李新新

(1.河南科技大學，河南 洛陽 471000；2.平高集團有限公司，河南 平頂山 467000)

柔性生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)的研究與改造

李新新1，2

(1.河南科技大學，河南 洛陽 471000；2.平高集團有限公司，河南 平頂山 467000)

依托河南省某高職院校現(xiàn)有的自動化生產(chǎn)線實訓平臺，通過對自動化生產(chǎn)線各個工作站控制系統(tǒng)的整合與升級及通信站點的聯(lián)結(jié)，將該自動化生產(chǎn)線升級改造為基于PLC S7-300控制器，以ProfiBUS總線進行通訊的柔性生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)。

柔性生產(chǎn)線、實訓系統(tǒng)、S7-300控制器、ProfiBUS總線

The Research and Reform of Training System on Flexible Production Line

概述

自1954年美國麻省理工學院第一臺數(shù)控銑床誕生后，70年代初柔性自動化進入了生產(chǎn)實用階段。幾十年來，從單臺數(shù)控機床的應用逐漸發(fā)展到柔性制造單元、柔性生產(chǎn)線和計算機集成制造系統(tǒng)，使柔性自動化得到了迅速發(fā)展。柔性生產(chǎn)線是一種技術(shù)復雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學、計算機和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾。

本文依托河南省某高職院?，F(xiàn)有的自動化生產(chǎn)線實訓室，通過對自動化生產(chǎn)線各個工作站控制系統(tǒng)的整合與升級及通信站點的聯(lián)結(jié)，將該自動化生產(chǎn)線升級改造為基于PLC S7-300控制器，以ProfiBUS總線進行通訊的柔性生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)。

1. 柔性生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)總體設計

1.1 設計思想

本課題柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)是以工業(yè)生產(chǎn)型自動化裝配生產(chǎn)線為基礎改造開發(fā)出的教學實訓裝置。該裝置采用鋁合金結(jié)構(gòu)件搭建主、從站的主體架子，控制部分的器件選型主要以西門子公司的產(chǎn)品為主。為了使裝配任務方便可行，對亞龍YL-335B實訓裝置升級改造的具體要求如下：

(1)針對電氣控制部分改造，體現(xiàn)技術(shù)的先進性及實用性；

(2)裝置的機械部分不變；

(3)裝置的工藝流程基本不變；

(4)改造費用盡可能低，可開發(fā)的新的實訓項目盡可能多樣。

該控制系統(tǒng)基于PLC與PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，由組態(tài)監(jiān)控單元、S7-300主站、S7-200從站組成，可實現(xiàn)原料出庫、材料檢測、分揀、加工、裝配、顏色檢測、廢品入庫、零件入庫整個生產(chǎn)過程的自動控制與組態(tài)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)布局

亞龍YL-335B型自動生產(chǎn)線實訓考核裝備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺上的送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元5個單元組成。其中，每一工作單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構(gòu)基本上以氣動執(zhí)行機構(gòu)為主，但輸送單元的機械手裝置整體運動則采取伺服電機驅(qū)動、精密定位的位置控制，使該驅(qū)動系統(tǒng)具有長行程、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。分揀單元的傳送帶驅(qū)動則采用了通用變頻器驅(qū)動三相異步電動機的交流傳動裝置。

1.3 系統(tǒng)控制方案

隨著企業(yè)自動化水平的不斷提高，控制系統(tǒng)復雜程度不斷加大，小型PLC控制器的使用日漸弊端，有逐漸被中、高性能的PLC取代的趨勢，作為一所注重學生職業(yè)技能培養(yǎng)的高職院校，必須適應當今技術(shù)市場的變化，培養(yǎng)出高素質(zhì)高技能型優(yōu)秀技術(shù)人才，以滿足企業(yè)的需求。

使用S7-300 PLC和S7-200 PLC作為主從控制器，控制方案如圖1所示。

圖1 控制方案

S7-300 PLC作為主站控制器，擴展多個S7-200 PLC作為從站控制，通過主從站數(shù)據(jù)交換，達到對系統(tǒng)控制的目的。主站PLC控制伺服驅(qū)動器，從而實現(xiàn)對輸送站機械手裝置的定位控制；通過其和觸摸屏的數(shù)據(jù)交換，接收觸摸屏發(fā)出的信號，通過內(nèi)部程序控制發(fā)出相應的控制信號；同時，主站PLC能夠向觸摸屏提供相應的數(shù)據(jù)，完成對裝置的狀態(tài)監(jiān)視。從站PLC接收傳感器、操作按鈕等裝置上的輸入信號，通過其內(nèi)部程序控制主站發(fā)出的控制信號，完成對被控對象的控制。

2. ProfiBUS現(xiàn)場總線的系統(tǒng)設計

PROFIBUS-DP是PROFIBUS現(xiàn)場總線系列中應用最為廣泛的一種，使用了ISO/OSI通信標準模型的第一層和第二層，用于現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)高速低成本通信，特別適合可編程控制器與現(xiàn)場分散I/O設備之間的通信。因此，選用PROFIBUS-DP作為現(xiàn)場通信總線。

2.1 主從站設計

選用PLC S7-300作為系統(tǒng)的一類DP主站，負責總線的通信管理與從站的數(shù)據(jù)讀寫。個人計算機作為系統(tǒng)的監(jiān)控站，通過CP5611網(wǎng)卡接入DP總線，但不進行硬件組態(tài)，只是以總線方式與S7-300進行通訊，讀取S7-300中的數(shù)據(jù)，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控功能。該結(jié)構(gòu)類型下，若PC機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍然能夠正常運行，只是失去了監(jiān)控功能。

根據(jù)該柔性制造系統(tǒng)的功能要求，從站均選用S7-200系列可編程控制器CPU-226-CN。該系列PLC不具備PROFIBUS通信接口，需通過DP擴展從站模塊EM277連接至PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。EM277經(jīng)過串行1/0總線連接至CPU-226-CN，為CPU-26-CN提供DP通信端口，并且接受主站的FO組態(tài)，向主站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，讀寫S7-200CPU中定義的變量數(shù)據(jù)塊，使其能與主站交換任何類型的數(shù)據(jù)。

2.2 通信的實現(xiàn)

要實現(xiàn)S7-300 PLC通過Profibus-DP控制S7-200PLC，必須外加EM277通信模塊，由于S7-200 PLC本身不帶DP 口，必須通過外掛DP的模塊EM277來轉(zhuǎn)換。

圖2表示有兩個CPU 224和一個EM277 PROFIBUS-DP組建的PROFIBUS網(wǎng)路。在圖中，CPU-315-2是DP主站，并且已通過一個帶有STEP7編程軟件的SIMATIC編程器進行組態(tài)，兩個CPU 224是CPU 315-2所擁有的兩個DP從站。主站DP口與EM277模塊通過DP電纜相連接，提供數(shù)據(jù)交換的通道，而EM277與S7-200 PLC數(shù)據(jù)的交換經(jīng)過串行I/O總線。

圖2 S7-300 PLC和S7-200 PLC組建的PROFIBUS-DP網(wǎng)路

2.3 硬件配置與組態(tài)

在新的控制系統(tǒng)中，用帶有DP口的西門子S7-314C-2DP PLC代替輸送站中的CPU 226CN，作為一級主站，原來放在輸送站的觸摸屏由于沒有DP口，需要采用MPI通信與主站進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)配置清單見表1。

表1 自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)改造設備配置清單

系統(tǒng)組態(tài)分為硬件組態(tài)和網(wǎng)絡組態(tài)，硬件組態(tài)是根據(jù)實際硬件結(jié)構(gòu)確定各個網(wǎng)絡接點模塊配置，網(wǎng)絡組態(tài)主要是確定各個接點地址和通信參數(shù)等。

3. 系統(tǒng)控制程序設計

在該控制系統(tǒng)中，程序設計的內(nèi)容包括：主站PLC程序、各從站PLC程序及觸摸屏程序。本部分內(nèi)容僅以供料站的實現(xiàn)過程為例，完成程序的設計。

圖3 主站PLC程序

供料站設有兩種控制模式，分別為：單機操作和聯(lián)機操作。在對主站與從站PLC程序編制的過程中，需要確定主站與從站數(shù)據(jù)交換的地址。地址的確定在硬件組態(tài)的過程中完成，在EM277上添加兩字節(jié)的數(shù)字量的輸入和輸出模塊，地址為VB0～VB1和VB2～3，對應到S7-314C-2DP PLC地址為QB2～QB3和IB3～IB4。在對從站主程序進行設計時，需要對操作模式進行選擇，確定工作模式。依次進行初始化操作、初始狀態(tài)檢查、準備就緒、運行狀態(tài)和停止狀態(tài)。在聯(lián)機操作模式下，運行及停止信號來自于觸摸屏上的操作按鈕。編制完成的程序如圖3所示。4. 系統(tǒng)調(diào)試與運行

系統(tǒng)調(diào)試前期可選用仿真軟件進行模擬實驗，檢驗程序的正確性，以便及時發(fā)現(xiàn)存在的錯誤，避免錯誤操作帶來的損失，有效地縮短后期調(diào)試時間。前期調(diào)試包括主站前期調(diào)試和從站前期調(diào)試。

仿真軟件只能模擬可編程控制器的部分指令與功能，因此，還必須對柔性制造系統(tǒng)進行后期調(diào)試，以確保系統(tǒng)能按控制要求正確運行。系統(tǒng)后期調(diào)試主要包括對硬件電路的連接與調(diào)試和PLC程序功能實現(xiàn)的調(diào)試。

調(diào)試時，最關(guān)鍵的是對故障進行分析與診斷，通過對外圍線路或系統(tǒng)進行正常檢測來確定故障的有無，找出故障的具體位置，從而排除故障，恢復系統(tǒng)正常的運行。柔性制造系統(tǒng)在運行調(diào)試時遇到的主要故障可概括為兩類:系統(tǒng)無法啟動、系統(tǒng)非正常運行。

經(jīng)過實驗實訓教學組織與管理的實踐證明該柔性自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)的現(xiàn)場運行達到設計要求，軟硬件設備運行正常，實驗數(shù)據(jù)正常，各實訓項目的教學均收到了預期效果，實訓系統(tǒng)達到了升級改造的目的。

5. 結(jié)束語

對實訓平臺的改造將工業(yè)主流生產(chǎn)技術(shù)融入了實訓教學裝置，組建了先進的柔性自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)，實現(xiàn)了工業(yè)自動化生產(chǎn)現(xiàn)場的真實模擬；形成了模塊化控制，各從站采用獨立的PLC控制，可自由選擇從站單獨運行或由主站控制運行；擴充了設備通信與數(shù)據(jù)交換功能，實時性增強，同時便于用戶及時發(fā)現(xiàn)故障原因并排除故障，進一步提高了該裝置的利用率和工作效率。本課題對類似實訓室的研發(fā)和中小型企業(yè)自動生產(chǎn)線的升級改造具有重要的借鑒意義。

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[2]陳宇.PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線電纜的本質(zhì)安全技術(shù)的探究[J].科技創(chuàng)新與應用.2014(22)

[3]李若明.Profibus通信技術(shù)在精細化工生產(chǎn)控制中的應用[J].自動化儀表.2013(05)

[4]楊磊，基于PLC的柔性自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)的研究與設計[D].山東：曲阜師范大學，2010

[5]郭秋香，張兄華.基于西門子PLC S7—300和Profibus—DP總線技術(shù)在水泥灌裝系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用.2011(16)

LI Xin-xin1，2

(1. Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan, 471000;2. Pingao Group Co., Ltd., Pingdingshan Henan, 467000)

Based on the automatic production line training rooms in a higher vocational college of Henan province, this paper is focused on the research and reform of training system on flexible production line. The main contents are the integration and upgrade of the control system of each workstation and the links of the communications site. The reformed production line is flexible and controlled by the PLC S7-300 controller based on the communication of ProfiBUS.

flexible production line; training system; S7-300 controller; ProfiBUS

2015-11-09

李新新(1981- )，男，河南科技大學測控技術(shù)與儀器儀表專業(yè)在職研究生，研究方向為儀器儀表工程。

TH165

A

1671-3974(2016)01-0063-03