基于西门子PLC的柔性制造系统实现

第５卷第３期　２ｏｏ７年９月　顺德职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｕｎｄｅ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｖｏ１．５　Ｓｅｐｔ．　ＮＯ．３　２０ｏ７　

辞　瓣　

基于西门子ＰＬＣ的柔性制造系统实现　

李玲　

（顺德职业技术学院电子工程系，广东佛山　５２８３３３）　

摘要：柔性制造系统能根据产品变化的要求，在短时间内完成系统改造，维护成本低，适　

应性强。通过对柔性制造系统结构的分析，给出了一个简易柔性制造系统的设计思路，并阐　

述了用西门子可编程控制器和ＰＲｏＦＩＢｕｓ—ＤＰ现场总线技术实现该柔性制造系统的方法。　

关键词：柔性制造系统；可编程控制器；现场总线　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７２—６１３８（２００７）０３—００３１—０３　

柔性制造系统ＦＭＳ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）　

是一个由计算机集成管理和控制的、用于高效地制造　

中小批量多品种产品的自动化制造系统。典型的ＦＭＳ　

由加工设备系统、物料储运系统和信息控制系统组　

成。柔性制造系统要实现物流、设备、信息的三重控　

制功能，通常采用分层递阶结构。最基本的ＦＭＳ通　

常采用单元层、工作站层和设备层三级分布式计算机　

控制系统，其中单元层控制系统是柔性制造系统的核　

心［　１。　现场总线技术是用于现场仪表和控制系统之间的　

一种全分散、全数字化、互连、多站点的串行通信技　

术，被誉为自动化领域的局域网。它特别适合于组成分　

布式计算机控制系统，将各分散的测控设备编成网络节　

点，以现场总线网络为传输纽带，实现节点互连、共同　

完成自控任务［４１。　

目前，柔性制造系统与现场总线技术均已得到广泛　

应用。将现场总线引入柔性制造系统中，以现场总线作　

为传输网络，结合柔性制造系统思想，组成全数字式柔　性制造系统网络不仅可行且兼具二者优点。结构简单，　

易于实现，可大大减少接线工作量，降低维护周期。本　

文采用国内应用广泛的ＰＲＯＦＩＵＳ—ＤＰ现场总线作为传输　

网络，并利用西门子ｓ７系列ＰＬＣ作为控制站，实现了　

全数字式的柔性制造系统。　１柔性制造系统结构　

本系统采用三层式分层递阶控制结构，含两个主　

站、七个从站。可以自动完成一套完整的送料、加工、　

检测、分拣、存储工序。其中主站相当于单元层控制系　

统，各从站组成工作站层，各从站的传感执行器组成设　

备层。　各从站与本站的传感执行器共同完成本站的控制　

及加工功能，分别实现工序中的一部分，主站负责协　调整个系统的工作。主站之间、主站与从站之间可以　

通信信要求，但需要由主站发起，从站只能响应主站　

的通信要求。　

２柔性制造系统的西门子ＰＬＣ实现　

基于以上设计思想，鉴于现代制造业仍大量使用　

ＰＬＣ控制，且ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７—３００（ＣＰＵ３１５—２ＤＰ）、　

Ｓ７—２００（ＣＰＵ２２６）工作可靠应用广泛，本系统采用了　

这两种ＰＬＣ，其中Ｓ７—３００用作一类主站，Ｓ７—２００用于　从站。为了实现主从站之间的通讯，采用了ＳＩＥＭＥＮＳ　

公司的ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线及ＥＭ２７７通讯模块。对　

各个从站分别配有ＰＣ机，各ＰＣ机均安装有ＳＩＭＡＴＩＣ　

ｓＴＦＰ７编程软件，可用于程序编制和修改。用一台ＰＣ　

机担任二类主站，该ＰＣ机通过ＣＰ５６１１连接到　

收稿日期：２００７—０４—１８　作者简介：李玲（１９８０一），女，湖北应城人，助教，硕士，研究方向：计算机控制技术。

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ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线上，可以通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线与　

一类主站和从站通信。该ＰＣ机上还装有ＷＩＮ　ＣＣ监控　软件，在此基础上开发的监控系统可以实时监视整个系　

统的运行状态。系统网络结构如图１所示。　

图１　系统网络结构图　

ＦＭＳ系统采用了现场总线控制技术，这是第五代　

现场总线控制系统ＦＣＳ的核心。与第四代分布式控制系　

统ＤＣＳ相比，ＦＣＳ采用了基于公开化、标准化的解决方　

案，同时结合了ＤＣＳ的集散系统结构，组成新型全分　

布式机构，把控制功能下放到现场。现场总线以ＩＳＯ的　

ＯＳＩ开放系统互联为参考模型。　

ＰＲＯＦＩＢＵＳ是作为德国国家标准ＤＩＮ　１９２４５和欧洲　

标准ＰＲＥＮ５０１７０的现场总线，由西门子公司为主的十　

几家德国公司和研究所共同推出。ＰＲＯＦＩＢＵＳ由　

ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＰＡ三部　

分组成。本系统采用的ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线用于分　

散外设间的高速传输，适用于加工自动化领域的应用。　

ＰＲＯＦＩＢＵＳ支持主一从系统、纯主站系统、多主多　

从混合系统等几种传输方式。其访问方式有主控方式、　

令牌方式和轮询方式。主站具有对总线的控制权，可主　

动发生信息。系统采用多主多从混合传输方式，有两个　

主站和七个分站。主站与主站之间以令牌方式传递信　

息，得到令牌的主站可以在一段规定的时间内拥有对总　

线的控制权。令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行　

方向进行传递。主站在得到控制权时，可按主从方式，　

向从站发送和索取信息，实现点对点通信圈。　

系统采用双绞线作为ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ传输介质，　

Ｓ７—３００（ＣＰＵ３１５—２ＤＰ）作为一类主站，ＰＣ机作为二类　

主站，７台ｓ７—２００分别作为七个从站。ＣＰＵ３１５—２ＤＰ集　

成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线接口装‘置，可直接与　ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线连接，ＰＣ机插有ＣＰ５６１１卡．　

通过该卡连接到ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线，ＣＰＵ２２６通过　

ＥＭ２７７模块连接到ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线上，并通过　

该模块与主站通信。　

考虑到ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ点数和内存容量有限，且其软件　

开发能力、数据处理能力和图形显示能力都不及微机，　

３２　单元层　

工作站层　

设备层　

采用了ＰＬＣ和ＰＣ机双互补主站。其中Ｓ７—３００一类主　

站负责完成整体控制过程，同时与ＰＣ机二类主站交换　

数据。ＰＣ机二类主站则运行组态软件包ＳＴＥＰ７和监控　

软件，并对设备进行硬件配置、从站输入输出读入、组　

态数据读人和从站地址更改等服务。　

ＳＴＥＰ７软件可以实现硬件组态、参数设置、编程、　

测试、调试和文档处理等功能。用ＳＴＥＰ７软件对　

Ｓ７—３００（ＣＰＵ３１５—２ＤＰ）进行配置时，应将Ｓ７—３００　

（ｃＰｕ３１５—２ＤＰ）配置为ＤＰ—Ｍａｓｔｅｒ（即一类主站），并分　

配好自身ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络地址、配置ＤＰ速率、协　议类型、从站类型、从站ＤＰ地址以及从站相关参数。　

软件设置的从站地址必须与ＥＭ２７７模块的地址设定旋　

转开关设定值相匹配。配置二类主站时，要将ＣＰ５６１　ｌ　

设置为ＤＰ　Ｍａｓｔｅｒ　Ｃｌａｓｓ　２（即二类主站），并与一类主站　

从属于一个系统　。系统的配置过程如图２所示。　

创建一个Ｓ７—３００项目　

添加ＰＴＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线　

｛　ｌ配置ｓ７—３００　ＣＰＵ３　１５—２ＤＰ　ｌ　（ＤＰ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ（１））　０　Ｉ添加ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＳＵＢＥＮＴ　

图２　

张力形成工艺示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　李玲：基于西门子ＰＬＣ的柔性制造系统实现　

在ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络中，主站和从站的ＤＰ地址　

都是唯一的。本系统将一类主站ＤＰ地址配置为ｌ，七　

个分站ＤＰ地址分别配置为２、３、４、５、６、７、８，二　

类主站ＤＰ地址配置为９。　

系统通信过程如下：令牌在一类主站和二类主站之　

间循环，得到令牌的主站可以控制总线，可以向从站和　

另一个主站发送信息或请求，从站将请求信息与自身配　

置参数相比较，参数一致的从站响应请求信息，执行相　

关操作，并反馈相应信息。　

在二类主站上还装有ＷＩＮ　ＣＣ监控程序包，它是一　

个集成的人机界面系统和监控管理系统，可以通过组态　

自由开发出自己的监控软件。ＷＩＮ　ＣＣ与从站之间不能　

直接通信，只有当从站的数据采集到主站之后才能与　

ＷＩＮ　ＣＣ用户程序交换。　

３结语　

柔性制造系统采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线技术　

与ＰＬＣ控制技术，结构简单，容易实现，系统维护时间　

短，且转型简单，更能实现柔性生产。本系统已成功实　

现并应用于某高校实验教学，系统运行效果良好，可２４　

小时无人看管运行。　

从发展的角度来看，该系统还可以继续提高集成　

度，可以在设备层和工作站层之间运用设备级现场总线　ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＰＡ，减少接线工作量。该ＦＭＳ系统还可以　向上扩展，在单元层以上通过以太网连接到工厂ＭＩＳ系　

统或工厂级管理系统，并可作为ＣＩＭＳ（计算机集成制　

造系统）的一部分。　

ＦＭＳ是一个上下沿扩展性都很强的系统，它能提　

高机床利用率、缩短生产周期、减少库存量，提高市场　

响应能力、降低劳动强度、改善生产环境，今后的应用　

会越来越广泛。　

参考文献：　

［１］徐杜．柔性制造系统原理与实践［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　

２００１：４５－６８．　［２］李秘．柔性制造系统技术及其发展［Ｊ】．ＰＬＣ＆ＦＡ，２００６，（８）：　

１１－１６．　［３］党保华．基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线的准柔性生产线控制系　统的设计［Ｊ】．矿山机械，２００６，（７）：１０４—１０５．　

［４］李正军．现场总线与工业以太网及其应用系统设计［Ｍ］．北　京：人民邮电出版社，２００６：６６—１３３．　［５】雷霖．现场总线控制网络技术［Ｍ】。北京：电子工业出版社，　

２００４：１６５—２１２．　［６］崔坚．西门子工业网络通信指南：上册［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２００４：３２６—３３６．　［７］廖常初．ｓ７—３００／４００　ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版　

社．２００５：３２３—３３０．　

Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　

ＬＩ　Ｌｉｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｕｎｄｅ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｆｏｓｈａｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５２８３３３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｈｏｎ　ｔｉｍｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｐｒｏｄｕｃｔ　ｒｅｑｕｅｓｔ，ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　

ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｎｔａｌｉｔｙ　ｏｆ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　

ｓｉｅｍｅｎｓ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ　ｆｉｅｌｄ　ｂｕｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．