控計算機和相關軟件進行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動化制造系統(tǒng)。性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System），英文縮寫為FMS。典型的FMS一般由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)的構成框圖及功能特征如圖1所示。三個子系統(tǒng)的有機結合，構成了一個制造系統(tǒng)的能量流（通過制造工藝改變工件的形狀和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造過程的信息和數(shù)據(jù)處理）。

PROFIBUS是一種國際性的、開放式的現(xiàn)場總線，廣泛用于離散型、流程型自動化系統(tǒng)以及樓宇、交通、電力等自動化領域。PROFIBUS，是一種國際化。開放式。不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。而柔性制造系統(tǒng)就屬于流程型自動化系統(tǒng)，本文重點探討基于現(xiàn)場總線PROFIBUS- DP的柔性制造監(jiān)視與控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

圖1 FMS的組成框圖及功能特征

2 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

2.1 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的組成

PROFIBUS-DP主要應用于現(xiàn)場級，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標準。用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)。診斷和報警處理。 PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡協(xié)議采用了OSI 參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶層，其中用戶層定義了用戶系統(tǒng)和各種設備可以調用的應用功能以及詳細說明了各種PROFIBUS-DP設備的行為。PROFIBUS-DP是一個主站/從站（Master/ Slave）總線系統(tǒng)，主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當主站得到總線控制權時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息，主站可以是PLC、PC 等；從站為外圍設備（典型的從站包括輸入/輸出裝置、閥門、驅動器和測量發(fā)送器等），從站沒有總線控制權，僅當接受到信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。PROFIBUS-DP有多種網(wǎng)絡拓撲結構：總線形，星形，環(huán)形等。該系統(tǒng)采用總線形拓撲結構。

該柔性制造系統(tǒng)也是由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。加工系統(tǒng)由儲料單元、翻轉送料單元、尺寸檢測單元、材質檢測單元、機械手送料單元、加工單元、搬運單元、立體倉儲單元等八個工作單元組成。物流系統(tǒng)是由各工作單元之間配備的不同形式的工件傳送裝置組成。監(jiān)控系統(tǒng)是以西門子PLC為主控制器，上位采用MT-500觸摸屏監(jiān)控，中間采用S7-300 PLC負責通信功能，下位采用八個S7-200 PLC （CPU 224） 組成分站控制器，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，八個獨立的執(zhí)行機構共同組成一套完整的控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)實際生產(chǎn)中的典型流水線工藝。監(jiān)控系統(tǒng)是由基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡將S7-300 PLC、S7-200 PLC和MT500觸摸屏連接而成的系統(tǒng)組成?；赑ROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)的組成

2.3 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

⑴、S7-300 PLC與S7-200 PLC的通信

S7-300 PLC與S7-200 PLC通過PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡進行通信。在PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡中，CPU 315-2DP作為主站通過DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡。該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用八個EM227 PROFIBUS-DP擴展從站模塊通過串行I/O總線分別連接到八個S7-200 PLC（CPU 224）分站控制器；作為從站，EM227模塊通過其DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡。CPU 315-2DP PLC通過組態(tài)將EM227模塊定義成DP從站，采用主-從方式進行通信，在主-從方式下，一個主站控制多個從站，主站發(fā)出命令（ Command），從站給出響應（ Response），配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個主站可與多個從站中的每一個從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路；從站可以發(fā)送多個幀，直到從站沒有信息幀可發(fā)送或未完成幀的數(shù)目已達最大值或從站被主站停止為止。

⑵、MT500觸摸屏與S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

MPI（Multi Point Interface）用于PLC和PG/OP之間的接口，每個PLC都安裝有一個RS 485 MPI接口。MT500觸摸屏通過MT5-MPI專用電纜將MT500 RS232串行通信口與CPU 315-2DP PLC的MPI通信口連接起來，CPU 315-2DP PLC可以自動地通過MPI接口發(fā)布其總線參數(shù)組態(tài)?？偩€參數(shù)包括：波特率為19200，數(shù)據(jù)位為8Bits，奇偶校驗采用奇校驗，停止位為1Bit，MT500觸摸屏的站地址為0，CPU 315-2DP PLC的站地址為2。這樣可使MT500觸摸屏可以自動連接到MPI網(wǎng)絡上，通過MPI協(xié)議與CPU 315-2DP PLC進行通信。MT500觸摸屏與S7-200 PLC通信時，將CPU 315-2DP PLC作為通信中介來實現(xiàn)MT500觸摸屏與S7-200 PLC的通信。

⑶、PC機與MT500觸摸屏、S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

在該系統(tǒng)中，PC機主要是作為編程器。PC機通過MT5-PC編程電纜與MT500觸摸屏連接起來進行通信。PC機通過使用STEP7編程電纜將PC機上的通信卡CP5611（適用于PC機的PCI卡）的通信口與CPU 315-2DP PLC的DP通信口連接起來進行通信。

3 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡的硬件組態(tài)

根據(jù)圖2所示基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖，采用總線拓撲結構組建監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，并給系統(tǒng)送電。S7-300 PLC與S7-200 PLC通過EM277進行PROFIBUS-DP通訊時，在STEP7中需要對S7-300站組態(tài)，而在S7-200系統(tǒng)中不需要對通訊進行組態(tài)，只要將通訊的數(shù)據(jù)存放在與S7-300組態(tài)時的EM277從站的硬件I/O地址相對應的V存儲區(qū)就可以了。

在STEP7中對S7-300站組態(tài)時，首先在STEP7中插入一個S7-300的站；然后在STEP7硬件組態(tài)窗口中安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD文件。安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD后，根據(jù)EM277從站通訊實際需要的通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式，該系統(tǒng)選擇8字節(jié)入/8字節(jié)出的方式，并在STEP 7的硬件組態(tài)窗口中設置EM277的從站地址，至此一個單元的EM277從站硬件組態(tài)結束。

硬件組態(tài)完成后，將硬件組態(tài)信息下載到S7-300 PLC中，下載完成后，將EM277模塊上的撥位開關撥到與硬件組態(tài)的設定值相一致，在S7-200中編寫程序將進行交換的數(shù)據(jù)存放在與S7-300 PLC的外設輸入/輸出存儲區(qū)PI和PQ相對應的V存儲區(qū)中，打開STEP7中的變量表和STEP7 Micro/Win32的狀態(tài)表可監(jiān)控S7-300與S7-200通過EM277進行的數(shù)據(jù)通信。

3.2 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場控制層和監(jiān)控管理層組成。

（1）現(xiàn)場控制層

該柔性制造系統(tǒng)的工作任務是將隨設備一起提供的工件由原料倉庫取出，經(jīng)過高度檢測，材質檢測，然后對非金屬工件進行加工，最后按材料的不同將工件分撿入庫。同時在各工作單元之間配以不同形式的工件傳送裝置完成一整套工作及工藝過程。每個工作單元的S7-200 PLC通過EM277模塊和PROFIBUS-DP總線連接器連接至PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。各從站的站號通過EM277模塊設定。各從站EM277模塊接收主站的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回主站。輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200 CPU的V存儲器內。V存儲器中輸入、輸出緩沖區(qū)大小及起始字節(jié)位置是在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡硬件組態(tài)時定義的，DP主站將組態(tài)時定義的V存儲器地址和輸入/輸出數(shù)據(jù)長度傳給S7-200 CPU。

（2）監(jiān)控管理層

PC作為PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡的主站，通過西門子CP5611通信卡的總線連接器接入網(wǎng)絡。在WINDOWS2000操作系統(tǒng)下，PC機首先通過軟件STEP7對其進行組態(tài)和參數(shù)配置。然后再利用STEP7軟件編寫由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構成的CPU315-2DP PLC的控制程序。觸控屏（Touch panel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。其中包括MT500觸摸屏和各從站進行數(shù)據(jù)通信的子程序、S7-300 PLC和各從站進行數(shù)據(jù)通信的子程序以及MT500觸摸屏和S7-300 PLC進行數(shù)據(jù)通信的子程序等，供主程序調用；DB數(shù)據(jù)塊為存儲各運行數(shù)據(jù)的區(qū)域，為S7-300 PLC內部數(shù)據(jù)轉換以及MT500觸摸屏和各從站之間、MT500觸摸屏和S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)交換提供了平臺。

該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用***WEIN VIEW的MT500觸摸屏作為監(jiān)控設備，在PC機上利用Easy Builder 500組態(tài)軟件編寫柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，然后將監(jiān)控軟件裝入MT500觸摸屏。在WEIN VIEW的MT500觸摸屏上通過使用柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件就可實現(xiàn)對柔性制造系統(tǒng)各工作單元的監(jiān)控。

4 結束語

本系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場控制設備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的通信基礎，以***WIEN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設備，利用Easy Builder 500組態(tài)軟件對該柔性制造系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控，組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。。基于PROFIBUS-DP總線的柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)控制中比較先進的控制方案，可適用多種應用場合，應用前景將會十分廣泛。

本文創(chuàng)新點：在本文中，以PLC作為現(xiàn)場控制設備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的通信基礎，以***WEIN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設備，利用Easy Builder 500 組態(tài)軟件對該柔性制造系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控，在現(xiàn)代工業(yè)控制中屬于比較先進的控制方案，可適用多種應用場合，應用前景將會十分廣泛。

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