呂世霞，王 京

LV Shi-xia, WANG Jing

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100026）

閥島技術(shù)在生產(chǎn)線自動(dòng)供料系統(tǒng)中的應(yīng)用

The application of bus-valve island in the feeding system of automated production line

呂世霞，王 京

LV Shi-xia, WANG Jing

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100026）

提出一種基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的閥島作為生產(chǎn)線上供料系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的控制單元，以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。采用西門子S7-300 PLC的順序控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)供料過程的自動(dòng)運(yùn)行。PLC利用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線通過總線型閥島、輸入設(shè)備與上位機(jī)自由交換信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制。實(shí)踐證明，該方法使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度提高，可靠性增強(qiáng)，為整個(gè)生產(chǎn)線的分布式控制提供前提。

現(xiàn)場(chǎng)總線；閥島；PLC；順序控制

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了過程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。閥島技術(shù)的出現(xiàn)，使得氣動(dòng)技術(shù)在生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在氣缸活塞的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，能夠快速、準(zhǔn)確的將待加工工件從待加工區(qū)送到加工區(qū)，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。供料系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高已經(jīng)成為必須。

自動(dòng)供料系統(tǒng)采用基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的閥島來作為氣動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的控制單元。同時(shí)，采用西門子S7-300 PLC的順序控制來實(shí)現(xiàn)整個(gè)供料過程的自動(dòng)運(yùn)行，利用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線通過總線型閥島、輸入設(shè)備與上位機(jī)自由交換信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制，以滿足目前自動(dòng)化生產(chǎn)線的分布式控制的要求。

1 自動(dòng)供料系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)供料系統(tǒng)主要功能是將工件從生產(chǎn)線的待加工區(qū)抓取、傳送、放置到加工工位。系統(tǒng)要求控制精確，抓取快捷，傳送到位，放置穩(wěn)定，使用方便快捷，生產(chǎn)效率能夠得到進(jìn)一步提高。

供料系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。起始時(shí)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于初始位置，且工件已在待加工區(qū)存放，處于被提取的等待狀態(tài)，加工工位已無工件在加工。此后的動(dòng)作順序?yàn)椋和屏蠚飧咨斐?，將工件推出待加工區(qū)。擺動(dòng)氣缸左擺，延時(shí)5s，消除擺動(dòng)過程的抖動(dòng)，準(zhǔn)備抓取工件。吸盤的真空開啟，抓取工件，延時(shí)5s，保證工件抓取牢固。推料氣缸退回。擺動(dòng)氣缸帶著工件開始右擺，直到放置工件的位置，延時(shí)5s，消除擺動(dòng)過程的抖動(dòng)。真空關(guān)閉，工件放置加工工位上，延時(shí)5s，保證工件安全放置。這樣自動(dòng)供料系統(tǒng)就完成了一個(gè)供料過程。供料過程可以循環(huán)進(jìn)行。

2 閥島在供料系統(tǒng)氣動(dòng)回路中的應(yīng)用

Profibus (Process Fieldbus)是一種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他自動(dòng)化領(lǐng)域。采用Profibus總線的系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性。Profibus-DP 協(xié)議是為自動(dòng)化制造工廠中分散的I/O設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需要的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的。使用Profibus-DP可取代24V直流電壓或4mA～20mA電流信號(hào)傳輸。DP的配置為主—從結(jié)構(gòu)，DP主站與DP從站間的通信基于主―從原理。

供料系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行主―從站之間的通信。PLC、上位機(jī)、閥島及現(xiàn)場(chǎng)的輸入設(shè)備之間的信息通過該總線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。

2.1 閥島的閥片選擇

圖1 自動(dòng)供料系統(tǒng)的工作流程圖

供料系統(tǒng)的氣動(dòng)控制元件采用Festo 公司最新推出的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線型閥島作為氣動(dòng)控制元件，其性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)緊湊，固定柵格，并且可在一個(gè)位置上緊湊的安裝兩個(gè)閥的功能，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”?？偩€型閥島與外界的數(shù)據(jù)交換只需通過一根兩股或四股屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)，是一種省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，節(jié)省接線時(shí)間。配線、配管和元件的減少使設(shè)備進(jìn)一步集成，抗干擾能力增強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸更為可靠。

閥島主要由電路板和閥體兩部分組成。閥島采用橫向氣路板集成，其上閥體寬10mm，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)額定流量為400L/min，具有閥體薄，流量大，能耗小。閥島的設(shè)計(jì)時(shí)可裝6個(gè)或8個(gè)閥片，可將線圈從2個(gè)擴(kuò)展到16個(gè)。閥島最多可安裝8片閥片（16個(gè)線圈），并且可以使用氣路板。

圖2 自動(dòng)供料系統(tǒng)的氣動(dòng)回路圖

自動(dòng)供料系統(tǒng)的氣動(dòng)回路如圖2所示。氣動(dòng)系統(tǒng)的閥島采用3個(gè)閥片來控制。氣動(dòng)推料氣缸采用M型閥片控制，1個(gè)二位五通單電控閥，保證推料氣缸嚴(yán)格定位在伸出和縮回兩種狀態(tài)。擺動(dòng)氣缸采用N型閥片，2個(gè)常開的二位三通閥，可以讓擺動(dòng)氣缸停止在任意位置，方便系統(tǒng)調(diào)試，同時(shí)防止在工作過程中突然斷電時(shí)擺臂墜落。真空吸盤采用E型閥片，帶噴射器的真空發(fā)生器，有利工件的抓取和放置。

2.2 閥島的軟件組態(tài)

閥島支持Profibus-DP、Festo Field Bus、ABB CS31、SUCOnet K多種協(xié)議。閥島上可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備不同的控制需要進(jìn)行不同的總線協(xié)議選擇。同時(shí)可以在閥島上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端口設(shè)置，閥島地址選擇，及診斷模式設(shè)置。

閥島在使用之前還需要對(duì)其DIP開關(guān)部分進(jìn)行設(shè)置，選擇使用Profibus-DP協(xié)議，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的軟件組態(tài)。Festo公司開發(fā)了與西門子PLC相匹配的總線型閥島技術(shù)使用的組態(tài)軟件，根據(jù)供料系統(tǒng)的功能要求在STEP 7軟件下對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)。該軟件操作方便，界面簡(jiǎn)單快捷，利于使用。

利用西門子公司提供的STEP7軟件在PC機(jī)上對(duì)系統(tǒng)在軟件環(huán)境下進(jìn)行軟件組態(tài)時(shí)，確保軟件組態(tài)與硬件設(shè)置相符。

首先在STEP 7軟件下安裝Festo DP產(chǎn)品的GSD文件。配置過程如下：

1）系統(tǒng)配置中選擇Profibus DP網(wǎng)絡(luò)組件Festo CPV 閥島。如圖3所示。

圖3 Profibus DP網(wǎng)絡(luò)組件的選擇

2）雙擊Festo CPV DI01，配置CPV閥島的地址和網(wǎng)絡(luò)，選擇好相應(yīng)的地址和網(wǎng)絡(luò)，單擊確定即可。操作如圖4所示。

圖4 CPV閥島地址和網(wǎng)絡(luò)的配置

2.3 閥島的地址分配

整個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)為閥島的輸出，系統(tǒng)的輸出地址在閥島上的分配見表1所示。地址分配從閥島的左至右，14線圈總在低位，單電控閥片中的12線圈地址被保留。根據(jù)需要，系統(tǒng)需配置3個(gè)閥片，控制3個(gè)執(zhí)行元件。

表1 閥島的輸出地址分配

2.4 輸入設(shè)備的地址分配

供料系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要來源于檢測(cè)執(zhí)行元件狀態(tài)的傳感器，系統(tǒng)啟動(dòng)、停止的開關(guān)信號(hào)等。系統(tǒng)的輸入地址分配如表2所示。

表2 系統(tǒng)的輸入地址分配

2.5 PLC的順序控制過程

PLC 在抗干擾能力方面明顯優(yōu)于單片機(jī)等其他控制器，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。供料系統(tǒng)的控制器選用西門子公司的S7-300系列的可編程控制器 CPU 313C-2DP，它集成數(shù)字量輸入/輸出接口，同時(shí)帶有MPI、Profibus主站/從站的雙接口，方便與Profibus-DP總線型閥島的連接，操作簡(jiǎn)單精確。PLC、閥島、輸入設(shè)備與上位機(jī)連接在現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus 上，PLC作為供料系統(tǒng)的主站接收來自于傳感器等輸入設(shè)備信息，并發(fā)出信息控制閥島動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制，并且為整個(gè)生產(chǎn)線的分布式控制提供了前提。

自動(dòng)供料系統(tǒng)采用PLC的順序控制，它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)供料過程的自動(dòng)化控制。自動(dòng)供料系統(tǒng)的順序功能圖如圖5 所示。當(dāng)滿足左邊的控制條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生右邊的控制結(jié)果，同時(shí)使相應(yīng)的中間寄存器通電。從圖5 中看出一個(gè)完整的提取過程共有6步，且完成第6步后如果加工工位滿足無工件，且系統(tǒng)沒有停止條件時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的供料動(dòng)作。

圖5 PLC的順序控制功能圖

3 結(jié)束語

過程控制技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展的相輔相成，使生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平也應(yīng)與日俱增。將基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的總線型閥島這一先進(jìn)的氣動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線的供料系統(tǒng)中，使系統(tǒng)集成度更高。 PLC與氣動(dòng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，利用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線通過總線型閥島、輸入設(shè)備與上位機(jī)自由交換信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化的遠(yuǎn)程操作和控制，為整個(gè)生產(chǎn)線的分布式控制提供了前提，使整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度更高，控制方式更加靈活，系統(tǒng)性能更加可靠。因此具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

[1] 許為民.基于PLC的氣動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2009(1)：50-52.

[2] Festo 公司.CPV閥島使用手冊(cè),2005.

[3] SIEMENS公司.SIMATIC s7-300使用手冊(cè),2005.

[4] 胡健.西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用.北京：北京航空航天出版社.2008.9.

[5] 關(guān)浩,藍(lán)健,楊博龍.氣動(dòng)競(jìng)賽機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2009(1)：7-9.

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1009-0134(2010)09-0170-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.52

2010-03-05

呂世霞（1978 -），女，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧竭\(yùn)動(dòng)控制。