馬利云，李 屹，趙先鋒，陳建海，劉春偉

MA Li-yun, LI Yi, ZHAO Xian-feng, CHEN Jian-hai, LIU Chun-wei

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550003）

基于FESTO PMS可重構生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設計

The design of reconfi gurable production line control system based on FESTO PMS

馬利云，李 屹，趙先鋒，陳建海，劉春偉

MA Li-yun, LI Yi, ZHAO Xian-feng, CHEN Jian-hai, LIU Chun-wei

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550003）

本文以FESTO教學設備為平臺，從生產(chǎn)加工的應用角度出發(fā)，構建了一種較為完備的可重構生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)模型。采用的分布式控制系統(tǒng)，通過上位機與PLC 通信、PLC 與PLC 之間通信，利用WinCC軟件組態(tài)，實現(xiàn)了計算機對整個柔性生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集以及過程監(jiān)視。

可重構；FEST模塊；ROFIBUS-DP；控制

0 引言

隨著制造企業(yè)從面向產(chǎn)品的生產(chǎn)轉向面向客戶的生產(chǎn)，一種能夠通過產(chǎn)品結構調整和制造系統(tǒng)快速重構將產(chǎn)品的生產(chǎn)問題全部或部分地轉化為批量生產(chǎn)的新型制造系統(tǒng)，即可重構制造系統(tǒng)(Reconfigurable manufacturing system，簡稱RMS)[1]的需求更為迫切?？芍貥嬒到y(tǒng)最突出的優(yōu)點就是能夠根據(jù)不同的應用需求，改變自身的體系結構，以便與具體的應用需求相匹配。能夠更好地適應實際應用中的多元化需求。因此，具有廣泛的應用市場和廣闊的發(fā)展前景。

本文以我校實驗室FESTO教學虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，從生產(chǎn)加工的應用角度出發(fā)，構建了一個較為完備的可重構生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)模型。

1 FESTO教學虛擬生產(chǎn)線

FESTO公司的FMS教學虛擬生產(chǎn)線是一種模塊化結構，如圖1所示。包括供料單元、檢測單元、傳送單元、加工單元和成品分裝單元五個模塊。每個模塊既可獨立工作，也可以多個模塊配合工作，更重要的是可以根據(jù)需要進行模塊選擇及組合順序的多變設計，是一種典型的可重構柔性生產(chǎn)線。其控制系統(tǒng)以一臺中央計算機為中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、過程監(jiān)視及管理。該中央計算機使用WinCC 組態(tài)軟件，下位機是以多臺PLC 組管理器為核心，配以相應的傳感器、控制和驅動設備組成的現(xiàn)場設備控制系統(tǒng)。

圖1 FMS虛擬生產(chǎn)線

2 可重構生產(chǎn)線的控制策略

柔性生產(chǎn)線能否高效地運行，實現(xiàn)大幅度的柔性生產(chǎn)，取得預期的經(jīng)濟效益，主要取決于控制系統(tǒng)的合理的規(guī)劃及有效的設計。

根據(jù)該生產(chǎn)線的生產(chǎn)規(guī)劃及各模塊控制器的特點采用的分布式控制系統(tǒng)[2]，即基于PROFIBUS的FESTO 控制系統(tǒng)，其結構如圖2所示。

控制系統(tǒng)最上層是安裝有WinCC 的總控計算機，主要負責系統(tǒng)總體控制、監(jiān)視等；第二層為單元控制器，主要由內部資源實體組成，包括WinPISA、PLC、LOGO 三種控制器；最底層為設備控制器，包括傳感器及其各模塊的執(zhí)行元件。一方面，這些分布在不同層次上的控制實體具有獨立控制對象功能，實體的活動受上一層實體的監(jiān)視和協(xié)調，系統(tǒng)具有全局優(yōu)化能力，克服了采用完全分布式控制帶來的局部優(yōu)化缺陷。另一方面，同一層次的實體具有局部自治能力，他們互相合作，共同完成該層的各種活動，松弛了層次之間的“主一從”關系，具有相互合作，共同完成該層的各種活動。

圖2 控制系統(tǒng)結構示意圖

利用PLC的高可靠性、模塊化結構及編程簡單等特點，將其作為下位機完成實時采集和控制任務，利用PC友好的人機界面實現(xiàn)人機交互和監(jiān)視功能，并進行相關的輔助策略設計。PC上位機在通過數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)對兩個分散過程控制裝置的控制以及整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視的同時對生產(chǎn)結果進行統(tǒng)計和記錄。

控制系統(tǒng)中各個PLC站點使用PROFIBUS-DP總線通過DP口組成一個網(wǎng)絡，并使用CP56n卡和上位機通信。

3 基于PROFIBUS的FESTO控制系統(tǒng)的設計

該系統(tǒng)采用了一種基于現(xiàn)場總線PROFIBUS的柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)層次控制方式的局限性[3]。與其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于符合EN50170國際標準，經(jīng)實際應用驗證具有良好的穩(wěn)定性。

基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一個全分布式控制系統(tǒng)，它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并通過組態(tài)進一步構成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償算法、參數(shù)修改、報警、顯示、優(yōu)化以及測、控、管理一體化的綜合自動化功能。以智能傳感器、自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術為支撐。

3.1 PROFIBUS的拓撲結構

采用以PROFIBUS-DP 版本和典型的OP 配置為單主站結構，實現(xiàn)了高速通信連接和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯沃髡鞠到y(tǒng)[5]。主站與從站之間的通信基于主從原理，即主站向從站發(fā)出請求，按照站號順序輪詢從站。DP 通信通過連接集成在CPU上的DP口，CP342-5 或CP443 Extend 模塊來完成。傳輸?shù)膸У腖OGO設備（非西門子），由于支持標準DP協(xié)議，能夠提供GSD 文件，故也可也通過DP 協(xié)議進行通信。

同時，PROFIBUS-DP 能夠代替PLC /PC 與I/O之間昂貴的電線，傳輸1千字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時小于2ms ，減少了組態(tài)和維護費用，允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸。單主站和多主站網(wǎng)絡每個站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達2 科字節(jié)。以PROFIBUS-DP為基礎的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡示意圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)拓撲結構示意圖

該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可以分為現(xiàn)場控制層和過程控制層兩個部分。其中現(xiàn)場控制層采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，它是網(wǎng)絡集成的最底層，主要是連接現(xiàn)場設備，如分散式I/O、傳感器、驅動器、執(zhí)行器等。主站（PLC 、PC 等）負責總線通信管理及所有從站通信。過程監(jiān)視層由操作臺計算機和控制臺計算機組成。PLC 加以太網(wǎng)卡等組成工業(yè)以太網(wǎng)，操作臺計算機利用組態(tài)軟件WinCC 對工作現(xiàn)場的監(jiān)督控制，現(xiàn)場層將來自生產(chǎn)第一線的數(shù)據(jù)傳送到控制室，置于實時數(shù)據(jù)庫，進行控制及計算、動態(tài)顯示參數(shù)、報警及歷史數(shù)據(jù)保存；控制臺計算機將實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)送到服務器的關系數(shù)據(jù)庫中，進入保存和數(shù)據(jù)處理[4]。

連接在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上的站點按照它們之間的地址順序組成一個邏輯拓撲環(huán)，令牌只在上站之間順序傳遞，這是由特定的令牌幀定義的。獲得令牌的主站可以在擁有令牌期間對屬于它的從站進行發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)的操作。

3.2 FESTO物流系統(tǒng)通信方式及數(shù)據(jù)采集

FESTO 物流控制系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖4 FESTO控制系統(tǒng)結構圖

根據(jù)I/O 點的點數(shù)及其分布情況，F(xiàn)ESTO 物流系統(tǒng)采用一臺 PC機 作為上位監(jiān)視機運行監(jiān)視軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，過程監(jiān)視及管理，顯示和設定系統(tǒng)運行的各種參數(shù)。該中央計算機使用SIMATIC WinCC V6.0組態(tài)軟件，采用PROFIBUS 總線方式控制多臺下位機。下位機是以多臺S7-300系列PLC 組管理器為核心，配以相應的傳感器、控制和驅動設備組成的現(xiàn)場設備控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)使用WinCC 實現(xiàn)上位監(jiān)視系統(tǒng)和FESTO 物流系統(tǒng)的通信.并通過STEP7 軟件編程來實現(xiàn)對PLC 的控制.PLC 作為網(wǎng)絡上的主機，與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器相連的PROFIBUS總線設備作為從設備?，F(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器通過PROFIBUS 總線網(wǎng)絡和PROFIBUS 總線控制器與主機進行數(shù)據(jù)交換，主機與上位機可以單獨通過MPI/DP 接口交換數(shù)據(jù)。本文使用MPI口，將程序從上位機下載到各個S7-300西門子。然后，PLC控制系統(tǒng)中各個PLC 站點使用PROFIBUS-DP總線通過DP口組成一個網(wǎng)絡，并使用CP5611卡和上位機通信。PROFIBUS 接口為RS485 接口，連接電纜為PROFIBUS 電纜, 接頭帶有終端電阻。

FESTO 物流系統(tǒng)采用西門子的S7-300系列CPU313 作為控制系統(tǒng)的核心。其中供料單元、檢測單元及加工單元控制系統(tǒng)均采用西門子S7-300系列PLC 控制，傳送帶單元則由LOGO 控制,立體倉庫單元由WinPISA控制。這些PLC 模塊均提供MPI口和DP口。

3.3 PLC與上位計算機和PLC之間的通信

為了實現(xiàn)用計算機進行數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)視，就要解決PLC 與上位計算機的通信問題。

3.3.1 上位機和單臺PLC 的通信

本文在實現(xiàn)上位機和PLC 的通信時[6]，使用了集成DP口作為主站、CP作為從站的通信方式。首先，在Step7 中組態(tài)兩個S7-300 站，其中集成DP口選擇為主站模式，CP3I3 選擇為從站模式。然后在PROFIBUS-DP 的硬件列表下，選擇從站硬件組態(tài)中所選用的CP型號，拖拽到DP主站總線上，將該從站連接在主站建立的PROFIBUS 網(wǎng)上。

這里控制器CPU 的DP口編程口指S7-300/400CPU 上自帶的編程口，利用編程口通信是一種對通信速率要求不高，通信數(shù)量不大的通信方式。DP口通信利用PLC站S7-200/300/400和上位機（PG / PC）插卡CP56ll 的DP口進行數(shù)據(jù)交換。DP口接口為RS-485 接口，連接電纜為西門子提供的編程電纜

3.3.2 PLC 之間的通信

該系統(tǒng)PLC之間的通信采用全局數(shù)據(jù)包通信方式實現(xiàn)，這樣PLC之間的數(shù)據(jù)交換時，只需要關心數(shù)據(jù)的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)。在配置PLC 硬件的過程中，組態(tài)所要通信PLC 站之間的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)即可，不需要任何程序處理。通信時其數(shù)據(jù)包長度為S7-300最大為22 字節(jié)，S7-400最大為54字節(jié)，這種通信方式只適合S7-300/400PLC之間相互通信。

4 硬件組態(tài)

組態(tài)就是在確定PLC底板類型后，在該底板上安排電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、參數(shù)化的專用智能模塊等，并指定這些模塊的類型和數(shù)量，配置模塊的屬性，分配模塊在CPU中占據(jù)的地址等一系列的過程。實現(xiàn)硬件組態(tài)的工具主要采用STEP7軟件的標準軟件包中的HWCONFIG 硬件組態(tài)包。該軟件包以站的組織形式進行組態(tài)，它提供可視化的硬件組態(tài)工具、豐富的硬件模塊數(shù)據(jù)庫信息以及強大的組態(tài)功能。組態(tài)完畢后，必須將組態(tài)文件下載到PLC 的CPU 中。當可編程控制器運行后，CPU去比較實際的組態(tài)和在STEP7 中創(chuàng)建的組態(tài)，并隨時識別和報告組態(tài)錯誤。

5 編程控制及實驗運行驗證

控制系統(tǒng)設計完畢之后，根據(jù)工藝需求及各執(zhí)行元件的動作順序，對各接口進行地址分配。使用S7GRAPH 軟件進行程序編制并下載到相應的控制器中，通過調試驗證，各模塊動作執(zhí)行正確，其控制及監(jiān)控正常，如圖 5所示。

圖5 計算機控制計監(jiān)控界面

6 結論

根據(jù)該生產(chǎn)線各模塊控制器的特點，設計了合理的控制策略，通過設計上位機與PLC 通信、PLC 與PLC 之間通信以及對硬件的組態(tài)，實現(xiàn)了計算機對整個柔性生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集以及過程監(jiān)視。完成了基于PROFIBUS 的FESTO 可重構控制系統(tǒng)的設計。并通過運行驗證，其結果完全可行。

[1] 梁福軍,寧汝新.可重構制造系統(tǒng)理論研究[J].機械工程學報,2003,39(6).

[2] 李培根.張潔.敏捷化智能制造系統(tǒng)的重構與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002,120-122.

[4] 劉增輝.模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005,(7)：80-85.

[5] 林英蕓,楊煜善.在winCC中實現(xiàn)串行通信的兩種方法[J].電子測量技術,2006：29(2).

[6] SIEMENS S7系列PLC通信課程.科萊德科技開發(fā)有限公司.20-40.

TP278

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1009-0134(2010)10(下)-0016-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).05

2010-01-09

馬利云（1983 -），男，山西興縣人，碩士研究生，主要從事先進制造技術研究。