基于PROFIBUS-DP的柔性制造监控系统的应用

1 引言

　　随着科学技术的迅速发展，国内外市场竞争的加剧，产品更新换代速度的加快以及人们对产品多样化需求的增加，使得机械制造业向多品种、小批量生产方式发展。为适应这种需求的变化，必须大幅度提高产品制造的柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗和生产成本，以获得更好的经济效益。柔性制造系统（Flexible Manufacturing System-FMS）正是在这种形势下应运而生的。 FMS是一项工程应用技术，它的内部组成根据使用目的而异，客观上也难以有一个统一的模式。典型的FMS一般由加工系统、物流系统和控制与管理系统三个子系统组成，各子系统的构成框图及功能特征如图1所示。三个子系统的有机结合，构成了一个制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造过程的信息和数据处理）。

　　PROFIBUS是一种国际性的、开放式的现场总线，广泛用于离散型、流程型自动化系统以及楼宇、交通、电力等自动化领域。根据其特点，可将PROFIBUS分为报文规范PROFIBUS- FMS（ Fieldbus Message Specification） 、分布设备PROFIBUS- DP（ Decentralized Periphery） 、过程自动化PROFIBUS-PA（ Process Automation） 三个相互兼容的版本。而柔性制造系统就属于流程型自动化系统，本文重点探讨基于现场总线PROFIBUS- DP的柔性制造监视与控制系统的实现。

2 基于ROFIBUS-DP柔性制造监控系统的通信

　　2.1 基于ROFIBUS-DP柔性制造监控系统的组成

　　PROFIBUS-DP主要应用于现场级，是一种高速（可达12Mbit/s） 和便宜的通信连接，它被设计为设备级自动控制系统与分散的外围设备之间的通信，可以承担现场控制与监控的通信任务，具有较高的性价比，是当今实现自动控制系统理想的总线技术。PROFIBUS-DP的网络协议采用了OSI 参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层和用户自己定义的用户层，其中用户层定义了用户系统和各种设备可以调用的应用功能以及详细说明了各种PROFIBUS-DP设备的行为。PROFIBUS-DP是一个主站/从站（Master/ Slave）总线系统，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息，主站可以是PLC、PC 等;从站为外围设备（典型的从站包括输入/输出装置、阀门、驱动器和测量发送器等），从站没有总线控制权，仅当接受到信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。PROFIBUS-DP有多种网络拓扑结构：总线形，星形，环形等。该系统采用总线形拓扑结构。

　　该柔性制造系统也是由加工系统、物流系统和控制与管理系统三个子系统组成。加工系统由储料单元、翻转送料单元、尺寸检测单元、材质检测单元、机械手送料单元、加工单元、搬运单元、立体仓储单元等八个工作单元组成。物流系统是由各工作单元之间配备的不同形式的工件传送装置组成。监控系统是以西门子PLC为主控制器，上位采用MT-500触摸屏监控，中间采用S7-300 PLC负责通信功能，下位采用八个S7-200 PLC （CPU 224） 组成分站控制器，通过PROFIBUS-DP现场总线网络实现监控系统的通信，八个独立的执行机构共同组成一套完整的控制系统，用于实现实际生产中的典型流水线工艺。其中，加工系统是由机械加工设备组成，物流系统是由机械传送装置组成，监控系统是由基于PROFIBUS-DP现场总线网络将S7-300 PLC、S7-200 PLC和MT500触摸屏连接而成的系统组成。基于PROFIBUS-DP现场总线网络的监控系统的组成如图2所示。

　　2.3 基于ROFIBUS-DP柔性制造监控系统的通信

　　⑴、S7-300 PLC与S7-200 PLC的通信

　　S7-300 PLC与S7-200 PLC通过PROFIBUS-DP总线网络进行通信。在PROFIBUS-DP总线网络中，CPU 315-2DP作为主站通过DP通信端口连接到PROFIBUS-DP总线网络。该柔性制造监控系统采用八个EM227 PROFIBUS-DP扩展从站模块通过串行I/O总线分别连接到八个S7-200 PLC（CPU 224）分站控制器;作为从站，EM227模块通过其DP通信端口连接到PROFIBUS-DP总线网络。CPU 315-2DP PLC通过组态将EM227模块定义成DP从站，采用主-从方式进行通信，在主-从方式下，一个主站控制多个从站，主站发出命令（ Command），从站给出响应（ Response），配合主站完成对数据链路的控制，一个主站可与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路;从站可以发送多个帧，直到从站没有信息帧可发送或未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止为止。

　　⑵、MT500触摸屏与S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

MPI（Multi Point Interface）用于PLC和PG/OP之间的接口，每个PLC都安装有一个RS 485 MPI