基于PROFIBUS-DP的物流控制实验系统的设计

陈 娟 ，钟永彦 ，朱建红 ，王于艳，朱海荣

（1.南通大学 电气工程学院，南通 226019；2.上海慧桥电气控制工程有限公司，上海 200233）

0 引言

物流控制系统在产品包装、流水作业、检测等相关行业中应用广泛，对控制系统的准确性、可靠性以及自动化水平都有很高的要求；高等院校的人才输出应结合社会生产实际，以培养应用型人才为主。针对这些情况，本文设计了物流控制实验系统。

1 物流控制实验系统组成及设计方案

1.1 物流控制实验系统工作流程

物流控制实验系统如图1所示，该系统具有出库和入库的任务管理功能。入库操作流程是：入库操作命令→堆垛机动作→入货台→堆垛机动作，将货物送到指定仓位。出库操作流程是：出库操作命令→堆垛机动作→出货台、线性输送链动作→三维链S1和辊轴链动作→条码扫描、奇偶判断，若条码为偶数，则三维链动作→辊轴链动作→三维链S2动作、颜色识别→平板链动作→分拣台分拣；若为奇数，则三维链动作、平板链动作→入货台动作。

1.2 物流控制实验系统设计方案

根据物流控制实验系统工作流程和功能要求，设计物流控制实验系统为两层结构：监控层和执行层，拓扑结构如图2所示。

图1 物流控制实验系统组成示意图

图2 物流控制实验系统拓扑结构

监控层：作为整个控制系统的人机交互接口，该层通过PC机实现了对整个系统的自动操作、运行状态监控、故障诊断、报警记录、数据报表查询等功能，采用组态王6.52软件和ACCESS数据库编程开发人机交互界面。

执行层：该层由各种执行机构和传感器组成，包括全自动堆垛机、立体仓库、PLC网络、传感器、辊轴链、三维链、条形码识别传感器、颜色识别传感器、光电传感器、认址片、按钮、开关、显示灯等现场设备。采用主从站工作方式，实现对整个系统设备的组合和单机控制。堆垛机、线性输送链、辊轴链、分拣台和三维链的手动控制、自动控制和故障报警等动作分别由4个S7-200从站控制，系统的协调工作则由S7-300主站实现。堆垛机的控制采用变频控制，其中X方向的行走、Y方向的升降/Z方向的叉伸由两个MM440控制。

上位监控PC机内置CP5611网卡，通过MPI口与S7-300相连，而S7-200与S7-300则通过分别利用各自DP端口构成PROFIBUS-DP现场总线网络。S7-300的CPU选用集成有PROFIBUS-DP通信接口的CPU315-2DP；S7-200选用CPU226，由于S7-200没有PROFIBUS-DP接口，系统增设了EM277模块和PROFIBUS-DP模板，通过EM277模块可以设置不同的地址区分4个从站。

2 物流控制实验系统的设计

2.1 系统组态

2.1.1 硬件安装

1个S7-300PLC和4个S7-200分别安装在5个控制柜中，安装时需注意PLC安装规范，PLC接地端、传感器电缆、PROFIBUS信号电缆屏蔽层要接到机柜上，机柜接到大地上，接地的好坏对系

统运行和数据传输是否稳定有直接的影响[1]。

系统采用两路电源，其中PLC由PS307电源模块供电，而其他设备所用电源（12V，24V）由另一路电源供电，可有效防止干扰并保证系统安全。电源变压器采用AC380/220V，在电源处与信号处均安装避雷模块。

控制柜中强弱电分开布线，进出柜内的电缆走金属桥架，这样做既美观又安全，且方便了故障查找。

2.1.2 硬件组态

网络的构成包括正确的物理连接和整个网络的组态两部分，网络组态需与实际的物理连接相同，否则整个网络将无法工作。网络组态的主要工作是为网络结点分配网络地址，确定网络的通信速率等。

本系统采用STEP7 V5.3软件完成S7-300站的组态[2]。具体操作过程为：1）创建一个新项目并命名，生成站；2）插入一个S7-300站，在硬件目录中按硬件安装次序和订货号一次插入机架、电源、CPU进行硬件组态，并在DP属性对话框中设置CPU315-2DP为主站；3）设置EM277为DP从站模式并分别设置地址，选择8字入/8字出的通讯方式；4）配置EM277中V存贮区I/O偏移量（设置为10）；5）编译并下载至PLC中。硬件组态如图3所示。

由于S7-300与S7-200通过EM277进行PROFIBUS-DP通信，在S7-200中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据存放在V存储区，且注意与S7-300组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应[3]。

2.2 软件编程

2.2.1 PLC程序设计

根据物流控制实验系统工作流程以及电气设计要求，堆垛机、辊轴链、分拣台和三维链这4个

图3 PROFIBUS-DP硬件组态

S7-200PLC子控制系统能独立运行，各子控制系统与其它环节的自然衔接则通过在S7-200中设置中间变量。程序设计中首先确定各环节的中间变量，这些中间变量实际上就是驱动各子系统中动作执行的电机、电磁阀等的启动和停止信号。然后添加光电信号及传感器信号等可以通过不同的S7-200PLC系统传至主站供系统调度。本系统中PLC程序包括四个S7-200子程序以及一个S7-300主程序，其中主程序框图如图4所示。

2.2.2 监控系统的设计

执行现场的运行状态可通过上位机进行实时监控，上位机向下位机发出指令，由下位机来控制系统执行出库、入库操作。根据监控系统的要求，组态出系统工作现场情况的监控画面、历史报警查询画面、实时报警画面和报表管理画面等，操作员能方便地利用鼠标或键盘，根据菜单和对话框上的提示，完成各个界面的切换。在组态王6.52工程管理器中，选择“数据库数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框，根据PLC编程中用到的数据类型及寄存器类型，建立数据变量，并修改其属性[4]。在TOUCHVEW运行时，数据库自动执行管理工作。监控软件的总体框图如图5所示。

图4 主程序流程图

图5 监控软件的总体框图

2.3 通信的设计与实现

2.3.1 PROFIBUS-DP通信实现

设计S7-300的M区为S7-200存放I/O数据。在组态环境下，上位机通过调用S7-300的M区而直接调用对应S7-200从站的数据。功能块通过调用FC1''DP_send ''来发送数据，通过调用FC2 ''DP_RECV''来接收数据[5]。程序如下：

S7-300SFC发送功能块

CPLADDR:=W#16#100

SEND:=P#M 10.0 BYTE 8

DONE:=M1.0

ERROR:=M1.1

STATUS:=MW20

NOP 0

S7-300SFC接收功能块：

CALL ''DP_RECV''

CPLADDR:=W#16#100

RECV:=P#M 50.0 BYTE 8

NDR:=M1.2

ERROR:=M1.3

STATUS:=MW4

DPSTATUS:=MB6

NOP 0

把每个硬件网络组态信息连同通信功能块直接下载至S7-300的CPU，则PROFIBUS子系统通信网络建立成功。

2.3.2 MPI通信的实现

PC机与S7-300通过MPI网络实现数据传输与监控，可采用不需要组态连接的双向通讯方式，在已知对方站MPI地址、发送或接收数据有效区域、数据包或检测数据包的标识符的情况下，直接在OB35中调用SFC65和SFC66功能模块实现[6]。程序如下：

S7-300SFC65发送功能块

CALL''X_SEND''

REQ:=M0.0

CONT:=M0.1

DEST_ID:=W#16#4

REQ_ID:=DW#16#1

SD:=P#DB1_DBX0.0 BYTE76

RET_VAL:=MW10

BUSY:=M0.5

S7-300SFC66接收功能块

CALL''X_RCV''

EN_DT:=M0.0

RET_VAL=MW10

REQ_ID:=MD12

NDA:=M0.1

RD:=P#DB2_DBX0.0 BYTE76

3 结束语

该实验系统利用MPI通讯实现了上位监控计算机与现场执行设备信号的可靠传输，利用

PROFIBUS现场总线技术实现S7-300与S7-200的通讯，很好地模拟了工程实践，实现了货物的出库、入库任务管理。同时，该实验系统集教学与科研功能于一体，涵盖现场总线、检测、监控等多种技术，既可用于本科生及研究生的实验教学、课程设计、毕业设计，又可用于教师从事现场总线控制系统的开发、应用和培训等。

[1] 罗文.电器控制与PLC技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2009.

[2] 西门子STEP7 V5.3编程手册[Z].德国:Siemens AG,2004.

[3] S7-300和M7-300可编程序控制器模板规范[Z].德国:Siemens AG,2003.

[4] 组态王6.0使用手册[Z].北京:亚控自动化软件科技有限公司,2001.

[5] 朱建红,吴晓,堵俊.基于S7-300物流控制系统设计[J].制造业自动化,2009,31(2):116-117,39.

[6] 朱建红,堵俊,吴晓.现场物流传输系统网络构建初探[J].微计算机信息,2009,25(5-3):108-110,123.