基于PLC的产品自动打包生产网络通信系统设计

周杨芳，潘 强

(上饶职业技术学院，江西 上饶 334109)

1 设计需求

现代工业自动化生产现场常常需要组建集群网络通信系统，以实现集群化高效作业生产控制。其中，产品自动打包生产线是工业生产中的一类常见的控制系统，传统控制模式下，大多数中小企业引进的产品自动打包生产线均为“PLC+打包机”单一控制结构，尽管能够实现产品自动化打包生产作业，但难以进行集群化作业生产，且不能组建大规模自动化生产网络通信系统，影响产品自动打包生产作业控制的效率。基于此，本文以西门子S7-200型PLC为核心，构建产品自动打包“1个上位机+1个主站分流机+4个从站打包机”网络通信控制体系，实现1个中央控制系统下，多台打包机按照既定程序进行有序的集群化打包生产作业，既提升了集群化打包作业的效率，又优化了打包生产作业自动化系统的网络能效。

2 系统硬件设计

2.1 系统功能描述

本系统需要实现的功能为：以1台计算机作为上位机，配置Windows系统，通过RS485线缆连接1个主站分流机，上位机编写主程序用来向主站分流机发送打包控制总程序，4台从站打包机(可扩展)通过PPI线缆与主站分流机连接，实时接收主站分流机的打包分流程序，并执行相应的自动化打包作业。具体的系统组网通信结构如图1所示。实际作业时，TD200文本控制器向主站分流机发送程序，主站分流机接收指令后，控制产品有序地向4个打包机传输，每个打包机在接收到10个产品后，自动打包到包装纸箱中，之后再接收下一批产品，并自动循环作业。实际编程过程中，需要使用梯形图程序的传送指令、计数指令、网络读(写)指令等控制指令。

图1 产品自动打包生产网络通信结构示意图

2.2 系统硬件组建

基于PLC的产品自动打包生产系统由网络通信模块、PLC集群模块、传感器模块、传送打包模块等硬件部分构成，各硬件模块的组建方法如下。

1)网络通信模块。首先，将分流机(S7-200 CPU222型PLC)与TD200计算机之间的RS485通信接口用线缆连接起来，构建“上位机+主站分流机”之间的网络通信系统；其次，将分流机与4台从站打包机(S7-200 CPU221型PLC)之间的通信接口用双绞线和PPI线缆连接起来，组建“主站分流机+从站打包机”之间的网络通信子系统。此外，在STEP编程软件中，进行网络通信工作模式设置。

2)PLC集群模块。由1台CPU222型和4台CPU221型共5台西门子S7-200型PLC构成“主站+从站”PLC集群模块。

3)传感器模块。由光电传感器、接近开关、磁性开关等传感器组成，用于识别主站和各从站的产品数量，启动机械手抓取和搬运打包产品，进行自动化打包作业。

4)传送打包模块。由三项减速异步电机、西门子MM440变频器和传送带组成，在PLC控制下有序地传送待打包产品。

3 系统网络通信设计

3.1 网络通信地址分配

本系统网络通信地址包括数据接收和数据发送2个区域。其中，数据接收区地址为VB200、VB210、VB220和VB230 4个区域；数据发送区为VB300、VB310、VB320和VB330 4个区域，如表1所示。具体通信中，主站6从上位机接收打包总指令，并实时读取4个从站的状态字和打包产品计数值，主站的通信端口号为0，从VB200开始接收和发送缓冲指令。打包计数的数据接收缓冲区从VB200开始，至VB230结束，打包计数的数据发送缓冲区从VB300开始，至VB330结束。上位机、主站和各从站之间的数据由预先编订好的梯形图程序控制，并借助通信线缆进行传输。

表1 网络通信地址分配表

3.2 网络通信程序编写

系统打包作业的网络通信程序如图2所示，编程的整体思路为：主站接收上位机的指令，当上位机向主站发送“启动”指令后，主站PLC用NETR指令实时读取4个从站打包机的状态信息，当任意打包机接收到10个产品后，会向主站反馈一个接收指令，主站继续向该打包机传送10个产品，当该打包机接收完100个产品后，由机械手抓取这100个产品并进行装箱，之后，调用NETW指令清除状态字。程序中各网络的功能如下。

图2 系统打包作业网络通信程序

1)网络1功能：使用SM0.1指令进行初始化扫描，清空接收和发送缓冲区内的数据，允许PPI协议执行。

2)网络2功能：从VB200地址开始判断打包装箱的产品数量，当NETR指令被置1，说明相应的从站打包完100箱产品，之后装入待下一次发送和接收的数据内容，并调用NETW指令复位打包机的数据。

3)网络3功能：从站完成100箱产品打包后，完成位被置1，并将打包完成的作业计数次数存入VB400存储器中。

4)网络4功能：在打包机进行打包作业时，用于监控主站和上位机之间的通信数据。

3.3 网络通信参数设置

应用STEP7软件进行系统网络通信参数设置(见图3)，具体设置中，将网络通信的远程地址设置为“2”，以2号打包机从站的参数设置为例：远程PLC的数据发送地址选择从VB300开始，接收数据的地址选择从VB200开始，之后单击“下一步”，保存设置，其他从站的网络通信阐述设置以此类推。

图3 2号打包机从站网络通信参数设置图

4 系统生产效果测试

系统硬件和软件设计装配完成后，模拟产品自动打包生产现场环境进行测试。测试的方法为：由上位机向主站发送“启动”指令，主站即刻向各从站发送打包传送指令，之后用STEP软件监控主站和各从站之间的网络通信数据，并用组态软件监控产品打包生产的计数和装配效果，结果显示：该系统实现了产品自动打包生产的多级网络通信控制，打包作业的准确率、数据通信效率、响应时间均满足生产要求，具体如表2所示。

表2 系统打包生产作业测试统计表

5 结语

本文设计的系统基于PLC、工业控制、网络通信等多种技术，通过硬件和软件系统的组建，为产品自动打包生产作业提供了技术参照。由运行测试结果发现：本系统实现了上位机、PLC主站和PLC从站之间的有效数据通信，有效地提升了产品自动打包生产作业的效率、集群化程度和可靠性，具有较好的推广应用价值。