董庭瓊，高欽和，于傳強，劉麗紅

(1.第二炮兵工程大學，西安 710025;2.渭南高級中學，陜西 渭南 714000)

現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)，推動了氣動自動化技術的發(fā)展，促進了傳統(tǒng)的氣動技術和PLC 控制的更好融合。另外，基于現(xiàn)場總線的CPX 終端閥島技術的出現(xiàn)，使電氣控制與氣動控制達到完美結合，并在自動化領域里得到了廣泛應用。采用各相對獨立的氣動控制閥元件來控制執(zhí)行機構動作是傳統(tǒng)的氣動自動化實訓臺中氣動控制部分采取的方案，其元件安裝精度較低，安裝空間大，實訓臺的綜合性能差，實驗項目較少，給使用和學習帶來了極大不便，滿足不了日益發(fā)展的氣動自動化技術的實訓操作要求。因此，采用先進的自動化技術模擬自動化生產線的氣動實訓操作和提高實訓臺的綜合性已成為必然趨勢。

本文以基于現(xiàn)場總線Profibus-DP 的CPX 終端閥島作為氣動控制系統(tǒng)的核心元件，采用西門子S7 -300 可編程控制器來控制整個系統(tǒng)的運行過程。實驗證明該系統(tǒng)能夠滿足目前自動化生產線的實訓要求。

1 實訓臺系統(tǒng)硬件組成

實訓臺系統(tǒng)主要用于模擬自動化生產線上工件的自動搬運過程。系統(tǒng)采用西門子S7 -300 可編程控制器來控制整個系統(tǒng)運行過程，氣動部分采用德國FESTO 公司先進的基于Profibus-DP 總線的CPX 終端閥島替代傳統(tǒng)實訓臺中多個獨立的氣動控制閥來完成工作。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

1.1 電路部分

系統(tǒng)電氣部分主要由電源模塊、PLC、CPX 終端和Profibus-DP 電纜組成。電路部分結構如圖2 所示。

系統(tǒng)供電采用單獨的24 V 電源模塊，它具有輸入輸出完全隔離、保護功能完善、抗干擾能力強、質量輕、體積小、紋波低等特點，使用安全穩(wěn)定，便于實訓操作。

圖1 基于CPX 終端閥島的實訓臺

圖2 系統(tǒng)的電路結構

控制系統(tǒng)采用西門子公司的CPU，為313C -2DP 的S7-300 系列可編程控制器。他帶有Profibus - DP 主從站和MPI 的雙接口，與CPX 終端閥島連接方便，操作非常簡單，改變了傳統(tǒng)氣動控制系統(tǒng)中單根導線與控制閥和傳感器相連接的問題，減少了接線困難，以及接線容易出現(xiàn)錯誤但很難排查等問題。系統(tǒng)采用的PLC 帶有1 個微存儲卡(MMC)，系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)都存儲其中，不需要系統(tǒng)運行時，微存儲卡可以拔掉，方便用戶操作程序時保密;同時，該PLC 帶有系統(tǒng)啟動、停止、復位按鈕，操作簡單直觀［1-2］。

如圖3 所示，CPX 終端閥島是FESTO 公司CPX 終端與閥島的組合模塊。CPX 終端是1 個用于閥島的模塊化外圍系統(tǒng)，該系統(tǒng)是為使閥島能適應不同應用而特別設計的，由于所采用的是模塊化結構，因此用戶可根據(jù)實際應用配置適當數(shù)量的閥和輸入/輸出點。在不帶閥島的情況下，CPX 終端可用作遠程I/O 模塊。CPX 終端主要由總線接點模塊、I/O 模塊、氣動接口模塊3 部分組成，F(xiàn)ESTO 公司提供多種常用現(xiàn)場總線的節(jié)點模塊，如Profibus-DP、Interbus、DeviceNet、CANopen、CC-Link，也支持廣泛使用的以太網(wǎng)，這使CPX 終端的應用得到了很大程度的擴展，不僅其數(shù)據(jù)傳輸速度大幅度提高并具備實時能力，更重要的是增添了IT 服務所帶來的各種優(yōu)勢。本實訓系統(tǒng)中CPX 終端閥島采用的總線節(jié)點模塊是支持Profibus-DP 總線的CPX-FB13，帶有1 個16DI 數(shù)字量模塊、1 個8DI/8DO 數(shù)字量模塊和1 個用于MPA 的氣動接口。傳感器的信號直接與16DI 數(shù)字量模塊連接，閥島直接與氣動接口相連［3-6］。

Profibus-DP 電纜用于CP5611 與PLC 下載程序時的連接，以及PLC 與CPX 終端閥島的通信連接。其采用RS485 標準，兩端都有終端電阻，在組網(wǎng)的時候，終端電阻非常重要［3］。

1.2 氣路部分

系統(tǒng)氣動部分主要由CPX 終端閥島、氣動抓手、扁平氣缸、導向氣缸和無桿氣缸組成，系統(tǒng)的氣路圖如圖3 所示。

圖3 CPX 終端閥島結構

氣動控制部分采用FESTO 公司的MPA 閥島來控制多個類型的執(zhí)行元件氣缸，以完成抓取動作。系統(tǒng)中MPA 閥島包含6 片相同的二位五通帶手控開關的單側電磁先導控制閥和1 片二位四通帶手控開關的雙側電磁先導控制閥。其使用場合廣泛、操作方便、性能穩(wěn)定、簡潔直觀［7］。系統(tǒng)氣路見圖4。

圖4 系統(tǒng)氣路

氣動執(zhí)行元件使用了多種類型的氣缸，能夠豐富實訓臺的可利用設備，充分發(fā)揮系統(tǒng)的多種實訓功能。例如，可利用實訓臺，掌握多種氣動執(zhí)行元件的工作原理及安裝注意事項，保證實訓臺功能達到最優(yōu)。

2 實訓臺軟件開發(fā)平臺

實訓臺的軟件開發(fā)主要依托STEP7 軟件進行，而后通過CP5611 通訊卡將程序下載到PLC 中。系統(tǒng)軟件結構如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件結構

西門子CP 卡作為PG/PC 的系統(tǒng)接口，是TIA(totally integrated automation)全集成自動化的1 個重要網(wǎng)絡組件。CP5611A2 用作智能控制主站，可以PC 機作為控制主站，以支持PROFIBUS 或PROFINET 協(xié)議的子站做從站，結合SIMATIC NET 軟件，進行現(xiàn)場總線控制，而且還可提供程序下載。

STEP7 用于西門子系列工控產品，包括SMATIC S7、M7、C7 和基于PC 的WinAC，是供其編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具，是SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。

3 CPX 終端閥島在實訓臺中的應用

PROFIBUS 是Process Fieldbus 的縮寫，是面向工廠自動化和流程自動化的1 種國際性的現(xiàn)場總線標準。主要包含PROFIBUS-DP、ROFIBUS-FMS 和PROFIBUS-PA 共3 種類型。PROFIBUS-DP 是專為自動控制系統(tǒng)與設備級分散I/O 之間通訊而設計的，用于分布式控制系統(tǒng)設備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。使用Profibus-DP 可取代24V 直流電壓或4 ～20 mA 電流信號傳輸。PLC 和閥島、傳感器等之間利用Profibus-DP 總線進行主從之間的通訊控制，從而完成設定的實訓操作［8-9］。

3.1 CPX 終端閥島的參數(shù)設置

在系統(tǒng)電氣和氣動連接好后，就要對CPX 終端閥島的DIL 開關進行設置，如圖6 所示。

圖6 DIL 開關設置

CPX 終端閥島的DIL 開關處于總線節(jié)點模塊上，運行模式分為遠程I/O 和遠程控制器。若沒有在CPX 系統(tǒng)內集成FEC，則運行模式設為遠程I/O，否則設為遠程控制器。從站地址主要設置CPX 終端閥島在系統(tǒng)中的地址。本文中系統(tǒng)運行模式設置為遠程I/O，診斷模式為開啟狀態(tài)，CPX 終端閥島地址設置為3，因此DIL 運行模式的1、2 位都設為OFF，診斷模式開關設為ON，DIL 從站地址設置為:1、2 位為ON，3～7 位為OFF［10］。

3.2 CPX 終端閥島的軟件組態(tài)

在進行軟件組態(tài)之前，要在STEP7 軟件下安裝所需要的產品GSD 文件，而后在軟件環(huán)境下進行軟件組態(tài)，軟件組態(tài)要保證與硬件設置相符。其配置過程如下。

1)將FESTO CPX 終端閥島添加到Profibus-DP 總線上，如圖7 所示。

圖7 添加CPX 終端閥島

2)配置CPX 終端閥島的各模塊和地址，如圖8 所示。

圖8 配置CPX 終端閥島

3.3 系統(tǒng)的地址分配

整個系統(tǒng)中傳感器采用漫射式光電傳感器，可根據(jù)工作空間的需求進行調整。傳感器的靈敏度也是可調的，他可比較靈敏地檢測到執(zhí)行元件的狀態(tài)，而后傳送給CPX 終端閥島中的I/O 模塊。系統(tǒng)的輸出信號主要用來控制電磁閥，以此來控制各氣缸的工作。地址分配如表1 所示。

表1 地址分配

3.4 編程

程序框圖如圖9 所示。

圖9 程序流程

編好程序后，通過Rrofibus-DP 總線下載到PLC 中。

4 結束語

通過實驗，可看出采用CPX 終端閥島替代多個控制閥的連接，能使實訓臺的安裝更加簡潔，綜合性更強，并集成現(xiàn)在生產線上最先進的氣動自動化技術。系統(tǒng)可培養(yǎng)學生的動手能力，讓學生能夠初步了解掌握現(xiàn)場總線技術、閥島技術、PLC 的原理與結構。同時，本系統(tǒng)運用的是西門子公司的STEP7 進行程序開發(fā)，能夠使學生了解程序開發(fā)的基本流程和方法，系統(tǒng)可方便地設置多種故障，培養(yǎng)學生排除故障的能力，滿足實訓操作的要求。CPX 閥島的總線節(jié)點模塊可根據(jù)實際使用要求更換各種協(xié)議模塊，提供多種控制方式，其他部分不需要更改，節(jié)約經費開支，使實訓臺達到最大的使用效率。

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