CPX终端阀岛在自动化生产实训台中的应用

董庭琼，高钦和，于传强，刘丽红

(1.第二炮兵工程大学，西安 710025;2.渭南高级中学，陕西 渭南 714000)

现场总线技术的出现，推动了气动自动化技术的发展，促进了传统的气动技术和PLC 控制的更好融合。另外，基于现场总线的CPX 终端阀岛技术的出现，使电气控制与气动控制达到完美结合，并在自动化领域里得到了广泛应用。采用各相对独立的气动控制阀元件来控制执行机构动作是传统的气动自动化实训台中气动控制部分采取的方案，其元件安装精度较低，安装空间大，实训台的综合性能差，实验项目较少，给使用和学习带来了极大不便，满足不了日益发展的气动自动化技术的实训操作要求。因此，采用先进的自动化技术模拟自动化生产线的气动实训操作和提高实训台的综合性已成为必然趋势。

本文以基于现场总线Profibus-DP 的CPX 终端阀岛作为气动控制系统的核心元件，采用西门子S7 -300 可编程控制器来控制整个系统的运行过程。实验证明该系统能够满足目前自动化生产线的实训要求。

1 实训台系统硬件组成

实训台系统主要用于模拟自动化生产线上工件的自动搬运过程。系统采用西门子S7 -300 可编程控制器来控制整个系统运行过程，气动部分采用德国FESTO 公司先进的基于Profibus-DP 总线的CPX 终端阀岛替代传统实训台中多个独立的气动控制阀来完成工作。系统结构如图1 所示。

1.1 电路部分

系统电气部分主要由电源模块、PLC、CPX 终端和Profibus-DP 电缆组成。电路部分结构如图2 所示。

系统供电采用单独的24 V 电源模块，它具有输入输出完全隔离、保护功能完善、抗干扰能力强、质量轻、体积小、纹波低等特点，使用安全稳定，便于实训操作。

图1 基于CPX 终端阀岛的实训台

图2 系统的电路结构

控制系统采用西门子公司的CPU，为313C -2DP 的S7-300 系列可编程控制器。他带有Profibus - DP 主从站和MPI 的双接口，与CPX 终端阀岛连接方便，操作非常简单，改变了传统气动控制系统中单根导线与控制阀和传感器相连接的问题，减少了接线困难，以及接线容易出现错误但很难排查等问题。系统采用的PLC 带有1 个微存储卡(MMC)，系统的程序和数据都存储其中，不需要系统运行时，微存储卡可以拔掉，方便用户操作程序时保密;同时，该PLC 带有系统启动、停止、复位按钮，操作简单直观［1-2］。

如图3 所示，CPX 终端阀岛是FESTO 公司CPX 终端与阀岛的组合模块。CPX 终端是1 个用于阀岛的模块化外围系统，该系统是为使阀岛能适应不同应用而特别设计的，由于所采用的是模块化结构，因此用户可根据实际应用配置适当数量的阀和输入/输出点。在不带阀岛的情况下，CPX 终端可用作远程I/O 模块。CPX 终端主要由总线接点模块、I/O 模块、气动接口模块3 部分组成，FESTO 公司提供多种常用现场总线的节点模块，如Profibus-DP、Interbus、DeviceNet、CANopen、CC-Link，也支持广泛使用的以太网，这使CPX 终端的应用得到了很大程度的扩展，不仅其数据传输速度大幅度提高并具备实时能力，更重要的是增添了IT 服务所带来的各种优势。本实训系统中CPX 终端阀岛采用的总线节点模块是支持Profibus-DP 总线的CPX-FB13，带有1 个16DI 数字量模块、1 个8DI/8DO 数字量模块和1 个用于MPA 的气动接口。传感器的信号直接与16DI 数字量模块连接，阀岛直接与气动接口相连［3-6］。

Profibus-DP 电缆用于CP5611 与PLC 下载程序时的连接，以及PLC 与CPX 终端阀岛的通信连接。其采用RS485 标准，两端都有终端电阻，在组网的时候，终端电阻非常重要［3］。

1.2 气路部分

系统气动部分主要由CPX 终端阀岛、气动抓手、扁平气缸、导向气缸和无杆气缸组成，系统的气路图如图3 所示。

图3 CPX 终端阀岛结构

气动控制部分采用FESTO 公司的MPA 阀岛来控制多个类型的执行元件气缸，以完成抓取动作。系统中MPA 阀岛包含6 片相同的二位五通带手控开关的单侧电磁先导控制阀和1 片二位四通带手控开关的双侧电磁先导控制阀。其使用场合广泛、操作方便、性能稳定、简洁直观［7］。系统气路见图4。

图4 系统气路

气动执行元件使用了多种类型的气缸，能够丰富实训台的可利用设备，充分发挥系统的多种实训功能。例如，可利用实训台，掌握多种气动执行元件的工作原理及安装注意事项，保证实训台功能达到最优。

2 实训台软件开发平台

实训台的软件开发主要依托STEP7 软件进行，而后通过CP5611 通讯卡将程序下载到PLC 中。系统软件结构如图5所示。

图5 系统软件结构

西门子CP 卡作为PG/PC 的系统接口，是TIA(totally integrated automation)全集成自动化的1 个重要网络组件。CP5611A2 用作智能控制主站，可以PC 机作为控制主站，以支持PROFIBUS 或PROFINET 协议的子站做从站，结合SIMATIC NET 软件，进行现场总线控制，而且还可提供程序下载。

STEP7 用于西门子系列工控产品，包括SMATIC S7、M7、C7 和基于PC 的WinAC，是供其编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC 工业软件的重要组成部分。

3 CPX 终端阀岛在实训台中的应用

PROFIBUS 是Process Fieldbus 的缩写，是面向工厂自动化和流程自动化的1 种国际性的现场总线标准。主要包含PROFIBUS-DP、ROFIBUS-FMS 和PROFIBUS-PA 共3 种类型。PROFIBUS-DP 是专为自动控制系统与设备级分散I/O 之间通讯而设计的，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输。使用Profibus-DP 可取代24V 直流电压或4 ～20 mA 电流信号传输。PLC 和阀岛、传感器等之间利用Profibus-DP 总线进行主从之间的通讯控制，从而完成设定的实训操作［8-9］。

3.1 CPX 终端阀岛的参数设置

在系统电气和气动连接好后，就要对CPX 终端阀岛的DIL 开关进行设置，如图6 所示。

图6 DIL 开关设置

CPX 终端阀岛的DIL 开关处于总线节点模块上，运行模式分为远程I/O 和远程控制器。若没有在CPX 系统内集成FEC，则运行模式设为远程I/O，否则设为远程控制器。从站地址主要设置CPX 终端阀岛在系统中的地址。本文中系统运行模式设置为远程I/O，诊断模式为开启状态，CPX 终端阀岛地址设置为3，因此DIL 运行模式的1、2 位都设为OFF，诊断模式开关设为ON，DIL 从站地址设置为:1、2 位为ON，3～7 位为OFF［10］。

3.2 CPX 终端阀岛的软件组态

在进行软件组态之前，要在STEP7 软件下安装所需要的产品GSD 文件，而后在软件环境下进行软件组态，软件组态要保证与硬件设置相符。其配置过程如下。

1)将FESTO CPX 终端阀岛添加到Profibus-DP 总线上，如图7 所示。

图7 添加CPX 终端阀岛

2)配置CPX 终端阀岛的各模块和地址，如图8 所示。

图8 配置CPX 终端阀岛

3.3 系统的地址分配

整个系统中传感器采用漫射式光电传感器，可根据工作空间的需求进行调整。传感器的灵敏度也是可调的，他可比较灵敏地检测到执行元件的状态，而后传送给CPX 终端阀岛中的I/O 模块。系统的输出信号主要用来控制电磁阀，以此来控制各气缸的工作。地址分配如表1 所示。

表1 地址分配

3.4 编程

程序框图如图9 所示。

图9 程序流程

编好程序后，通过Rrofibus-DP 总线下载到PLC 中。

4 结束语

通过实验，可看出采用CPX 终端阀岛替代多个控制阀的连接，能使实训台的安装更加简洁，综合性更强，并集成现在生产线上最先进的气动自动化技术。系统可培养学生的动手能力，让学生能够初步了解掌握现场总线技术、阀岛技术、PLC 的原理与结构。同时，本系统运用的是西门子公司的STEP7 进行程序开发，能够使学生了解程序开发的基本流程和方法，系统可方便地设置多种故障，培养学生排除故障的能力，满足实训操作的要求。CPX 阀岛的总线节点模块可根据实际使用要求更换各种协议模块，提供多种控制方式，其他部分不需要更改，节约经费开支，使实训台达到最大的使用效率。

［1］马丁.西门子PLC 应用程序设计［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［2］高鸿斌，孔美静，赫孟合.西门子PLC 与工业控制网络应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］FESTO 公司.模块化电气终端CPX［Z］.北京，2008.

［4］翁之旦，陶国良.气动紧凑型阀岛的设计［J］.液压与气动，2010(7):65-68.

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［7］崔坚，李佳.西门子工业网络通讯指南［M］.北京:机械工业出版社，2004.

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