李 強(qiáng)，申曉園

（江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著近年來工業(yè)4.0 推動自動化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，總線通訊技術(shù)應(yīng)用更加成熟，尤其是德國西門子公司推出Profibus DP總線，以其高可靠性及高傳輸速度成為應(yīng)用十分廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)。本項(xiàng)目根據(jù)國內(nèi)某重型汽車公司的新廠區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)劃需要，組建一個汽車底盤加工生產(chǎn)線。整個生產(chǎn)線的源頭是一臺進(jìn)口開卷輥壓機(jī)，第1 步將卷板坯料加工成為U型槽鋼，第2步為打碼標(biāo)識，第3 步為沖孔加工，第4 步為等離子切割，第5步為縱梁折彎，每一環(huán)節(jié)的板料運(yùn)輸由遍布車間的物流行吊機(jī)構(gòu)完成，如圖1 所示。為適應(yīng)全面覆蓋整個工廠車間實(shí)現(xiàn)自動化的需要，選擇應(yīng)用Siemens Profibus DP總線作為貫穿整個項(xiàng)目的經(jīng)脈。

圖1 自動化工廠布局

整個自動化車間由多家企業(yè)共同承擔(dān)，協(xié)作完成，筆者公司負(fù)責(zé)圖中的第2 和3 區(qū)域的汽車縱梁沖孔機(jī)部分，以2區(qū)共計(jì)6臺單機(jī)設(shè)備為例，分別由6套獨(dú)立的FANUC 0i系統(tǒng)控制。遍布整個自動生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的物流行吊機(jī)構(gòu)由第三方廠家通過西門子S7-315DP 實(shí)現(xiàn)控制。每一臺獨(dú)立的汽車縱梁沖孔機(jī)都作為整個自動生產(chǎn)線的獨(dú)立執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元，只與總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，單機(jī)之間互不影響。因此，本次項(xiàng)目工作分為單機(jī)調(diào)試階段和聯(lián)網(wǎng)通訊調(diào)試階段，在此對單機(jī)調(diào)試內(nèi)容略過。

1 通訊框架結(jié)構(gòu)

將6臺FANUC 0i 控制的單機(jī)設(shè)備通過選用Profibus DP從站模塊，與一套西門子S7-315DP 模塊作為主站，組成一套獨(dú)立的Profibus DP總線結(jié)構(gòu)，再通過Profibus DP Coupler耦合器，與物流行吊機(jī)構(gòu)的西門子S7-315DP 模塊作為主站，組成的另一套Profibus DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

主要元器件構(gòu)成如表1和表2所示。

表1 FANUC關(guān)聯(lián)部分

表2 Siemens整套部分

硬件組成分布如圖2所示。

圖2 總線結(jié)構(gòu)示意圖

2 FANUC端Profibus通訊設(shè)置

訂貨帶有Profibus DP Slave 功能的FANUC 0i 系統(tǒng)單元，按照圖2的連接順序，組成Profibus DP通訊總線結(jié)構(gòu)，單機(jī)的總線接口位于CNC單元后面，如圖3所示。

首先需要分別為每一臺FANUC從站系統(tǒng)設(shè)置不同的站點(diǎn)號，為使6臺相同的單機(jī)設(shè)備應(yīng)用同一套PMC程序，必須統(tǒng)一相同的數(shù)據(jù)通訊地址。在本項(xiàng)目中，6 臺FANUC系統(tǒng)從站號設(shè)定為7、8、9、10、11、12，接收信號地址從R4100 開始，發(fā)送信號地址從R4200開始，長度都為64 字節(jié)，如圖4和圖5所示。因此，在單機(jī)的FANUC 系統(tǒng)PMC 中，只需要對R4100和R4200開始的64字節(jié)進(jìn)行處理，即可實(shí)現(xiàn)與物流行吊機(jī)構(gòu)的西門子PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊［1-2]。

圖3 FANUC 0i 的Profibus DP插件單元

圖4 FANUC 0i 的Profibus DP從站地址設(shè)置

圖5 Fanu0805. gsd文件

3 Siemens端Profibus通訊設(shè)置

根據(jù)Profibus DP通訊的需要，F(xiàn)ANUC提供Fanu0805.gsd從站文件，由此文件中獲取從站的設(shè)備版本號、定義支持的協(xié)議、設(shè)備類型、設(shè)備硬件及軟件版本號、ID、支持的波特率、信息長度、診斷信息含義、輸入/輸出模塊可選范圍等。“Module =＂ 64 Byte Out，64 Byte In＂ 0xC0，0x3F，0x3F”，對應(yīng)FANUC的從站定義為64 位輸出/64 位輸入。將此文件存放于Siemens Step7軟件安裝指定GSD文件區(qū)域內(nèi)，即可在進(jìn)行西門子硬件組態(tài)時，在硬件選項(xiàng)列表中直接調(diào)用。

通過西門子S7-315DP組成Profibus DP總線的硬件配置，通過Step7 軟件完成各模塊的軟件組態(tài)，如圖6所示。

圖6 西門子Step7 配置組態(tài)結(jié)構(gòu)

在本項(xiàng)目中，單機(jī)設(shè)備的控制完全由FANUC 0i系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用Siemens S7-315DP 不控制任何實(shí)際機(jī)床設(shè)備的動作，其作用只是將6 臺單機(jī)設(shè)備組成一套Profibus DP 總線網(wǎng)絡(luò)，然后通過DP-Coupler 耦合器與物流行吊機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Profibus DP 總線與Profibus DP 總線之間的數(shù)據(jù)通訊。在每個從站中分別設(shè)置通訊部分輸入輸出地址，如圖7所示。

圖7 西門子Step7 配置各單元輸入輸出地址段

采用“Consistent”類型的數(shù)據(jù)，PLC 自身數(shù)據(jù)按時間戳發(fā)送，因此必須調(diào)用SFC14 和SFC15 以保證兩個Profibus 網(wǎng)絡(luò)之間的所有對應(yīng)數(shù)據(jù)通訊都在一個周期內(nèi)完成。

SFC14：讀取DP標(biāo)準(zhǔn)從站連續(xù)數(shù)據(jù)。

SFC15：向DP標(biāo)準(zhǔn)從站寫入連續(xù)數(shù)據(jù)。

至此，通訊設(shè)定和硬件組態(tài)工作基本完成，F(xiàn)ANUC可與Siemens S7-315DP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

4 DP-Coupler

DP-Coupler 模塊用于連接兩個Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)，以便在這兩個主站網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)通訊區(qū)最高可以達(dá)244 字節(jié)輸入和244 字節(jié)的輸出。在此方案中，正是利用DP-Coupler模塊將S7-315 和8 臺縱梁沖孔機(jī)組成的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與物料行吊單元的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行縱梁的型號和工藝等數(shù)據(jù)的交換。

圖8 西門子S7-315 和DP/DP-Coupler

圖8所示為項(xiàng)目現(xiàn)場的西門子S7-315和DP/DP-Coupler的硬件安裝，組成1＃Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場所有的Profibus線纜連接就緒之后，務(wù)必注意要將Profibus 連接的首站和尾站插頭上的終端電阻開關(guān)撥到ON，而中間所有插頭全部撥到OFF。圖9所示為項(xiàng)目現(xiàn)場的物料行吊機(jī)構(gòu)的西門子S7-315和其從站的硬件安裝，組成2＃ Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。

圖9 物料行吊的西門子S7-315

對于DP/DP Coupler 連接的兩個網(wǎng)段，通訊速率可以不受限制，非常適用于不同通訊速率的兩個Profibus-DP主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。但是對于通訊數(shù)據(jù)區(qū)，1＃ Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)^(qū)必須和2＃ Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)的輸出區(qū)完全對應(yīng)，同樣2＃ Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)^(qū)必須和1＃ Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的輸出區(qū)完全對應(yīng)，否則會造成通訊故障。

5 編制FANUC系統(tǒng)PMC程序

受制于篇幅所限，在此只截取關(guān)鍵片段。對于總線通訊，只涉及連續(xù)數(shù)據(jù)的交換，而無任何單個動作的觸發(fā)，因此，可全部整合為字型或雙字型連續(xù)數(shù)據(jù)，以便于簡化編程。然后，在PMC程序中對收發(fā)的字型或雙字型連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分離出客戶產(chǎn)品的型號、工藝等字符串型數(shù)據(jù)，以及I/O型信號。其中，產(chǎn)品型號字符串型數(shù)據(jù)用于以此進(jìn)行調(diào)用CNC存儲器中的與產(chǎn)品對應(yīng)的加工程序，工藝字符串?dāng)?shù)據(jù)用于傳遞到后續(xù)的等離子切割機(jī)和壓彎等工序。而I/O型信號用于沖孔主機(jī)與自動上下料單元PLC 之間進(jìn)行動作流程通訊，及安全互鎖條件的限制等。部分PMC 程序如圖10 和圖11所示［3-4]。

圖10 PMC片段1

圖11 PMC片段2

6 編制西門子Step7 格式的梯形圖

與FANUC系統(tǒng)編程格式不同，西門子Step7 編程時，需要定義數(shù)據(jù)塊，然后在FC 功能塊中對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫等操作，如圖12所示［5-6]。

圖12 S7-300 數(shù)據(jù)塊

為了讀一個DP 從站的相連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域，使用系統(tǒng)功能SFC14 DPRD_DAT，每個讀存取涉及一個專用輸入模塊。如果一個DP從站有若干個相連續(xù)的輸入模塊，則必須為所要讀的每個輸入模塊分別安排一個SFC14調(diào)用［7]。

表3所示為必須定義的SFC14的輸入和輸出參數(shù)。

表3 SFC14 DPRD_DAT的參數(shù)

從S7 CPU傳送一個連續(xù)的輸出數(shù)據(jù)到DP從站，使用系統(tǒng)功能SFC15 DPWR_DAT。每個寫存取涉及一個專用的輸出模塊。如果DP從站有若干個連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出模塊，則對每個要寫入的輸出模塊必須分別安排一個SFC15調(diào)用［8]。

表4所示為必須定義的SFC15的輸入和輸出參數(shù)。

表4 SFC15 DPWR_DAT的參數(shù)

S7-300調(diào)用系統(tǒng)功能SFC如圖13 所示。S7-300 程序讀寫數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖13 S7-300 調(diào)用系統(tǒng)功能SFC

圖14 S7-300 程序讀寫數(shù)據(jù)

按照上述步驟的處理，結(jié)合詳細(xì)復(fù)雜的FANUC 系統(tǒng)PMC程序和Siemens Step7 軟件PLC 程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了將FANUC系統(tǒng)控制的單機(jī)設(shè)備完美地融入到整個自動化工廠車間生產(chǎn)線。

7 結(jié)束語

本文以FANUC 0i 控制的數(shù)控汽車縱梁沖孔機(jī)的單機(jī)設(shè)備通過Profibus DP 從站功能與西門子S7-315DP 組成一套Profibus DP 總線結(jié)構(gòu)，再通過Profibus DP-Coupler 耦合器實(shí)現(xiàn)Profibus DP總線網(wǎng)絡(luò)與其他Profibus DP總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊。優(yōu)點(diǎn)在于其中一套Profibus DP總線網(wǎng)絡(luò)中任意某臺單機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障或者關(guān)機(jī)時，對本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備和其他Profibus DP總線網(wǎng)絡(luò)毫無影響。

本項(xiàng)目中，單機(jī)系統(tǒng)還充分應(yīng)用了FANUC 系統(tǒng)的PMC軸控制、I/O Link 軸等其他輔助功能，在此不做贅述。借此項(xiàng)目機(jī)會，將當(dāng)今機(jī)床控制領(lǐng)域的兩大知名企業(yè)的產(chǎn)品融入到一起，取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，共同完成高水準(zhǔn)的汽車底盤縱梁加工生產(chǎn)線，可供其他技術(shù)人員參考。