基于PROFIBUS现场总线的PLC控制系统设计.pdf

2 0 1 0年 1 1月 第 3 8卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS NO V ．2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 2 ． 0 3 6 基于 P R O F I B U S 现场总线的 P L C控制系统设计 张坤 ，谭 晓东 1 ．南车青岛四方机 车车辆股份有限公司，山东青岛 2 6 6 1 1 1 ； 2 ．大连交通大学，辽宁大连 1 1 6 0 2 8 摘要采用基于 P R O F I B U S现场总线的触摸屏和 P L C设计压装机控制系统。介绍该控制系统硬件的选型、伺服系统的 设计和软件的设计。P L C提高控制系统的可靠性、增强系统的抗干扰能力，触摸屏则为整个控制系统提供艮好的人机操作 界面，加上伺服控制具有自动、快速、精密的优点，使整个压装控制系统的可靠性提高、运行成本降低。 关键 词 P L C ；触摸屏 ；伺服系统 ；压装机 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编 号l O O t一 3 8 8 1 2 0 1 0 2 21 0 4 3 De s i g n O f PLC Co nt r o l Sy s t e m Ba s e d o n PROFI BUS ZHANG Ku n ．TAN Xi a o d o n g 1 ． C S R Q i n g d a o S i N n g L o c o m o t i v e a n d R o l l i n g S t o c k C o ． ，L t d ． ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 1 1 1 ，C h i n a ； 2 ． D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， D a l i a n L i a o n i n g l 1 6 0 2 8 ，C h i n a Abs t r a c tPr e s s u r e c a p a c i t y c o n t r o l s y s t e m wa s d e s i g n e d a d o p t i ng t o u c h s c r e e n a n d P LC b a s e d o n PROFI BUS．Th e s e l e c t i o n o f t h e h a r d wa r e a n d t he de s i g n o f t he s e r V o a n d t he s o f t wa r e we r e i n t r od u c e d．Re l i a b i l i t y i s i mpr ov e d a nd a nt i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y o f t h e s y s t e m i s e n h a n c e d b y P L C，wh i l e a g o o d h u ma n ma c h i n e i n t e rf a c e i s p r o v i d e d b y t o u c h s c r e e n ．C o u p l e d wi t h t h e a d v a n t a g e s o f a u t o ma t i e ，h i g h s p e e d a n d p r e c i s i o n o f s e r v o ，r e l i a b i l i t y o f t h e p r e s s u r e c a p a c i t y c o n t r o l s y s t e m i s i mp r o v e d a n d o p e r a t i n g c o s t i s i n c r e a s e d ． Ke y wo r d s P r o g r a mma b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r ；T o u c h s c r e e n；S e nro s y s t e m ；P r e s s u r e c a p a c i t y 可编程控制器 P L C提高了控制系统的可靠性、 增强 了系统的抗 干扰能力 ，触摸屏则为整个控制 系统 提供了良好的人机操作界面，加上伺服控制所具有的 控制精度使它们越来越广泛地应用 于工业生产 的各个 领域。 作者所要阐述 的就是 基 于 P L C和触摸 屏 的伺服 控制技术在汽车传动装置的压装生产上的应用。为保 证压装控制 系统 的运行 并 提高其 可 靠性 ，采 用 S I E M E N S的触 摸屏 、S I E M E N S公 司 的 7 - 3 0 0系列 P L C 和 6 1 1 U伺服驱动器对压装机的控制 系统进行设计 。 1 压 装机 工作原 理 1 ． 1 压装机工序 压装机 的压装轴 工序 主要包括归 零 、摆放 工件 、 压装轴旋转 到压装位 、上下油缸压装 、压装轴旋转到 卸件位、下件气缸压下、推件气缸推进翻转缸、翻转 气缸翻转将工件送到传送轨道；压装机的换压头轴工 序主要包括归零 、换头轴旋转 、上油缸动作 、夹紧油 缸松开 夹 紧 卸下 装 上 压头 。为 了保证 压装 机工作的可靠性 ，控制系统必须满足以下要求 1 需检测压装机 的工 件摆 放位置 、压 头选择 、 胎具胎垫选择 ，保证压装质量和安全 ； 2 每个工步均 可在手动和 自动状态下工作 ； 3 考虑到 压装 轴和换 头轴 同时转 动存 在安全 隐患 ，要求两个轴的动作实现互锁 ； 4 实现系 统压装 和卸 件动作 同时进行 的控制 要求 ，但是在压装 完最后一 个工件 要实现单 独卸件 ， 压装动作停 止 ； 5 考虑 到 翻转动作 过快 有安 全 隐患 ，要求 翻 转速度 能得到控制 。 1 ． 2 系统组成 系统主 要 由触 摸屏 、可编程 控 制器 、伺 服驱 动 器 、伺服电机 、液压站等构成 ，参见图 1 。 图 1系统 配 置 框 图 该控制 系统 主要通过 P L C程 序来控制 伺服电机 、 油缸 的压力 以及 油缸 的运 动位 移 以达 到控制 压件 质 量 ；同时根据要求实现更换压 头以达 到压装要求 。触 摸屏作为人机界面可以进行工 艺参数 的设定 、运行状 态的监控等。可编程控制器 P L C是整个控制系统的 核心 ，它存储工艺参数并通过一定的控制算法控制伺 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 3 作者简介 张坤 1 9 8 3 一 ，男 ，设计师 ，研究方 向为 自动化控制 。电话 1 5 2 5 4 2 1 0 2 9 8 ，E ma i l z h k 1 9 8 3 4 1 6 3 ． e o m。 第 2 2期 张坤 等 基于 P R O F I B U S现场总线的P L C控制系统设计 1 0 5 服驱 动器 和 系统 的动 作顺序 。伺 服驱 动 器将 P L C给 定 的控制信号转换 、放大驱动伺服 电机工 作 ，伺服 电 机作 为执行单元 通过机械传动完成 压装 轴和换头轴动 作要求，再通过伺服驱动器将伺服电机的状态信号反 馈 给 P L C以便 控制下 一步动作 。 2 系统的硬件设计 2 ． 1 硬 件 的 选型 图 2 系统控制示意 图 根据系统 的控 制要求 ，采用 S I E M E N S公 司的 P s 3 0 7 1 0 A电源模块 。P L C是整个 控制 系统 的核 心 ，采 用 S 7 3 0 0系列的主控模块 C P U 3 1 4 - 2 D P 。根据 系统 脉 冲使 能 驱动 器使 能 驱动 器 复位 控制要求及操作流程 ，为保证系统 I ／ O点数 的需要并 留出 空 间 ，选 择 3块 1 6个 点 输 入 模 块 S M 3 2 1 D I 1 6D C 2 4 V 和 3块 8个 点 输 出 模 块 S M 3 2 2 D O 8 D C 2 4 V扩展 模 块 。触 摸屏 采 用 S I E ME N S公 司的 O P 1 7 7 B m o n o D P触 摸 屏 。伺 服采 用 S I E ME N S 公司的 6 1 1 U伺服驱 动和伺 服 电机 。触摸 屏通过 P L C 的 MP I口实 现通 讯 ，6 1 1 U与 P L C的通 讯 是通 过 D P 口实现 的。图 2是系统的控制 图。 2 ． 2伺服 系统设 计 作者设计 的闭环伺 服驱 动系统 由伺 服 电机 、 伺服驱动器、增量编码器、伺服制动器组成。伺服电 机是运动 的执行单元 ，负责动力输 出。系统通过驱动 器接受主控机发出的控制信号完成运动功能。整个系 统具有响应速度快 、运行平稳 、定位精度高的特点。 S I MO D R I V E 6 1 1 u 伺 服驱 动器 和伺 服 电机 能满足 系统 的控制要求 即压装轴 和换 头轴 都受控制 ，都 能实 现点动 ，且在分别归 零后 能按要 求转 动不 同的角度 ， 要有准确的定位及有闭环位置控制和速度控制。 接线 如 图 3所示 。 图 3 伺 服驱动器和伺服 电机接线 图 1 0 6 机床与液压 第 3 8卷 3系统的软件设计 3 ． 1 P C ／ P G机与 P L C的 P R O F I B U S总线的连接组 态 1 在 【 S I M A T I C M a n a g e r 】界面中，通过菜单 项 【 选项】 【 设置 P C ／ P G接 口】设置 P C ／ P G接口； 2 选择 一 个接 口，作者 选 择 的是 P C A d a p t e r P R O F I B U S ，再单击 【 属性】按钮，在弹出的对话 框 中对该接 口的参数进行设置。 3 ． 2 D P主 、从 站组 态 1 建立 D P主站。在 【 H W C o n fi g 】 中双击 【 D P 】弹出对话框，按下对话框里的 【 属性】按钮 后在属性的对话框新建一个 P R O F I B U S D P主站，选 择设 置地址 ； 2 完成 D P主站 的设置后 才可 以在 P R O F I B U S 总 线 上 插 入 一 个 从 站。 如 S I M O D R I V E 6 1 1 U M C， P O S M O，再配 以与设备对 应 的 G S D文件 ，双击 所插 入的从站 ，按下对话框 中的 【 P R O F I B U S 】按钮。设 置从站地址 。 3 ． 3 P L C程序设计 编程采用 S I M A T I C Ma n a g e r 专业 软件包。它基于 P C机 ，适用 于 S I E ME N S 公 司 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C用户程 序的编制和监控 ，通过 U S B接 口与 P L C编程 口相连 ， 其编程 语 言是 S T E P 7 ，S T E P 7支 持 L A D 梯形 图 、 S T L 语句表 、F B D 功 能图 编 程方 式 。系 统采 用程序块的形式管理用户编写的程序，使得程序结构 明确 、清晰且更 具 s 7 ． 3 0 0 P L C程序 编写 特点 ，满 足 整个压装机的控制逻辑和控制功能要求 。系统 的控制 程序主要由 1个组织块 O B 1 、9个 F C块 F C 1～ F C 8 、F C 1 0 5 、3个 数 据 块 D B 3 、D B 4 、D B 9 、2 个系统功能 S F C 1 4 、S F C 1 5 组成。 下面主要就主从站通讯程序做一些说明。 系统功能 S F C 是集成 在 s 7 C P U中的预编程 功能 ，可以在 程序 中调用 S F C 。S F C 1 4 、S F C 1 5是为 了主 站 P L C与从 站伺 服驱 动 器进 行通 讯 而调用 的 ， S F C 1 4打包接收 ，S F C 1 5打包发送 。下面是该 系统的 主从站通讯调用 S F C 1 4 、S F C I 5的程序及解释 。 CAL L ”DPRD DAT” S FC1 4 Re a d C o n s i s t e n t Da t a o f a S t a n d a r d DP S l a v e L AD D R W 1 6 O ＼ ＼读取数据 的起始地址 RET _V A L MW8 0 ＼ ＼ 状态字 返 回错误代码 R E C O R D P M 2 0 ． 0 B Y T E 1 0 ＼ ＼ 通 信数 据 区 ，存储 区为 M B 2 0一M B 2 9 ，一般为 A N Y指 针格 式 CALL ”DPRD DAT” S F C1 4 Re a d Co n s i s t e n t Da t a o f a S t a n d a r d DP S l a v e LADDRW1 6 1 0 8 RE I 1 一 VAL MW 1 8 O RECORDP M 1 5 8 ． O B YT E 1 0 CAL L ”DPWR DAT” S FC1 5 Wr i t e C o n ． s i s t e n t Da t a o f a S t a n d a r d DP S l a v e L A D D R W 1 6 0 ＼ ＼读取数据的起始地址 R E C O R D P M 8 ． 0 B Y T E 1 0 ＼ ＼ 通信数据区， 存储 区为 MB 8一M B 1 7 ，一般为 A N Y指针格式 RE T V A L MW3 0 ＼ ＼ 状态字 返回错误代码 CAL L”DPWR DAT” S FCl 5 Wr i t e Co n s i s t ent Da t a o f a St a nda r d DP Sl a ve LADDRW 1 6 1 0 8 REC0RDP M 1 0 8 ． 0 BYTE 1 0 R E T _ V A L MW1 3 0 Y 上 0 I 循 环启 动 』 I 轴 正转 1 2 0 。f l 压件 气缸 下降 ● ’ 上 油缸 下 降 推料 缸前 进 ● t 下 油缸上 项 托 盘上 升 ● 压 件气 缸上 升 ＼ ／ ● Y ● 推 料缸返 回 下油 缸返 回 不合格 确 认 ● ● ● 翻 转 缸翻转 上 油自 返 回 下 油缸 返 回 ● t 下料 确 认 A 轴 反转 1 2 0 。 ● 翻转缸返回l ● 托盘 下降 1 循 环 结 束 图 4自动方式程 序流程 图 根 据工艺要求 ，流程图如图 4所示 系统初始化 后进入 自动模式 ，在上料 工位人 工装 载被压装零 件 ， 启 动循环压装 ，被压装零件旋转到压装工位 ，压装及 在下料工位 自动卸料到输送 线上 ，同时并行 。在压装 过程 中检测压装力是否满足要求 ，如果满足要求则继 续进行 ，否则停止压装动作 ，退 回到装料位置将不合 格零件卸载。 3 ． 4触摸屏 的设 计 该控制 系 统 使用 了一 台 S I MA T I C H M I O P 1 7 7 B n l o n o D P触 摸屏 ， 5 ． 7英寸液 晶显示 。它结 构小巧 ， 下 转第 3 5页 第 2 2期 黄景飞非 回转体类零件数控铣削加工分析 3 5 零件铣削 自动编程加工工序 上平 面铣 削一 外 、内轮 廓加 工一 挖铣 内腔一挖铣腰形槽一钻 4孔 。图 3零 件 为铣 削上平 面一 外轮廓加工一挖铣 内腔一 挖铣腰 形槽 一钻 4孔各工序走 刀轨迹 。图 1为零 件铣削的仿真加 工 。图 4为 S I E M E N S 系统加工 程序。 ㈣I I l l I II I ⋯㈣ ■ Ⅷ i 嚣锄 e r 毫 t i 瓤 s ， I s e l e e L e d 曩 张 e 矗 融墨 l I 茹 二 品 坠 l 参P 铺 -奄 t e r s j 蔓 l c 肇 l { 警 l g l B 0 o E 硼 I _一 ■ 一 e t y ～ b g 姓 ． 兰 璧 I ≤ I 一 。 位B 棚 ； 一r 、辩 、 盥 l ■ l 一 *l 0， W t 8 鹏 1 ． 篇 ■辱 _ _ l 霸 E a 口 曩 - 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