PROFIBUS技术在汽车发动机缸盖线上的应用分析

王凤刚，高志强

（1.一汽-大众汽车有限公司，长春 130011；2.西门子工厂自动化工程有限公司，沈阳 110003）

1 引言

随着制造业自动化和过程自动化中分布式结构的迅速发展，PROFIBUS（现场总线）的应用日益广泛。由于现场总线实现了数字和模拟输入/输出、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC 之间的数据传输，所以可以把分布式I/O 安装在现场设备附近，从而可以将整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本、设备调试和维修成本降到最低。

一汽-大众发动机缸盖线由加工中心、辅机和料道/机械手组成，是一条全自动机加生产线，这些设备均为数控设备，由格劳博（GROB）公司制造。线上各加工工位是加工中心，上下料由机械手完成，料道/机械手与加工中心之间的动作协调通过通信，也就是PROFIBUS 通信来实现的。

2 PROFIBUS 简介

PROFIBUS 支持的通信协议有DP、FDL、S7、PA、FMS。

（1）DP：适合可编程逻辑控制器（PLC）与分布式I/O 之间的通信。它在PROFIBUS 通信中应用最广，它可以连接不同厂商的设备。

（2）FDL：用于S7的PLC 与PLC 之间的，S7 及S5PLC与PC 之间的主-主通信。

（3）S7：是S7PLC 基于MPI、PROFIBUS、ETHERNET网络的一种优化的通信协议，主要用于PLC 间的主-主通信和S7PLC 与HMI 间的通信。

（4）PA：使用扩展的PROFIBUS-DP 协议进行数据传输，它执行规定现场设备特性的PA 设备行规。

（5）FMS：用于PLC 与PLC 之间的主-主通信。

PROFIBUS 通信既可以使用PLC CPU的集成DP 接口也可使用由通信处理器扩展的DP 接口，西门子S7-300的通信处理器为CP342-5，S7-400 使用的通信处理器为IM467 和CP443-5Extend。它们支持的协议不同，CP342-5支持：DP、FDL、S7。

实际应用中应根据数据量的大小、实时性、控制工艺等要求选择相应的拓扑机构和通信方式。

一汽-大众发动机缸盖线上所有设备都是通过S7-300 CPU的集成DP 口连接I/O，通过CP342-5 扩展的DP口彼此连接，见图1。

图1 缸盖线PROFIBUS 通信示意图

发动机缸盖线料道/机械手与加工中心之间所使用的通信方式主要是DP 和FDL 通信，下面就结合实际应用详细地介绍这两种通信方式。

3 DP 通信应用分析

PROFIBUS 是一个令牌网络，是由一个令牌主站和若干从站组成的主-从系统，DP 通信就是通过这个主站轮询多个从站来实现的。

PLC 除了有本身集成的DP 口外，还可以利用通信模块扩展出另外的DP 口，扩展DP 所占用的通信接口不是I区和Q 区，而是虚拟的通信区。

该缸盖线上的AF30 工位由一台龙门机械手和三台加工中心组成，机械手需要知道加工中心是否加工完成、有无报警、是否需要上下料等，加工中心需要知道机械手是否已准备好上下料，机械手与加工中心之间需要通信，它们之间的通信使用的是DP 方式。通信中以机械手作为主站，加工中心作为从站，相互通过通信模块342-5 扩展DP 口连接，机械手的PLC 硬件组态见图2。

图2 机械手的PLC 硬件组态

机械手为加工中心1 分配的CP342-5的地址为0-19,见图3；为加工中心2 分配的地址为20..39；为加工中心3 分配的地址为40..59。这里机械手分配的地址是主站PLC的虚拟地址，而不是真正的I/O 地址。

作为从站的加工中心的硬件组态如图4。

图3 加工中心1中CP342-5的地址分配

图4 加工中心的硬件组态

通信时，主站和从站都需要调用FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RECV）来建立通信接口区。机床制造商在编程时将编号改为FC99（Send）和FC98（Receive），实际的PLC程序如下：

机械手-PLC 发送数据，则在机械手-PLC中编程：

机械手发送的是60个字节，加工中心1 接收的是前20个字节，因为它的网络地址是0..19；同样加工中心2 接收的是机械手SEND的60个字节中间的20个字节；而加工中心3 接收的是机械手SEND的60个字节中后20个字节。反过来也是类似的，即每个加工中心发送20个字节，机械手接收60个字节，分别在各自的PLC 编程。

4 FDL 通信应用分析

FDL 是主-主系统，即每个站都具有令牌功能，通信以令牌环的形式传递，每个FDL 站都可以与多个站点建立通信连接。FDL 通信也是通过调用发送和接收功能实现的，这里调用的是FC5（AG_SEND）和FC6（AG_RECV）。

FDL 可以实现的功能有SDA（发送数据并确认）、SDN（发送数据无确认），自由第二层、多点通信、广播通信等。FDL 通信可以在同一个项目的PLC 之间实现，也可以在不同项目之间实现，适用于多个设计方多个设计人员的复杂项目。

机床的夹紧、完成信息、有件/无件情况、报警等信息是通过第一种DP 通信方式由加工中心传输给机械手，经过PLC 处理后，转化为画面显示在机械手的OP 上；这些画面信息需要再从机械手送回加工中心，同步地显示在加工中心的OP 上。为了达到这种目的，这里使用的另外一种通信方式是多点通信，即FDL 通信。

FDL 多点通信是以同一LSAP 访问点为一组的分组广播通信。而广播通信是一个站可以向同一网络上的所有站发送数据。拥有令牌的主站发送数据，数据的发送和接收采用SDN 方式，其它站点接收数据是无条件的。

在组态硬件时，分别在机械手和加工中心的NetPro中建立FDL 连接，见图5。

图5 机械手NetPro 设置

机床制造商在编程时将FC1 和FC2的编号改为FC95（Send）和FC94（Receive），实际的PLC 程序如下：

ID 地址，0001 是机械手与加工中心网络通信握手的ID 地址。在机械手的网络结构中是0001，在加工中心中此地址是15，见图6。

加工中心-PLC 接收数据，故在此PLC中调用FC94

图6 FDL 连接属性

机械手会将235个字节分别发送到加工中心，加工中心接收这235个字节。这种通信传输的内容是HMI的画面信息，也就是机械手OP 上的HMI 画面会同时传递给各个加工中心，各个加工中心的HMI 画面状态与机械手保持同步。

5 结语

PROFIBUS 通信的方式非常多，完全能够满足现场的各种实际需求。一汽-大众发动机缸盖线由德国机床公司设计制造，代表了当今世界机床的先进水平，本文详细地分析了PROFIBUS 通信在他们的机床的应用情况，希望能给国内的机床方面的同行在设计和维修上带来一点帮助。