1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快以及人們對(duì)產(chǎn)品多樣化需求的增加，使得機(jī)械制造業(yè)向多品種、小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。為適應(yīng)這種需求的變化，必須大幅度提高產(chǎn)品制造的柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。柔性制造系統(tǒng)在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，以多臺(tái)（種）數(shù)控機(jī)床或數(shù)組柔性制造單元為核心，通過(guò)自動(dòng)化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，統(tǒng)一由主控計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System），英文縮寫為FMS。典型的FMS一般由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)的構(gòu)成框圖及功能特征如圖1所示。三個(gè)子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)制造系統(tǒng)的能量流（通過(guò)制造工藝改變工件的形狀和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造過(guò)程的信息和數(shù)據(jù)處理）。

PROFIBUS是一種國(guó)際性的、開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，廣泛用于離散型、流程型自動(dòng)化系統(tǒng)以及樓宇、交通、電力等自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS，是一種國(guó)際化。開(kāi)放式。不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。而柔性制造系統(tǒng)就屬于流程型自動(dòng)化系統(tǒng)，本文重點(diǎn)探討基于現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS- DP的柔性制造監(jiān)視與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 FMS的組成框圖及功能特征

2 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

2.1 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的組成

PROFIBUS-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)。用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)。診斷和報(bào)警處理。 PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了OSI 參考模型的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和用戶自己定義的用戶層，其中用戶層定義了用戶系統(tǒng)和各種設(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能以及詳細(xì)說(shuō)明了各種PROFIBUS-DP設(shè)備的行為。PROFIBUS-DP是一個(gè)主站/從站（Master/ Slave）總線系統(tǒng)，主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息，主站可以是PLC、PC 等；從站為外圍設(shè)備（典型的從站包括輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量發(fā)送器等），從站沒(méi)有總線控制權(quán)，僅當(dāng)接受到信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。PROFIBUS-DP有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線形，星形，環(huán)形等。該系統(tǒng)采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該柔性制造系統(tǒng)也是由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。加工系統(tǒng)由儲(chǔ)料單元、翻轉(zhuǎn)送料單元、尺寸檢測(cè)單元、材質(zhì)檢測(cè)單元、機(jī)械手送料單元、加工單元、搬運(yùn)單元、立體倉(cāng)儲(chǔ)單元等八個(gè)工作單元組成。物流系統(tǒng)是由各工作單元之間配備的不同形式的工件傳送裝置組成。監(jiān)控系統(tǒng)是以西門子PLC為主控制器，上位采用MT-500觸摸屏監(jiān)控，中間采用S7-300 PLC負(fù)責(zé)通信功能，下位采用八個(gè)S7-200 PLC （CPU 224） 組成分站控制器，通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，八個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同組成一套完整的控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中的典型流水線工藝。監(jiān)控系統(tǒng)是由基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)將S7-300 PLC、S7-200 PLC和MT500觸摸屏連接而成的系統(tǒng)組成。基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的組成

2.3 基于ROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的通信

⑴、S7-300 PLC與S7-200 PLC的通信

S7-300 PLC與S7-200 PLC通過(guò)PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)中，CPU 315-2DP作為主站通過(guò)DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)。該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用八個(gè)EM227 PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊通過(guò)串行I/O總線分別連接到八個(gè)S7-200 PLC（CPU 224）分站控制器；作為從站，EM227模塊通過(guò)其DP通信端口連接到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)。CPU 315-2DP PLC通過(guò)組態(tài)將EM227模塊定義成DP從站，采用主-從方式進(jìn)行通信，在主-從方式下，一個(gè)主站控制多個(gè)從站，主站發(fā)出命令（ Command），從站給出響應(yīng)（ Response），配合主站完成對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個(gè)主站可與多個(gè)從站中的每一個(gè)從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路；從站可以發(fā)送多個(gè)幀，直到從站沒(méi)有信息幀可發(fā)送或未完成幀的數(shù)目已達(dá)最大值或從站被主站停止為止。

⑵、MT500觸摸屏與S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

MPI（Multi Point Interface）用于PLC和PG/OP之間的接口，每個(gè)PLC都安裝有一個(gè)RS 485 MPI接口。MT500觸摸屏通過(guò)MT5-MPI專用電纜將MT500 RS232串行通信口與CPU 315-2DP PLC的MPI通信口連接起來(lái)，CPU 315-2DP PLC可以自動(dòng)地通過(guò)MPI接口發(fā)布其總線參數(shù)組態(tài)。總線參數(shù)包括：波特率為19200，數(shù)據(jù)位為8Bits，奇偶校驗(yàn)采用奇校驗(yàn)，停止位為1Bit，MT500觸摸屏的站地址為0，CPU 315-2DP PLC的站地址為2。這樣可使MT500觸摸屏可以自動(dòng)連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)MPI協(xié)議與CPU 315-2DP PLC進(jìn)行通信。MT500觸摸屏與S7-200 PLC通信時(shí)，將CPU 315-2DP PLC作為通信中介來(lái)實(shí)現(xiàn)MT500觸摸屏與S7-200 PLC的通信。

⑶、PC機(jī)與MT500觸摸屏、S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

在該系統(tǒng)中，PC機(jī)主要是作為編程器。PC機(jī)通過(guò)MT5-PC編程電纜與MT500觸摸屏連接起來(lái)進(jìn)行通信。PC機(jī)通過(guò)使用STEP7編程電纜將PC機(jī)上的通信卡CP5611（適用于PC機(jī)的PCI卡）的通信口與CPU 315-2DP PLC的DP通信口連接起來(lái)進(jìn)行通信。

3 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)

根據(jù)圖2所示基于PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，并給系統(tǒng)送電。S7-300 PLC與S7-200 PLC通過(guò)EM277進(jìn)行PROFIBUS-DP通訊時(shí)，在STEP7中需要對(duì)S7-300站組態(tài)，而在S7-200系統(tǒng)中不需要對(duì)通訊進(jìn)行組態(tài)，只要將通訊的數(shù)據(jù)存放在與S7-300組態(tài)時(shí)的EM277從站的硬件I/O地址相對(duì)應(yīng)的V存儲(chǔ)區(qū)就可以了。

在STEP7中對(duì)S7-300站組態(tài)時(shí)，首先在STEP7中插入一個(gè)S7-300的站；然后在STEP7硬件組態(tài)窗口中安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD文件。安裝EM277從站配置文件SIEM089D.GSD后，根據(jù)EM277從站通訊實(shí)際需要的通訊字節(jié)數(shù)，選擇一種通訊方式，該系統(tǒng)選擇8字節(jié)入/8字節(jié)出的方式，并在STEP 7的硬件組態(tài)窗口中設(shè)置EM277的從站地址，至此一個(gè)單元的EM277從站硬件組態(tài)結(jié)束。

硬件組態(tài)完成后，將硬件組態(tài)信息下載到S7-300 PLC中，下載完成后，將EM277模塊上的撥位開(kāi)關(guān)撥到與硬件組態(tài)的設(shè)定值相一致，在S7-200中編寫程序?qū)⑦M(jìn)行交換的數(shù)據(jù)存放在與S7-300 PLC的外設(shè)輸入/輸出存儲(chǔ)區(qū)PI和PQ相對(duì)應(yīng)的V存儲(chǔ)區(qū)中，打開(kāi)STEP7中的變量表和STEP7 Micro/Win32的狀態(tài)表可監(jiān)控S7-300與S7-200通過(guò)EM277進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信。

3.2 基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于PROFIBUS-DP柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制層和監(jiān)控管理層組成。

（1）現(xiàn)場(chǎng)控制層

該柔性制造系統(tǒng)的工作任務(wù)是將隨設(shè)備一起提供的工件由原料倉(cāng)庫(kù)取出，經(jīng)過(guò)高度檢測(cè)，材質(zhì)檢測(cè)，然后對(duì)非金屬工件進(jìn)行加工，最后按材料的不同將工件分撿入庫(kù)。同時(shí)在各工作單元之間配以不同形式的工件傳送裝置完成一整套工作及工藝過(guò)程。每個(gè)工作單元的S7-200 PLC通過(guò)EM277模塊和PROFIBUS-DP總線連接器連接至PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。各從站的站號(hào)通過(guò)EM277模塊設(shè)定。各從站EM277模塊接收主站的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回主站。輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-200 CPU的V存儲(chǔ)器內(nèi)。V存儲(chǔ)器中輸入、輸出緩沖區(qū)大小及起始字節(jié)位置是在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)時(shí)定義的，DP主站將組態(tài)時(shí)定義的V存儲(chǔ)器地址和輸入/輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度傳給S7-200 CPU。

（2）監(jiān)控管理層

PC作為PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的主站，通過(guò)西門子CP5611通信卡的總線連接器接入網(wǎng)絡(luò)。在WINDOWS2000操作系統(tǒng)下，PC機(jī)首先通過(guò)軟件STEP7對(duì)其進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)配置。然后再利用STEP7軟件編寫由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成的CPU315-2DP PLC的控制程序。觸控屏（Touch panel）又稱為觸控面板，是個(gè)可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動(dòng)的影音效果。觸摸屏來(lái)代替鼠標(biāo)或鍵盤。工作時(shí)，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來(lái)定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它同時(shí)能接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。其中包括MT500觸摸屏和各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序、S7-300 PLC和各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序以及MT500觸摸屏和S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的子程序等，供主程序調(diào)用；DB數(shù)據(jù)塊為存儲(chǔ)各運(yùn)行數(shù)據(jù)的區(qū)域，為S7-300 PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及MT500觸摸屏和各從站之間、MT500觸摸屏和S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)交換提供了平臺(tái)。

該柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)采用***WEIN VIEW的MT500觸摸屏作為監(jiān)控設(shè)備，在PC機(jī)上利用Easy Builder 500組態(tài)軟件編寫柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，然后將監(jiān)控軟件裝入MT500觸摸屏。在WEIN VIEW的MT500觸摸屏上通過(guò)使用柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控軟件就可實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性制造系統(tǒng)各工作單元的監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，以***WIEN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，利用Easy Builder 500組態(tài)軟件對(duì)該柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。。基于PROFIBUS-DP總線的柔性制造監(jiān)控系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)控制中比較先進(jìn)的控制方案，可適用多種應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用前景將會(huì)十分廣泛。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：在本文中，以PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，以***WEIN VIEW的MT 500觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，利用Easy Builder 500 組態(tài)軟件對(duì)該柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，在現(xiàn)代工業(yè)控制中屬于比較先進(jìn)的控制方案，可適用多種應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用前景將會(huì)十分廣泛。

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