張俊勇

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)（MPS，Modular Production System）是近年來各高校引進的典型機電一體化培訓(xùn)系統(tǒng)，是國際技能大賽—機電一體化競賽的官方競賽設(shè)備，它可以模擬零件的檢測、搬運、加工、裝配和分類的生產(chǎn)過程，使學(xué)員處于一個非常接近于生產(chǎn)實際的教學(xué)環(huán)境。

PR0FIBUS現(xiàn)場總線，是目前在工業(yè)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線通訊技術(shù)之一。本文采用PR0FIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)對MPS系統(tǒng)進行改造，利用上位機與系統(tǒng)通信，實現(xiàn)對MPS系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理控制，以及對各站的生產(chǎn)運行監(jiān)控，使得系統(tǒng)的生產(chǎn)效率得到顯著提高，且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

1 MPS系統(tǒng)簡介

MPS系統(tǒng)是一套開放式的設(shè)備，一般由6個工作站組成，分別為上料檢測站、機械手站、加工檢測站、裝配站、安裝搬運單元、立體倉庫單元，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它可以較為真實地模擬出一條自動生產(chǎn)加工流水線的工作過程。

目前陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院MPS設(shè)備各工作站之間通信采用的方法是一個工作站PLC的輸出與另一工作站PLC的輸入相連，從而實現(xiàn)各工作站的協(xié)調(diào)動作。這種點對點通信方式存在諸多缺點：

（1）占用系統(tǒng)資源；

（2）信號傳輸抗干擾能力差；

（3）不能體現(xiàn)新型的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理念；

（4）MPS系統(tǒng)不具有監(jiān)控功能[1]。

圖1 MPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用PR0FIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)可以解決上述問題。

2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)

PR0FIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，是實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化的工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它具有較強的現(xiàn)場信號集成能力，可靠性和維護性好，且總線協(xié)議是開放的。

PR0FIBUS總線標(biāo)準(zhǔn)包括3個方而的內(nèi)容：FMS，DP，PA，分別適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。

本次改造主要采用的是PR0FIBUS－DP總線標(biāo)準(zhǔn)，用于現(xiàn)場級快速高效的數(shù)據(jù)交換。PROFIBUS－DP主站可分為一類主站和二類主站：

一類DP主站是中央控制器，它在規(guī)定的周期內(nèi)與分散的站點（如DP從站）交換信息，典型主站設(shè)備包括可編程控制器（PLC）和個人計算機（PC）。

二類DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在系統(tǒng)組態(tài)時或?qū)ο到y(tǒng)運行監(jiān)控時使用[3]。

在采用PROFIBUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型時，選擇PLC做一類主站，設(shè)置一臺監(jiān)控站，監(jiān)控站通過串口與PLC一對一連接。這種結(jié)構(gòu)類型，監(jiān)控站不在RPOFBIUS網(wǎng)上，不是二類主站，不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠程參數(shù)化工作，監(jiān)控站所需從站數(shù)據(jù)只能從PLC中讀取。

2.1 設(shè)備類型

該系統(tǒng)共有6個工作站單元，將第1個工作站模塊即上料檢測設(shè)置為主站，主站的配置是選用SIEMENSS7-300可編程控制器CPU 315-2DP模塊及存儲卡；其余5個工作站模塊為從站，都采用SIEMENSS7-200 CPU226型，每個從站的I/O口均為24入/16出。S7-200通過EM277 PROFIBUS-DP從站模塊連入PROFIBUS-DP網(wǎng)，主站可通過EM277對S7-200 CPU進行讀/寫數(shù)據(jù)。

2.2 總線拓撲

PR0FIBUS-DP總線存取協(xié)議，主站之間采用令牌傳遞方式，主站與從站間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線令牌，在PR0FIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，有3種系統(tǒng)配置：

（1）純主—從系統(tǒng)；

（2）純主—主系統(tǒng)；

（3）混合系統(tǒng)[4]。

本系統(tǒng)采用令牌傳遞方式和純主—從系統(tǒng)配置。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.3 總線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)

根據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的組成，利用已連接好的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)專用線纜與總線插頭，采用總線拓撲結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)連接，并檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否正確，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)。

在STEP7中對S7-300 PLC站組態(tài)時，首先在STEP7中插入一個S7-300 PLC的站。然后在STEP7硬件組態(tài)窗口中安裝EM277從站配置文件，接著選擇通訊方式，并在STEP7的硬件組態(tài)窗口中設(shè)置EM277的從站地址，至此一個工作單元的EM277從站硬件組態(tài)結(jié)束，接著依次將所需的EM277從站掛接到總線上，如圖3所示。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)完成后，編譯并下載到S7-300 PLC中。

圖3 硬件組態(tài)過程

2.4 主從站數(shù)據(jù)通信編程

采用PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)，主從站之間的通訊不需要編寫專門的通訊程序，只需在S7-300主站的硬件組態(tài)中，配置PROFIBUS總線中的EM277模塊時所建立的緩沖區(qū)的輸入輸出字節(jié)數(shù)即可。例如組態(tài)時選擇“8 BytesOut/8 Bytes In”，在S7-300側(cè)建立的I/O緩沖區(qū)為PIB0～PIB7和PQB0～PQB7，將EM277的撥位開關(guān)撥到與以上硬件組態(tài)的設(shè)定值一致，則200側(cè)的通信區(qū)VB0～VB7為接收區(qū)，VB8～VB15為發(fā)送區(qū)（通信區(qū)地址通過設(shè)置可以偏移）。只要從站的站點地址以及各個從站PLC的端口地址，在組態(tài)時明確且不重復(fù)，就可以很準(zhǔn)確地實現(xiàn)主從站之間的通訊控制。

3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖形界面開發(fā)程序由“組態(tài)王”運行系統(tǒng)組成。畫面編輯應(yīng)用程序提供需要制作實時畫面的所有功能，用戶根據(jù)實際需要組織、調(diào)動畫面。本系統(tǒng)監(jiān)控主畫面設(shè)計如圖4所示，畫面顯示給用戶提供命令與圖建立聯(lián)系。

圖4 MPS系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

4 結(jié)束語

經(jīng)實踐證明，采用PROFIBUS-DP和組態(tài)王工控軟件組建的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機交互可視化以及生產(chǎn)管理的一體化，給系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和設(shè)備維護帶來方便，改造后可以實現(xiàn)對各站的生產(chǎn)運行監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性和工作效率。

[1]段向軍，曹桂玲，蔡云升，朱方園.Profibus－DP和WinCC在MPS改造中的應(yīng)用[J].機械制造與自動化，2008，（3）:140-141.

[2]高 峰.基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制器從站的研究與開發(fā)[D].河北：華北電力大學(xué)，2005:2～14

[3]SIMENS.PROFIBUS specification,Normative parts of PROFIBUS-FMS-DP-PA According to the European Standard 50170[S].SIEMENS.Volume2.Edition1.0March，1998

[4]安憲軍，楊利超，黃爾烈.基于PROFIBUS－DP總線的數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用研究[J].山東煤炭科技，2008，(1):112-113.