（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 長沙 410208）

基于PROFINET技術(shù)的柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉德玉

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 長沙 410208）

本文以湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化生產(chǎn)線、西門子技術(shù)中心實(shí)訓(xùn)室為依托，利用現(xiàn)場(chǎng)層控制器與控制層控制器本體上的PROFINET通信接口功能，實(shí)現(xiàn)PROFINET開放式“ISO-ON-TCP”通信，通過PROFINET技術(shù)管理協(xié)調(diào)行車運(yùn)送站、底盒加裝站、加蓋操作站、插銷固定站、恒溫噴涂站、物料檢測(cè)站、物料分揀站和物料倉儲(chǔ)站等8個(gè)功能單元站的柔性生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集與控制信息實(shí)時(shí)傳遞，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)數(shù)字化、信息化、智能化，使工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET在柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中得以應(yīng)用。

柔性生產(chǎn)線；PROFINET；實(shí)訓(xùn)

近幾年來，柔性生產(chǎn)制造的研究，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)成為柔性制造的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其與以前的CC-link、CAN、PROFIBUS-DP等現(xiàn)場(chǎng)總線比較，通信速率要高很多，更具有集中管理功能。因此，工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)大力推行工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。而高職院校所教學(xué)的自動(dòng)化生產(chǎn)線都是CC-link、PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，如THMSZC-2A、YL-335B等實(shí)訓(xùn)設(shè)備。本文從柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)出發(fā)，模擬企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET在柔性生產(chǎn)線中的應(yīng)用。

1 柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的總體構(gòu)成

本柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是依托湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的自動(dòng)化生產(chǎn)線、西門子技術(shù)中心為基礎(chǔ)。利用紅、黃、藍(lán)3種顏色的塑料組合工件為載體，模擬企業(yè)把客戶對(duì)組合工件的需求信息，用客戶代碼、工件類型和生產(chǎn)數(shù)量等信息，輸入到柔性生產(chǎn)線中，生產(chǎn)過程中，按上料、加蓋、插銷、恒溫噴涂、顏色檢測(cè)、分揀、倉儲(chǔ)和搬運(yùn)等8個(gè)工序進(jìn)行，生產(chǎn)過程中，根據(jù)客戶的要求，隨時(shí)動(dòng)態(tài)更改生產(chǎn)工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示客戶的生產(chǎn)信息與進(jìn)度，并進(jìn)行加工過程的動(dòng)畫跟蹤。

柔性生產(chǎn)線是企業(yè)的核心設(shè)備，從現(xiàn)場(chǎng)到控制，管理，是個(gè)完整的實(shí)時(shí)控制管理網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)調(diào)研和分析湖南主要企業(yè)的控制器使用情況，本系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和運(yùn)行管理層?？刂品桨笀D見圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)層的從站測(cè)控裝置采用西門子新一代的小型可編程控制器S7-1200(CPU1214C)，完成以太網(wǎng)通信向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)延伸控制，完成工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集與生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制與反饋?？刂茖拥目刂破鞑捎梦鏖T子S7-300PLC（CPU315T-2PN/DP），進(jìn)行PROFINET通信的協(xié)調(diào)工作，完成8個(gè)不同的工藝站點(diǎn)的工作協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)處理工作。運(yùn)行管理層采用西門子SIMATIC WINCC V7.0監(jiān)控組態(tài)，完成基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的柔性生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的用戶登錄、工藝參數(shù)的設(shè)置、整體的實(shí)時(shí)動(dòng)畫監(jiān)控等功能。實(shí)現(xiàn)各層之間數(shù)字化管理控制。

圖1 柔性生產(chǎn)線控制方案圖

2 柔性生產(chǎn)線程序設(shè)計(jì)

2.1 PROFINET通信設(shè)計(jì)

西門子可編程控制器S7-300（CPU315T 2PN/ DP）和S7-1200 CPU（CPU 1214C）都自帶有以太網(wǎng)通信接口，此接口支持三種通信協(xié)議及服務(wù)：TCP；IS0 on TCP（RCF 1006）和S7通信，本文采用的通信協(xié)議為ISO ON TCP。

ISO-on-TCP協(xié)議是基于TCP的ISO傳輸服務(wù)的協(xié)議，能夠在TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)中將ISO應(yīng)用進(jìn)行移植，高效的與硬件建立緊密的通信關(guān)系，適用于中等或較大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)通信，有效的動(dòng)態(tài)長度數(shù)據(jù)傳輸，方便控制。S7-1200和S7-300兩款CPU都提供了開放式TCP/IP通信功能塊：TCON、TSEND、TRCV和TDISCON。通過通信指令的有機(jī)協(xié)調(diào)，完成ISO-ON-TCP通信。本系統(tǒng)管理平臺(tái)采用的CPU315T-2 PN/DP，此CPU具有通用的“ISO-on-TCP”通信協(xié)議，可以同時(shí)連接8個(gè)通信伙伴，剛好滿足系統(tǒng)組網(wǎng)需要，每個(gè)連接伙伴通過IP地址來識(shí)別。通過更改連接數(shù)據(jù)塊中的IP地址，通過相同的連接資源，實(shí)現(xiàn)行車機(jī)械手單元、上料落料單元、加蓋單元、插銷單元、噴涂單元、檢測(cè)單元、分揀單元、物流倉儲(chǔ)單元和管理平臺(tái)等單元的數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤。

2.2 PROFINET通信測(cè)試

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)，需要教學(xué)內(nèi)容需要由淺入深，為了驗(yàn)證通信程序的正確性和方便理解程序，確立了一個(gè)生產(chǎn)測(cè)試要求：通過從PC監(jiān)控系統(tǒng)中的下單界面，確立多客戶的生產(chǎn)任務(wù)，經(jīng)PROFINET下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳情況，并規(guī)定通信程序的測(cè)試時(shí)間為4天。以驗(yàn)證通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。從測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，從任務(wù)的下達(dá)，至客戶生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)反饋，都已實(shí)現(xiàn)，并通過4天的連續(xù)測(cè)試，確定PROFINET通信穩(wěn)定、實(shí)時(shí)效果好、數(shù)據(jù)反饋及時(shí)和通信的吞吐量大，達(dá)到柔性生產(chǎn)線的通信功能設(shè)計(jì)要求。

2.3 柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的管理平臺(tái)是生產(chǎn)線的核心，負(fù)責(zé)整體的協(xié)調(diào)與管理工作。如圖4管理單元程序流程圖所示，管理單元首先接收PC監(jiān)控系統(tǒng)或HMI人機(jī)交互系統(tǒng)的客戶生產(chǎn)信息，經(jīng)FB3數(shù)據(jù)處理程序，進(jìn)行客戶的生產(chǎn)任務(wù)歸檔和生產(chǎn)任務(wù)的分配工作；經(jīng)FB1通信模塊，有序、按時(shí)的下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)和啟停信息給8個(gè)功能單元。生產(chǎn)過程中，各功能單元把當(dāng)前生產(chǎn)的客戶代碼、生產(chǎn)的產(chǎn)品類型、產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果等生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，如表1、表2所示的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)與接收數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)定義，按照客戶生產(chǎn)信息輸入的先后順序關(guān)系、產(chǎn)品數(shù)量及類型，依照先入先出的原則，自動(dòng)完成客戶的生產(chǎn)任務(wù)，并把生產(chǎn)過程中的良品和不良品、產(chǎn)品種類、各客戶生產(chǎn)狀態(tài)等生產(chǎn)信息，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)反饋給管理單元存檔，方便管理層進(jìn)行信息化、數(shù)字化、智能化、人性化、個(gè)性化的智能生產(chǎn)管理。

圖2 自定義的歸檔數(shù)據(jù)類型

圖3 加蓋單元的數(shù)據(jù)歸檔實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖4 管理單元程序流程圖

根據(jù)表1和表2所確定的生產(chǎn)交互信息，按程序流程圖的設(shè)計(jì)步驟，依據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思維，完成柔性生產(chǎn)線工業(yè)以太網(wǎng)的程序設(shè)計(jì)，并完成功能單元管理單元的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了功能單元的邏輯控制與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集反饋，管理單元與功能單元的數(shù)據(jù)處理與協(xié)調(diào)管理工作，實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)字化操作。

表1 通信數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)域的信號(hào)說明

表2 通信數(shù)據(jù)接收區(qū)域的信號(hào)說明

3 柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)人機(jī)交互的操作運(yùn)行平臺(tái)，監(jiān)控運(yùn)行平臺(tái)與管理單元的控制器通過PROFINET相連接，使操作工人和管理人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的輸入，實(shí)時(shí)觀測(cè)到柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)信息，包括客戶代碼、已完成的工件數(shù)、產(chǎn)品合格與不合格數(shù)、每個(gè)單元環(huán)節(jié)的生產(chǎn)情況等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息，并根據(jù)生產(chǎn)的一線信息，通過監(jiān)控管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)線的啟停、修改生產(chǎn)工藝參數(shù)。柔性生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)包括HMI人機(jī)交互與PC監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，具有用戶等登錄、實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警等功能。

如圖5、圖6所示，監(jiān)控管理系統(tǒng)的生產(chǎn)線監(jiān)控分為主界面和8個(gè)功能單元的獨(dú)立監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶生產(chǎn)信息和生產(chǎn)任務(wù)情況。功能單元的獨(dú)立監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)步驟動(dòng)畫實(shí)時(shí)跟蹤。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主界面的實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖6 加蓋單元的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，已經(jīng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)通過功能測(cè)試和安全性測(cè)試，結(jié)果表明PROFINET通信穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性能優(yōu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、功能完善、符合當(dāng)前柔性生產(chǎn)線工作的需要。從測(cè)試的結(jié)果和通信的穩(wěn)定性可以看出，生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了柔性管理、智能管理、數(shù)字化管理、圖形化管理，系統(tǒng)集成管理等功能。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中，從生產(chǎn)信息的輸入，到成品的倉儲(chǔ)，生產(chǎn)信息的檢測(cè)，到數(shù)據(jù)的處理，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的系統(tǒng)調(diào)試、設(shè)計(jì)都有一個(gè)很好的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。良好的動(dòng)畫監(jiān)控效果，對(duì)學(xué)生有很好的教學(xué)吸引，有效提高了自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)、機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的教學(xué)效果。

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TP273；TH165

A

1671-0711（2017）04（上）-0113-03

湖南省教育廳科學(xué)研究（13C223）項(xiàng)目。