沈翠鳳，李金友

(1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051;2.江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向拉桿是汽車底盤中的重要零件，生產(chǎn)批量非常大，年產(chǎn)量動(dòng)輒幾萬只甚至十幾萬只。目前國內(nèi)一般廠家均使用通用機(jī)床加工轉(zhuǎn)向拉桿，整個(gè)生產(chǎn)過程包含四道工序:車端面倒角、擴(kuò)孔、攻絲和切槽。首先在普通車床上對(duì)工件一端進(jìn)行車削并倒角、擴(kuò)孔、攻絲加工，加工完成后再掉頭加工另一端。切槽加工在萬能銑床上人工裝夾兩次進(jìn)行。工件加工的工序多，加工精度不高，自動(dòng)化程度低，工作效率低(加工一件須20 分鐘以上)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高(加工過程中須多次人工裝夾、更換加工刀具，甚至更換加工設(shè)備)。不能滿足大批量低成本的生產(chǎn)要求。因此，開發(fā)轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線系統(tǒng)非常必要。針對(duì)自動(dòng)線系統(tǒng)控制設(shè)備比較分散，相隔距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PLC 和工業(yè)智能設(shè)備一起直接連接構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)雖能完成控制任務(wù)，但是大量的分布式［1］的I/O 占用設(shè)備的硬件資源，并且會(huì)增加設(shè)計(jì)和維護(hù)的工作量。而采用智能通訊接口則能很好的解決上述問題，并且能獲得更多的系統(tǒng)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。ProfiBus-DP 現(xiàn)場總線可以大大減少布線工作量，避免信號(hào)干擾，使系統(tǒng)更可靠，并且無論在其性能，開放程度，可互換性和互可操作性上還是在其工業(yè)業(yè)績上都是比較突出的。因此本文自動(dòng)線控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線技術(shù)和Siemens 的工業(yè)組態(tài)軟件(WinFlexible)，組成以編程計(jì)算機(jī)(PC/PG)、Simotion 控制器D425、人機(jī)界面HMI及遠(yuǎn)程I/O 從站(ET200M)為站點(diǎn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向拉桿的生產(chǎn)工序控制，并且該總線控制系統(tǒng)靈活多變，可擴(kuò)展性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，造價(jià)較低。

1 自動(dòng)線簡介

本自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)用于轉(zhuǎn)向橫直拉桿系列車端面及倒角、鉆孔、攻絲及切槽加工，為自動(dòng)輸送四工位剛性加工自動(dòng)線。自動(dòng)線設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線系統(tǒng)圖

該自動(dòng)線由上料冷床工位、車端面倒角工位、擴(kuò)孔倒角工位、攻絲工位、切槽工位及下料工位組成，采用步伐式輸送裝置輸送工件，輸送步距1200mm。上料工位采用人工排料，自動(dòng)上料;Ⅰ工位完成工件的車端面及倒角工序;Ⅱ工位完成工件的鉆孔及倒角工序;Ⅲ工位完成工件的攻絲工序;Ⅳ工位完成工件的切槽工序;下料工位采用角度自動(dòng)可調(diào)下料裝置，可將拉桿中的冷卻液自動(dòng)排除。本自動(dòng)線具備外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高、加工效率高等的優(yōu)點(diǎn)。

2 通訊原理

ProfiBus 總線標(biāo)準(zhǔn)基于IOS/OSI 開放系統(tǒng)通訊模型，于1996 年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999 年底成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158 的組成部分，已被全世界接受。ProfiBus 由三部分組成:ProfiBus-DP、ProfiBus-PA(Process automation 過程自動(dòng)化)和ProfiBus-FMS(Field Bus Message Specification 現(xiàn)場總線信息規(guī)范)。其中ProfiBus-DP 是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、低成本的通訊連接，使用最為廣泛，專用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備(如分步式I/O、傳感器、執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器等)之間的通信。

ProfiBus-DP 的協(xié)議結(jié)構(gòu)［2］根據(jù)ISO7498 國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI 為參考模型，但只采用OSI 的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口。物理層定義了物理特性，它上接數(shù)據(jù)鏈路層，下連媒介，傳輸速率9.6kbps—12Mbps［3］，響應(yīng)時(shí)間為幾百微秒到幾百毫秒。數(shù)據(jù)鏈路層定義總線存儲(chǔ)協(xié)議，執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理出錯(cuò)檢測、出錯(cuò)恢復(fù)、仲裁和調(diào)度。應(yīng)用層定義了設(shè)備可使用的應(yīng)用功能，完成信息指令的翻譯，掌握數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和意義。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

控制系統(tǒng)的硬件主要由工程師站、西門子控制器Simotion D425、伺服電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面OP277、S7-300PLC、分布式I/O(ET200M)、伺服電源、伺服電機(jī)、變頻器MM440 和交流電機(jī)等部分組成。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本控制系統(tǒng)中工程師站用于對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，調(diào)試與維護(hù)。人機(jī)界面OP277，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)線中的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控，參數(shù)設(shè)置，報(bào)警顯示，故障分析等，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)線操作員實(shí)時(shí)地對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。人機(jī)界面OP277 和S7-300PLC 之間進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換與信息共享。

S7-300PLC 作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主站，采用CPU315-PN［4］，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，并集成了現(xiàn)場總線ProfiBus-DP 總線接口，通過ProfiBus 總線連接Simotion 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、變頻器、HMI 人機(jī)界面、遠(yuǎn)程I/O 裝置，既滿足了系統(tǒng)復(fù)雜的控制，使控制系統(tǒng)的可靠性大為提高。整個(gè)自動(dòng)線的輔助裝置，諸如上下料裝置、輸送裝置、冷卻、排屑、潤滑等都是通過邏輯處理功能強(qiáng)大的CPU315-PN 來實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分采用西門子運(yùn)動(dòng)控制器Simotion D425［5］。該型控制器是基于S120 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊并且具有強(qiáng)大的控制功能，最多可以控制16 根軸。運(yùn)動(dòng)控制和技術(shù)功能采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)TOs(Technology Objects)實(shí)現(xiàn)的。其是通過開發(fā)環(huán)境配置來建立和實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，在用戶程序中通過調(diào)用命令來實(shí)現(xiàn)。

其通過Drive-CLiQ 總線接口與Simanics S120［6］的其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)連接軸的運(yùn)動(dòng)控制。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可分為三部分:工程師站監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、S7-300PLC 的程序設(shè)計(jì)、Simotion 運(yùn)動(dòng)控制模塊的運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)。三部分程序通過ProfiBus-DP 總線實(shí)現(xiàn)相互之間數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)交換如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換示意圖

4.1 工程師站監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

人機(jī)界面監(jiān)控程序設(shè)計(jì)采用Wincc Flexible 組態(tài)軟件，采用SQL-server2005 for Wincc 數(shù)據(jù)庫支持整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理和管理任務(wù)。在組態(tài)軟件中，完成人機(jī)界面數(shù)據(jù)和S7-300PLC 中的數(shù)據(jù)地址的鏈接，在組態(tài)建立的HMI 和PLC 的連接中，實(shí)現(xiàn)HMI與PLC 的數(shù)據(jù)傳輸，完成人機(jī)界面監(jiān)控整個(gè)自動(dòng)線的動(dòng)作狀態(tài)和伺服位置信息。監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)基于簡潔，能顯示自動(dòng)線狀態(tài)，便于整個(gè)自動(dòng)線故障分析和診斷的原則，程序采用圖片監(jiān)控和VBS 腳本結(jié)合的方式設(shè)計(jì)。自動(dòng)線過程監(jiān)控的四個(gè)工序車削工序、擴(kuò)孔工序、攻絲工序、切槽工序以及其他裝置的狀態(tài)都以動(dòng)態(tài)畫面顯示。主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)的位置狀態(tài)，各夾具狀態(tài)，輔助設(shè)備電機(jī)的起動(dòng)停止等狀態(tài)采用VBS 腳本語言方式編程實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)畫面的實(shí)現(xiàn)，采用了圖片屬性中的顯示屬性，利用VBS 腳本程序控制顯示圖片列表中的索引，實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)以及快慢顯示。整個(gè)監(jiān)控程序的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控程序的軟件結(jié)構(gòu)示意圖

顯示動(dòng)態(tài)畫面的VBS 腳本是由定時(shí)脈沖上升沿觸發(fā)執(zhí)行的。定時(shí)脈沖是由S7-300PLC 提供的，通過定時(shí)調(diào)用腳本，計(jì)算整個(gè)自動(dòng)線動(dòng)作部分的狀態(tài)參數(shù)，調(diào)用圖形列表中不同索引的圖片，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)線生產(chǎn)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)，直觀顯示。

4.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 程序是基于西門子的軟件開發(fā)環(huán)境Step7設(shè)計(jì)完成的。整個(gè)PLC 程序分為硬件配置，邏輯程序設(shè)計(jì)兩部分組成。配置S7-300PLC 為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主站，地址設(shè)定為2，通信速率為1.5 Mbps，運(yùn)動(dòng)控制模塊，人機(jī)界面模塊，變頻器，工程師站都設(shè)定為從站，從站地址按序排列。PLC 的邏輯程序設(shè)計(jì)分為:輔助設(shè)備動(dòng)作邏輯設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)處理、通訊故障處理三部分。輔助設(shè)備動(dòng)作邏輯按照生產(chǎn)工藝要求實(shí)現(xiàn)控制。PLC 的數(shù)據(jù)讀取是通過系統(tǒng)函數(shù)SFC65 和SFC66 來實(shí)現(xiàn)的，其代碼實(shí)現(xiàn)如下:

對(duì)于在通訊中出現(xiàn)故障時(shí)，為了避免PLC 進(jìn)入stop狀態(tài)，還必須處理通訊故障模塊OB82，OB86，OB122，保證即使網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障，PLC 仍然處于運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 Simotion 運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)中的伺服軸和主軸都是通過simotion 運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)控制的。Simotion D425 模塊控制16 個(gè)軸，分別是8 個(gè)伺服軸和8 個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)的主軸。Simotion 運(yùn)動(dòng)控制程序是基于西門子的軟件開發(fā)環(huán)境Scout 設(shè)計(jì)完成的。整個(gè)程序設(shè)計(jì)分為:硬件組態(tài)、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)識(shí)別、軸配置、通訊數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動(dòng)任務(wù)方式分配。與S7-300PLC 的程序設(shè)計(jì)一樣，這里也必須做系統(tǒng)的硬件組態(tài)。

數(shù)據(jù)通訊部分調(diào)用內(nèi)部發(fā)送函數(shù)_xsend，接收函數(shù)_xreceive 實(shí)現(xiàn)與S7-300PLC 的數(shù)據(jù)交換。接收ProfiBus 網(wǎng)絡(luò)上HMI 從站上設(shè)定的伺服電機(jī)運(yùn)行位置和速度參數(shù)，主軸電機(jī)的速度參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)控制命令信息，發(fā)送當(dāng)前伺服電機(jī)實(shí)際位置和速度，主軸速度，運(yùn)動(dòng)模塊故障狀態(tài)信息。實(shí)現(xiàn)設(shè)備和操作人員之間的數(shù)據(jù)交互。

運(yùn)動(dòng)控制流程序的設(shè)計(jì)采用運(yùn)動(dòng)流程圖結(jié)合ST文本編程的方式實(shí)現(xiàn)的。Simotion D425 編程采用任務(wù)調(diào)用的方式控制軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制程序是被分配各不同類型的任務(wù)。用戶程序任務(wù)(user program tasks)分為 啟動(dòng)任務(wù)StartupTask，自由運(yùn)行任務(wù)MotionTasks 和BackgroundTask，時(shí)間中斷任務(wù)以及同步任務(wù)。在本系統(tǒng)中，采用啟動(dòng)任務(wù)負(fù)責(zé)初始化運(yùn)動(dòng)控制的各參數(shù)，軸運(yùn)動(dòng)控制是放置在MotionTasks 這級(jí)，控制命令的邏輯處理放置在BackgroundTask 循環(huán)執(zhí)行任務(wù)中。伺服軸運(yùn)動(dòng)控制流程如圖5 所示。

圖5 伺服軸運(yùn)動(dòng)流程圖

控制命令的邏輯處理采用ST 文本編程，主要處理外部控制面板上發(fā)送的控制信號(hào)，按照設(shè)計(jì)調(diào)用不同的MotionTasks，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。其程序代碼如下所示:

在Simotion 中，變頻器驅(qū)動(dòng)的主軸也是配置成軸，其程序控制基本與伺服軸的控制相似。此外考慮到運(yùn)動(dòng)控制中故障處理，還必須給系統(tǒng)中的Fault-Task 諸如TimeFaultTask，TimeFaultBackgroundTask 等設(shè)計(jì)故障處理程序。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于ProfibusDP 總線控制的轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如圖6 所示。整個(gè)生產(chǎn)自動(dòng)線通過隔放料裝置將工件自動(dòng)有序地輸送到待上料裝置，由對(duì)中裝置完成工件的預(yù)定位，再經(jīng)步伐式輸送裝置將工件輸送到各加工工位進(jìn)行車削、擴(kuò)孔、攻絲、銑槽工序的加工，待加工完成后再由輸送裝置將工件輸送到下料裝置，并對(duì)加工工件進(jìn)行程序計(jì)數(shù)，當(dāng)工件達(dá)到5 件時(shí)，擋料氣缸擋料，翻轉(zhuǎn)氣缸翻轉(zhuǎn)，將工件內(nèi)廢液倒去，然后翻轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)，下料處的擋料氣缸放料，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的自動(dòng)化加工。

圖6 轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線實(shí)物圖

因該自動(dòng)線系統(tǒng)采用兩端同時(shí)加工，車削、擴(kuò)孔、攻絲、銑槽工序在自動(dòng)線上同時(shí)進(jìn)行，工件的上料和下料都是由系統(tǒng)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)加工節(jié)拍平均為1.5min/件，生產(chǎn)效率得到極大地提高，同時(shí)因整個(gè)自動(dòng)線系統(tǒng)都是自動(dòng)上料，加工，下料，極大地減少了人為因素干擾，工件的加工精度得到了提高，加工后的工件經(jīng)三坐標(biāo)檢測完全滿足設(shè)計(jì)精度要求。

6 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)向拉桿生產(chǎn)方式效率和精度低的狀況，提出的采用基于ProfiBus-DP 總線技術(shù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線系統(tǒng)，可靠性高，效率和精度都得到了很大的提高，同時(shí)提高了設(shè)備操作人員與設(shè)備的交互性和可操作性。系統(tǒng)通過人機(jī)界面的方式顯示整個(gè)自動(dòng)線運(yùn)行的狀況，并且具有故障診斷功能，便于維護(hù)人員對(duì)自動(dòng)線設(shè)備的維護(hù)。目前，該系統(tǒng)已在相關(guān)企業(yè)投入使用，客戶反映效果良好。

［1］王常力，羅安. 分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］羅志軍，伊斌. 基于Profibus-DP 的PLC 與PC 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)［J］. 微計(jì)算機(jī)信息，2004，20(11):5－7.

［3］崔堅(jiān)，李佳. 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］鄭龍，龔紅梅，王智. Intouch 與S7-300 PLC 的通訊［J］.石油化工自動(dòng)化，2005(1):58－60.

［5］張素文，賀凱歌. 基于Profibus-DP 的PLC 與交流變頻器通訊的實(shí)現(xiàn)［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(5):58－59.

［6］徐振邦. 基于Profibus-DP 的控制系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(7):43－45.