基于ProfiBusDP 总线的转向拉杆自动线系统的设计与实现

沈翠凤，李金友

(1.盐城工学院，江苏 盐城 224051;2.江苏高精机电装备有限公司，江苏 盐城 224053)

0 引言

汽车转向拉杆是汽车底盘中的重要零件，生产批量非常大，年产量动辄几万只甚至十几万只。目前国内一般厂家均使用通用机床加工转向拉杆，整个生产过程包含四道工序:车端面倒角、扩孔、攻丝和切槽。首先在普通车床上对工件一端进行车削并倒角、扩孔、攻丝加工，加工完成后再掉头加工另一端。切槽加工在万能铣床上人工装夹两次进行。工件加工的工序多，加工精度不高，自动化程度低，工作效率低(加工一件须20 分钟以上)、工人劳动强度高(加工过程中须多次人工装夹、更换加工刀具，甚至更换加工设备)。不能满足大批量低成本的生产要求。因此，开发转向拉杆自动线系统非常必要。针对自动线系统控制设备比较分散，相隔距离较远的特点，传统的PLC 和工业智能设备一起直接连接构成自动控制系统虽能完成控制任务，但是大量的分布式［1］的I/O 占用设备的硬件资源，并且会增加设计和维护的工作量。而采用智能通讯接口则能很好的解决上述问题，并且能获得更多的系统运行信息，实现对整个自动化生产线系统的远程监控和故障诊断。ProfiBus-DP 现场总线可以大大减少布线工作量，避免信号干扰，使系统更可靠，并且无论在其性能，开放程度，可互换性和互可操作性上还是在其工业业绩上都是比较突出的。因此本文自动线控制系统采用先进的PROFIBUS-DP 现场总线技术和Siemens 的工业组态软件(WinFlexible)，组成以编程计算机(PC/PG)、Simotion 控制器D425、人机界面HMI及远程I/O 从站(ET200M)为站点的现场总线控制系统来实现转向拉杆的生产工序控制，并且该总线控制系统灵活多变，可扩展性强，运行稳定，生产效率高，造价较低。

1 自动线简介

本自动化生产线设计用于转向横直拉杆系列车端面及倒角、钻孔、攻丝及切槽加工，为自动输送四工位刚性加工自动线。自动线设计图如图1 所示。

图1 转向拉杆自动线系统图

该自动线由上料冷床工位、车端面倒角工位、扩孔倒角工位、攻丝工位、切槽工位及下料工位组成，采用步伐式输送装置输送工件，输送步距1200mm。上料工位采用人工排料，自动上料;Ⅰ工位完成工件的车端面及倒角工序;Ⅱ工位完成工件的钻孔及倒角工序;Ⅲ工位完成工件的攻丝工序;Ⅳ工位完成工件的切槽工序;下料工位采用角度自动可调下料装置，可将拉杆中的冷却液自动排除。本自动线具备外形美观、结构紧凑、自动化程度高、加工效率高等的优点。

2 通讯原理

ProfiBus 总线标准基于IOS/OSI 开放系统通讯模型，于1996 年成为欧洲标准EN50170，1999 年底成为国际标准IEC61158 的组成部分，已被全世界接受。ProfiBus 由三部分组成:ProfiBus-DP、ProfiBus-PA(Process automation 过程自动化)和ProfiBus-FMS(Field Bus Message Specification 现场总线信息规范)。其中ProfiBus-DP 是一种经过优化的高速、低成本的通讯连接，使用最为广泛，专用于设备级控制系统和现场设备(如分步式I/O、传感器、执行器和驱动器等)之间的通信。

ProfiBus-DP 的协议结构［2］根据ISO7498 国际标准以开放系统互联网络OSI 为参考模型，但只采用OSI 的物理层、数据链路层和用户接口。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介，传输速率9.6kbps—12Mbps［3］，响应时间为几百微秒到几百毫秒。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了设备可使用的应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。

3 控制系统的硬件组成

控制系统的硬件主要由工程师站、西门子控制器Simotion D425、伺服电源模块、伺服驱动模块、人机界面OP277、S7-300PLC、分布式I/O(ET200M)、伺服电源、伺服电机、变频器MM440 和交流电机等部分组成。整个控制系统的结构示意图如图2 所示。

图2 控制系统结构示意图

本控制系统中工程师站用于对整个控制系统的应用软件的设计，调试与维护。人机界面OP277，实现对整个自动线中的现场设备的数据监控，参数设置，报警显示，故障分析等，可实现自动线操作员实时地对现场设备进行监控。人机界面OP277 和S7-300PLC 之间进行快速数据交换与信息共享。

S7-300PLC 作为整个控制系统的主站，采用CPU315-PN［4］，其具有强大的数据处理功能，并集成了现场总线ProfiBus-DP 总线接口，通过ProfiBus 总线连接Simotion 运动控制系统、变频器、HMI 人机界面、远程I/O 装置，既满足了系统复杂的控制，使控制系统的可靠性大为提高。整个自动线的辅助装置，诸如上下料装置、输送装置、冷却、排屑、润滑等都是通过逻辑处理功能强大的CPU315-PN 来实现的。

系统的运动控制部分采用西门子运动控制器Simotion D425［5］。该型控制器是基于S120 驱动平台的驱动控制系统，结构紧凑并且具有强大的控制功能，最多可以控制16 根轴。运动控制和技术功能采用面向对象技术TOs(Technology Objects)实现的。其是通过开发环境配置来建立和实现参数化，在用户程序中通过调用命令来实现。

其通过Drive-CLiQ 总线接口与Simanics S120［6］的其他模块进行数据交换，实现连接轴的运动控制。

4 控制系统的软件设计

整个控制系统的软件设计按照系统硬件设计结构可分为三部分:工程师站监控程序设计、S7-300PLC 的程序设计、Simotion 运动控制模块的运动控制程序设计。三部分程序通过ProfiBus-DP 总线实现相互之间数据交换，实现对整个生产线的自动控制。控制系统数据交换如图3 所示。

图3 控制系统数据交换示意图

4.1 工程师站监控程序设计

人机界面监控程序设计采用Wincc Flexible 组态软件，采用SQL-server2005 for Wincc 数据库支持整个项目的数据处理和管理任务。在组态软件中，完成人机界面数据和S7-300PLC 中的数据地址的链接，在组态建立的HMI 和PLC 的连接中，实现HMI与PLC 的数据传输，完成人机界面监控整个自动线的动作状态和伺服位置信息。监控程序的设计基于简洁，能显示自动线状态，便于整个自动线故障分析和诊断的原则，程序采用图片监控和VBS 脚本结合的方式设计。自动线过程监控的四个工序车削工序、扩孔工序、攻丝工序、切槽工序以及其他装置的状态都以动态画面显示。主轴电机的转动，伺服电机的位置状态，各夹具状态，辅助设备电机的起动停止等状态采用VBS 脚本语言方式编程实现。动态画面的实现，采用了图片属性中的显示属性，利用VBS 脚本程序控制显示图片列表中的索引，实现画面的动态以及快慢显示。整个监控程序的软件结构如图4 所示。

图4 监控程序的软件结构示意图

显示动态画面的VBS 脚本是由定时脉冲上升沿触发执行的。定时脉冲是由S7-300PLC 提供的，通过定时调用脚本，计算整个自动线动作部分的状态参数，调用图形列表中不同索引的图片，实现对自动线生产状态的动态，直观显示。

4.2 PLC 程序设计

PLC 程序是基于西门子的软件开发环境Step7设计完成的。整个PLC 程序分为硬件配置，逻辑程序设计两部分组成。配置S7-300PLC 为整个网络的主站，地址设定为2，通信速率为1.5 Mbps，运动控制模块，人机界面模块，变频器，工程师站都设定为从站，从站地址按序排列。PLC 的逻辑程序设计分为:辅助设备动作逻辑设计、系统通讯数据处理、通讯故障处理三部分。辅助设备动作逻辑按照生产工艺要求实现控制。PLC 的数据读取是通过系统函数SFC65 和SFC66 来实现的，其代码实现如下:

对于在通讯中出现故障时，为了避免PLC 进入stop状态，还必须处理通讯故障模块OB82，OB86，OB122，保证即使网络中出现故障，PLC 仍然处于运行状态。

4.3 Simotion 运动控制程序设计

整个控制系统中的伺服轴和主轴都是通过simotion 运动控制模块实现控制的。Simotion D425 模块控制16 个轴，分别是8 个伺服轴和8 个变频器驱动的主轴。Simotion 运动控制程序是基于西门子的软件开发环境Scout 设计完成的。整个程序设计分为:硬件组态、系统驱动识别、轴配置、通讯数据处理以及驱动任务方式分配。与S7-300PLC 的程序设计一样，这里也必须做系统的硬件组态。

数据通讯部分调用内部发送函数_xsend，接收函数_xreceive 实现与S7-300PLC 的数据交换。接收ProfiBus 网络上HMI 从站上设定的伺服电机运行位置和速度参数，主轴电机的速度参数以及运动控制命令信息，发送当前伺服电机实际位置和速度，主轴速度，运动模块故障状态信息。实现设备和操作人员之间的数据交互。

运动控制流程序的设计采用运动流程图结合ST文本编程的方式实现的。Simotion D425 编程采用任务调用的方式控制轴运动，运动控制程序是被分配各不同类型的任务。用户程序任务(user program tasks)分为 启动任务StartupTask，自由运行任务MotionTasks 和BackgroundTask，时间中断任务以及同步任务。在本系统中，采用启动任务负责初始化运动控制的各参数，轴运动控制是放置在MotionTasks 这级，控制命令的逻辑处理放置在BackgroundTask 循环执行任务中。伺服轴运动控制流程如图5 所示。

图5 伺服轴运动流程图

控制命令的逻辑处理采用ST 文本编程，主要处理外部控制面板上发送的控制信号，按照设计调用不同的MotionTasks，实现运动控制。其程序代码如下所示:

在Simotion 中，变频器驱动的主轴也是配置成轴，其程序控制基本与伺服轴的控制相似。此外考虑到运动控制中故障处理，还必须给系统中的Fault-Task 诸如TimeFaultTask，TimeFaultBackgroundTask 等设计故障处理程序。

5 系统实现

基于ProfibusDP 总线控制的转向拉杆自动线系统的具体实现如图6 所示。整个生产自动线通过隔放料装置将工件自动有序地输送到待上料装置，由对中装置完成工件的预定位，再经步伐式输送装置将工件输送到各加工工位进行车削、扩孔、攻丝、铣槽工序的加工，待加工完成后再由输送装置将工件输送到下料装置，并对加工工件进行程序计数，当工件达到5 件时，挡料气缸挡料，翻转气缸翻转，将工件内废液倒去，然后翻转气缸回转，下料处的挡料气缸放料，实现整个流程的自动化加工。

图6 转向拉杆自动线实物图

因该自动线系统采用两端同时加工，车削、扩孔、攻丝、铣槽工序在自动线上同时进行，工件的上料和下料都是由系统自动控制实现，现场统计加工节拍平均为1.5min/件，生产效率得到极大地提高，同时因整个自动线系统都是自动上料，加工，下料，极大地减少了人为因素干扰，工件的加工精度得到了提高，加工后的工件经三坐标检测完全满足设计精度要求。

6 结束语

针对当前转向拉杆生产方式效率和精度低的状况，提出的采用基于ProfiBus-DP 总线技术设计的转向拉杆自动线系统，可靠性高，效率和精度都得到了很大的提高，同时提高了设备操作人员与设备的交互性和可操作性。系统通过人机界面的方式显示整个自动线运行的状况，并且具有故障诊断功能，便于维护人员对自动线设备的维护。目前，该系统已在相关企业投入使用，客户反映效果良好。

［1］王常力，罗安. 分布式控制系统设计与应用实例［M］. 北京:电子工业出版社，2005.

［2］罗志军，伊斌. 基于Profibus-DP 的PLC 与PC 现场总线控制系统［J］. 微计算机信息，2004，20(11):5－7.

［3］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.

［4］郑龙，龚红梅，王智. Intouch 与S7-300 PLC 的通讯［J］.石油化工自动化，2005(1):58－60.

［5］张素文，贺凯歌. 基于Profibus-DP 的PLC 与交流变频器通讯的实现［J］. 工业控制计算机，2008，21(5):58－59.

［6］徐振邦. 基于Profibus-DP 的控制系统的通讯实现［J］.机电工程技术，2009，38(7):43－45.