基于ProfiBusDP总线的转向拉杆自动线系统的设计与实现

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，但是大量的分布式的I/0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Sicmens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。

    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；llI位完成工件的钻孔及倒角工序；11I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的协议结构根据IS07498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，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0P277、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，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、HMl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。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。[page]

    其通过Drive-CLiQ总线接口与Simanics S120。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ProfiBusDP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，OBl22，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simo．tion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_xreeeive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Mo．tionTasks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：[page]

    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TimeFauhTask，TimeFaultBackgroundTask等设计故障处理程序。

5 系统实现

    基于基于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，整个生产线通过隔放料装置工件自动有序地输送到待上装置，由对中装置完成工件的预定位，在经步伐式输送装置将工件输送到各加工位进行车削、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发哦下料装置，并对加工工件进行计数，当工件达到5件时，挡斜料气缸，翻转气缸翻转，将工件内废液倒去。实现整个自动化加工。

    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。