通过PROFIBUS-DP实现柔性制造监控系统的实时监控设计

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。柔性制造系统在成组技术的基础上，以多台（种）数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（Flexible Manufacturing System），英文缩写为FMS。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。PROFIBUS，是一种国际化。开放式。不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。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。

图1 FMS的组成框图及功能特征

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，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同组成了PROFIBUS标准。用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态。诊断和报警处理。 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。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。

图2 基于PROFIBUS-DP总线网络的监控系统的组成

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接口。MT500触摸屏通过MT5-MPI专用电缆将MT500 RS232串行通信口与CPU 315-2DP PLC的MPI通信口连接起来，CPU 315-2DP PLC可以自动地通过MPI接口发布其总线参数组态。总线参数包括：波特率为19200，数据位为8Bits，奇偶校验采用奇校验，停止位为1Bit，MT500触摸屏的站地址为0，CPU 315-2DP PLC的站地址为2。这样可使MT500触摸屏可以自动连接到MPI网络上，通过MPI协议与CPU 315-2DP PLC进行通信。MT500触摸屏与S7-200 PLC通信时，将CPU 315-2DP PLC作为通信中介来实现MT500触摸屏与S7-200 PLC的通信。

⑶、PC机与MT500触摸屏、S7-300 PLC、S7-200 PLC的通信

在该系统中，PC机主要是作为编程器。PC机通过MT5-PC编程电缆与MT500触摸屏连接起来进行通信。PC机通过使用STEP7编程电缆将PC机上的通信卡CP5611（适用于PC机的PCI卡）的通信口与CPU 315-2DP PLC的DP通信口连接起来进行通信。

3 基于PROFIBUS-DP柔性制造监控系统的实现

3.1 基于PROFIBUS-DP总线网络的硬件组态

根据图2所示基于PROFIBUS-DP总线网络的监控系统的组成框图，采用总线拓扑结构组建监控系统的通信网络，并给系统送电。S7-300 PLC与S7-200 PLC通过EM277进行PROFIBUS-DP通讯时，在STEP7中需要对S7-300站组态，而在S7-200系统中不需要对通讯进行组态，只要将通讯的数据存放在与S7-300组态时的EM277从站的硬件I/O地址相对应的V存储区就可以了。

在STEP7中对S7-300站组态时，首先在STEP7中插入一个S7-300的站；然后在STEP7硬件组态窗口中安装EM277从站配置文件SIEM089D.GSD文件。安装EM277从站配置文件SIEM089D.GSD后，根据EM277从站通讯实际需要的通讯字节数，选择一种通讯方式，该系统选择8字节入/8字节出的方式，并在STEP 7的硬件组态窗口中设置EM277的从站地址，至此一个单元的EM277从站硬件组态结束。

硬件组态完成后，将硬件组态信息下载到S7-300 PLC中，下载完成后，将EM277模块上的拨位开关拨到与硬件组态的设定值相一致，在S7-200中编写程序将进行交换的数据存放在与S7-300 PLC的外设输入/输出存储区PI和PQ相对应的V存储区中，打开STEP7中的变量表和STEP7 Micro/Win32的状态表可监控S7-300与S7-200通过EM277进行的数据通信。

3.2 基于PROFIBUS-DP柔性制造监控系统的实现

基于PROFIBUS-DP柔性制造监控系统由现场控制层和监控管理层组成。

（1）现场控制层

该柔性制造系统的工作任务是将随设备一起提供的工件由原料仓库取出，经过高度检测，材质检测，然后对非金属工件进行加工，最后按材料的不同将工件分捡入库。同时在各工作单元之间配以不同形式的工件传送装置完成一整套工作及工艺过程。每个工作单元的S7-200 PLC通过EM277模块和PROFIBUS-DP总线连接器连接至PROFIBUS-DP网络。各从站的站号通过EM277模块设定。各从站EM277模块接收主站的输出数据，并将输入数据返回主站。输出和输入数据缓冲区驻留在S7-200 CPU的V存储器内。V存储器中输入、输出缓冲区大小及起始字节位置是在PROFIBUS-DP网络硬件组态时定义的，DP主站将组态时定义的V存储器地址和输入/输出数据长度传给S7-200 CPU。

（2）监控管理层

PC作为PROFIBUS-DP总线网络的主站，通过西门子CP5611通信卡的总线连接器接入网络。在WINDOWS2000操作系统下，PC机首先通过软件STEP7对其进行组态和参数配置。然后再利用STEP7软件编写由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成的CPU315-2DP PLC的控制程序。触控屏（Touch panel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。其中包括MT500触摸屏和各从站进行数据通信的子程序、S7-300 PLC和各从站进行数据通信的子程序以及MT500触摸屏和S7-300 PLC进行数据通信的子程序等，供主程序调用；DB数据块为存储各运行数据的区域，为S7-300 PLC内部数据转换以及MT500触摸屏和各从站之间、MT500触摸屏和S7-300 PLC之间的数据交换提供了平台。

该柔性制造监控系统采用***WEIN VIEW的MT500触摸屏作为监控设备，在PC机上利用Easy Builder 500组态软件编写柔性制造系统的监控软件，然后将监控软件装入MT500触摸屏。在WEIN VIEW的MT500触摸屏上通过使用柔性制造系统的监控软件就可实现对柔性制造系统各工作单元的监控。

4 结束语

本系统采用PLC作为现场控制设备，PROFIBUS-DP网络作为系统的通信基础，以***WIEN VIEW的MT 500触摸屏为监控设备，利用Easy Builder 500组态软件对该柔性制造系统实现实时监控，组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。。基于PROFIBUS-DP总线的柔性制造监控系统，是现代工业控制中比较先进的控制方案，可适用多种应用场合，应用前景将会十分广泛。

本文创新点：在本文中，以PLC作为现场控制设备，PROFIBUS-DP网络作为系统的通信基础，以***WEIN VIEW的MT 500触摸屏为监控设备，利用Easy Builder 500 组态软件对该柔性制造系统实现实时监控，在现代工业控制中属于比较先进的控制方案，可适用多种应用场合，应用前景将会十分广泛。

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