邱 紅，嚴(yán)江云，張 韜，封光磊

QIU Hong, YAN Jiang-yun, ZHANG Tao, FENG Guang-lei

(沈機(jī)集團(tuán) 昆明機(jī)床股份有限公司，昆明 650203)

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，企業(yè)在市場(chǎng)上面臨越來越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。企業(yè)基于快速響應(yīng)市場(chǎng)變化、并同時(shí)滿足成本和質(zhì)量控制的需求，需要將整個(gè)工廠的生產(chǎn)流程和自動(dòng)化控制系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)，形成控制信息與管理信息對(duì)接、管控一體化的自動(dòng)化管理系統(tǒng)?；诖耍ッ鳈C(jī)床股份有限公司（簡(jiǎn)稱昆機(jī)）研發(fā)的精密箱體柔性制造系統(tǒng)FMS1600系統(tǒng)集成控制解決方案提出了通過構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PROFIBUS通信網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)雙層網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，組成連接設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層和企業(yè)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、信息共享、資源優(yōu)化的集成自動(dòng)化管理。

FMS設(shè)備層控制系統(tǒng)配置的西門子840D數(shù)控系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)提供了PROFIBUS-DP通信協(xié)議和更為優(yōu)化的 PROFIBUS-S7通信方式，以及內(nèi)嵌式以太網(wǎng)接口，為雙層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了硬件基礎(chǔ)條件。

1 FMS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

FMS1600精密洗箱體柔性制造系統(tǒng)解決方案中，將通信網(wǎng)絡(luò)分為三級(jí)：企業(yè)級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和設(shè)備級(jí)。三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)：用于企業(yè)的上層管理，為企業(yè)提供生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等數(shù)據(jù)，通過信息化的方式優(yōu)化企業(yè)資源。

圖1 FMS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)：介于企業(yè)級(jí)和設(shè)備級(jí)之間，包含PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)。PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)通信主要作用是解決物流控制系統(tǒng)主控PLC與設(shè)備層PLC控制系統(tǒng)之間控制信號(hào)的傳輸和通信，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求很高。PROFIBUS-DP協(xié)議是基于主-從原則的，本項(xiàng)目采用單主站網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)。物流控制系統(tǒng)的主控PLC和帶有CP5613A2通信網(wǎng)卡的WinCC上位機(jī)組成主控站，主要任務(wù)是控制物流系統(tǒng)從站設(shè)備，在數(shù)據(jù)交換階段，主站有規(guī)律地輪詢從站設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)7臺(tái)加工設(shè)備、物流小車、8套射頻識(shí)別系統(tǒng)組成物流系統(tǒng)的智能從站，接受主站對(duì)其初始化配置（設(shè)置參數(shù)和檢查組態(tài)），并以被輪詢的方式周期地與主站交換數(shù)據(jù)。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)用于FMS信息管理系統(tǒng)與物流控制系統(tǒng)之間、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖巧a(chǎn)計(jì)劃信息、加工系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)和加工程序數(shù)據(jù)，通過MCIS（Movement Control Information System）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FMS的信息與管理功能。

設(shè)備控制級(jí)：設(shè)備層的S7-300型PLC控制系統(tǒng)作為FMS的智能從站，通過現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的主控PLC系統(tǒng)，接受主控PLC的控制指令；而840D數(shù)控系統(tǒng)的HMI系統(tǒng)則通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息管理系統(tǒng)，為系統(tǒng)采集底層設(shè)備的信息數(shù)據(jù)、下載程序數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。

2 設(shè)備組態(tài)

組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具和方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的。一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。

本項(xiàng)目FMS集成了眾多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，需要通過組態(tài)方法統(tǒng)一到物流控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配、控制和管理。項(xiàng)目采用西門子STEP7組態(tài)軟件工具構(gòu)建物流主站系統(tǒng)與物流從站PLC控制系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)之間的通信連接。PLC控制系統(tǒng)采用通信模塊CP 342-5 DP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，射頻識(shí)別系統(tǒng)通過ASM456通信模塊與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通信模塊的特征信息需要通過GSD文件（General Station Description）創(chuàng)建設(shè)備鏈接， GSD描述文件包括通信參數(shù)、插入模塊數(shù)量及類型、模塊所處位置位、模塊參數(shù)和出錯(cuò)文本等信息。

圖2是使用STEP7軟件的“HW Config”工具設(shè)置S7-300 CP 342-5 DP通信模塊的方法:

圖2 通信模塊組態(tài)

物流主站控系統(tǒng)和從站控制系統(tǒng)均由S7-300 PLC擴(kuò)展CP342-5通信模塊組成，組態(tài)時(shí)將主站的”O(jiān)preting Mode”設(shè)置為“DP Master”（主站），將從站的”O(jiān)preting Mode”設(shè)置為“DP Salver”（從站）。鏈接完成后，通信模塊就被賦予PROFIBUS總線通信的IP地址，將組態(tài)數(shù)據(jù)下載到PLC系統(tǒng)，通信模塊自動(dòng)地由PLC系統(tǒng)參數(shù)化和組態(tài)，定義模塊的屬性（是否聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、底板連接MPI地址、通訊速率、是否DP主站或從站），初始化完成，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)循環(huán)交換。照此方法，逐一組態(tài)FMS現(xiàn)場(chǎng)7臺(tái)加工設(shè)備、物流小車、8套R(shí)FID系統(tǒng)為物流從站。硬件組態(tài)完成后，現(xiàn)場(chǎng)總線上所有設(shè)備的屬性也就隨之確定，形成如圖3所示的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)。

圖3中MAIN PROFIBUS總線是FMS設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信總線，加工單元OP10至OP70的網(wǎng)絡(luò)通信IP地址從101到107；小車XC的IP地址是108、主控站ZK是100， MOBY PROFIBUS是連接 RFID通信模塊ASM456的總線，其通信地址是92。至此總線上所有設(shè)備在通信結(jié)構(gòu)中的物理位置、IP地址都進(jìn)行了分配，完成了PROFIBUS通信的基礎(chǔ)構(gòu)架。

圖3 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 PROFIBUS-DP主—從站之間的通信實(shí)現(xiàn)

如前所述，項(xiàng)目PROFIBUS-DP總線的配置是主—從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)主站控制一組從站，總線通信方式是一個(gè)主站輪詢多個(gè)從站。并且PROFIBUSDP主站和從站都配置了通信模塊CP342-5，使用基于PROFIBUS-DP通信協(xié)議。 CP342-5與CPU上集成的DP接口不一樣，它對(duì)應(yīng)的通信接口區(qū)不是實(shí)際的輸入/輸出接口區(qū)（I區(qū)/Q區(qū)），而是虛擬通信區(qū)，需要通過通信功能模塊傳輸數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目主站編程FC5和FC6通信功能塊，從站編程FC105和FC106）功能塊，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)交換原理圖

主站虛擬緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)周期性地寫到從站的輸出通道上，周期性讀取的來自從站的數(shù)值存放在輸入緩沖區(qū)，整個(gè)過程是主站的CP342-5與從站的CP342-5之間自動(dòng)協(xié)調(diào)完成的，不需要再編寫數(shù)據(jù)交換程序，但是需要在主站PLC程序調(diào)用FC5和FC6建立通信接口區(qū)；從站的PLC控制程序中通過功能組織塊OB35周期性地調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送軟件功能塊FC105和數(shù)據(jù)接收軟件功能塊FC106，來讀寫CP342-5內(nèi)部緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。參數(shù)“SEND”和“RECV”指定的DP數(shù)據(jù)區(qū)可以是過程映像區(qū)（I/O）、存儲(chǔ)器區(qū)（M）、或數(shù)據(jù)塊（DB）區(qū)。

PLC控制程序要為數(shù)據(jù)發(fā)送軟件功能塊FC5(FC105) 的參數(shù)“SEND”指定需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，以便按照參數(shù)“SEND”指定的區(qū)域把數(shù)據(jù)傳送到CP342-5的輸出緩沖區(qū)。同樣，也要為數(shù)據(jù)接收軟件功能塊FC6( FC106 )的參數(shù)“RECV”指定接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收區(qū)，系統(tǒng)才能把從CP342-5的輸入緩沖區(qū)接收到的來自I/O的過程數(shù)據(jù)，存入?yún)?shù)“RECV”指定的CPU中的數(shù)據(jù)接收區(qū)。同時(shí)還要為FC5( FC105)和FC6( FC106 )通行功能塊設(shè)置數(shù)據(jù)傳送起動(dòng)條件，當(dāng)啟動(dòng)條件參數(shù)“DONE ”為1、錯(cuò)誤判定參數(shù)“ERROR ”和 數(shù)據(jù)傳送執(zhí)行結(jié)果參數(shù)“STATUS”為0時(shí)，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)被正確地傳送到了通信伙伴。網(wǎng)絡(luò)通信如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系

通信驗(yàn)證：通信驗(yàn)證程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 通信驗(yàn)證監(jiān)控圖

圖6所示FMS網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控分別在主控站和從站的控制程序中編程周期性組織塊FB135，每隔100ms將數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)的某個(gè)字（本項(xiàng)目是STAT3）的值增加一定的值（主控站為3，從站為4），當(dāng)監(jiān)控脈沖連續(xù)累加到參數(shù)IN1規(guī)定的數(shù)值（主控站為3，從站為4），說明與某個(gè)從站通信中斷，此時(shí)發(fā)出從站通信中斷的報(bào)警，進(jìn)行故障處理。

主從/站故障診斷項(xiàng)目通過編程診斷組織塊，對(duì)從站系統(tǒng)的電源丟失、變量表監(jiān)視、局部變量監(jiān)控、故障處理中斷等進(jìn)行監(jiān)控，防止某個(gè)從站的故障造成整個(gè)PROFIBUS主站系統(tǒng)停機(jī)。

圖7 故障監(jiān)控關(guān)系圖

圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)總線加工單元、物流小車單元、物流主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)各自完善的故障診斷控制程序，構(gòu)成對(duì)整個(gè)FMS網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的監(jiān)控，其監(jiān)控內(nèi)容如框圖中各OBxx功能塊說明。

4 工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)

在圖1中，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工業(yè)屏蔽雙絞線(Industrial Twisted Pair)ITP電纜，將現(xiàn)場(chǎng)加工單元和物流小車的人機(jī)操作系統(tǒng)、WinCC上位機(jī)系統(tǒng)通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)上，信息管理系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)之間的通信都通過交換機(jī)進(jìn)行。這種集中式控制策略，使得每個(gè)站的通信處理負(fù)擔(dān)很小，只需滿足點(diǎn)到點(diǎn)鏈路簡(jiǎn)單通信要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)的癱瘓。服務(wù)器置于中央控制室內(nèi)，通過硬件防火墻與內(nèi)部局域網(wǎng)相連，并且這是生產(chǎn)線局域網(wǎng)與公司內(nèi)部局域網(wǎng)的唯一通信接口。

網(wǎng)絡(luò)配置：MCIS網(wǎng)絡(luò)IP地址分配使用C級(jí)地址，分配的格式為192.168.1.y。其中y表示網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的編號(hào)。如表1所示。

表1 設(shè)備編號(hào)

系統(tǒng)通過通用參數(shù)和機(jī)床網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，設(shè)置通信參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)組信息和底層設(shè)備的IP地址。通過信息管理系統(tǒng)FMS實(shí)現(xiàn)了以下管理功能：

1）設(shè)備的分析：機(jī)床利用率和機(jī)床組利用率分析。

2）設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和加工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

3）工件管理：弓箭類型、加工件數(shù)和加工時(shí)間節(jié)拍統(tǒng)計(jì)。

4）工廠日歷管理：工作日類型和工作班次類型統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

基于PROFIBUS-DP總線和以太網(wǎng)總線技術(shù)，分層構(gòu)建了FMS雙總線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在加工設(shè)備和小車運(yùn)輸設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)與物流控制系統(tǒng)之間、控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)之間搭建了網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，通過這個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了FMS系統(tǒng)全自動(dòng)化的集成控制功能，實(shí)現(xiàn)了控制信息與管理信息對(duì)接、管控一體化的自動(dòng)化管理功能，通過預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展接口，為用戶將FMS工業(yè)控制網(wǎng)接入企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FMS柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控和管理奠定了基礎(chǔ) 。

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