ＰＲＯＦＩＢＵＳ在柔性制造系统中的应用
摘要：柔性制造系统通常采用递阶控制的方式，其递阶结构一般分为四层：即工厂级、车间级、现场级和设备级。其中现场级与设备级的监控及信息集成系统是FMS的基础。将现场总线网络应用于柔性制造系统，利用西门子PLC S7-300作为柔性制造系统的主站，构建了基于PROFIBUS现场总线的FMS通信与控制的网络系统，保证了TL-50现场级与设备级的信息通讯。同时在监控主站上运用WINCC组态软件实现对物流系统的实时监控。
关键词：柔性制造系统(FMS) PROFIBUS 通信
1 柔性制造系统简介
柔性制造系统(FMS)是一项重要的先进制造技术，它是计算机集成制造系统(CIMS)的重要组成部分，也是制造业自动化的发展方向。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统，即Flexible Manufacturing System，英文缩写为FMS。它的出现标志了机械制造行业进入了一个新的发展阶段，克服了原来机械生产线只适合于大批量生产的刚性特征，能够适应中小批量、多品种的柔性生产方式，而且将手工操作减少到最低，具有很高的自动化特征。随着社会对多品种、中小批量产品的认同，对短生产周期、低制造成本的需求增加，加上微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备技术的日益成熟，柔性制造技术得到了广泛的应用。
1.1 柔性制造系统的组成 为了实现制造系统的柔性，FMS包括下列组成部分。①加工系统：柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定，主要有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等，用以自动地完成多种工序的加工。②物料系统：物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作，包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的巷道式立体仓库。③计算机控制系统：计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息，输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。④系统软件：系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作，包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。
1.2 柔性制造系统的分类 按规模大小，柔性制造系统FMS可分为如下三类。
1.2.1 柔性制造单元(FMC) FMC由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成，具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC的柔性最高，可视为柔性制造系统FMS的基本单元，是柔性制造系统FMS向廉价、小型化方向发展的产物。FMC问世并应用于生产比FMS晚6～8年，现已进入普及应用阶段。
1.2.2 柔性制造线(FML) 柔性制造线FML是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线，对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。FML采用的机床大多为多轴主轴箱的换箱式或转塔式组合加工中心，能同时或依次加工少量不同的零件。FML技术已日趋成熟，进入实用阶段。
1.2.3 柔性制造系统(FMS) FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心)，由集中的控制系统及物料系统连接起来，可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。
1.3 柔性制造系统通信与控制的特点 工厂自动化和大规模工业控制过程的一个核心问题是通信。通常，用于工业环境的分级网络包括工厂级、车间级、现场级和设备级等4个层次。FMS中的计算机网络是一种工业局部网，因此它与一般意义上的计算机网络有许多共同之处，但它又具有其特殊性。这其中最显著的就是，在工业局部网络中包含有大量的智能化程度不一、来自不同厂商的设备，这些设备相互之间无法进行数据交换。此时整个网络的开放性就显得尤为突出，以包容这些异种设备。
2 PROFIBUS简介
PROFIBUS是PROCESS FIELD BUS的缩写，PROFIBUS总线是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开发的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已经成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。
PROFIBUS技术1987年由SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发，符合欧洲标准EN 50170 V.2，是国际标准 IEC 61158 的组成部分（Type Ⅲ），2006年，中国国家标准化管理委员会审核通过了“PROFIBUS规范成为中国国家标准（GB/T20540-2006）”，是中国唯一批准的现场总线国家标准。
PROFIBUS主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROF
IBUS-FMS三部分组成：PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：主站和从站之间采用轮循的通信方式，数据传输速度高，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线；PROFIBUS-PA（Process Automation）：电源和通信数据通过总线并行传输，专为过程自动化设计，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有“本质”安全规范；PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：定义了主站和主站之间的通信模型，数据传输速度等，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。
PROFIBUS现场总线可以将数字自动化设备从底级（传感器/执行器）到中间执行器（单元级）分散开来。通信协议按照应用领域进行优化，故几乎不需要复杂的接口即可实现。对比ISO/OSI协议模型，PROFIBUS协议只包含第1层、第2层和第7层。
PROFIBUS协议的结构定向是根据ISO 7498国际标准以OSI为参考模型的PROFIBUS系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器等。它们没有总线控制权，仅对收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它们发送信息。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。
3 PROFIBUS在FMS中的控制与通信
TL-50是一套先进的柔性教学实验系统，该系统集先进的气动技术，PLC控制技术和PROFIBUS现场总线技术为一体，体现了现代工业柔性制造和物流管理的新概念和新技术，系统的结构如图3所示。
整个系统分为10个工作站，包括物料输入、测试、提取、加工、监控、组装、暂存、分选和成品输出，除监控主站和机械手主站外，每个站由一台PLC S7-300 控制，站间的物料传送由传送带上的移动式托盘来完成，各站配有多种传感装置和执行部件，体现出单元的柔性化和自动化特点。
整个系统沿用分层控制的思想，传感器和执行机构的设备层采用AS-i总线，单元级采用现场总线(PROFIBUS)的控制方式。利用PROFIBUS专用电缆连接各个柔性单元。工控机上安装有组态软件WINCC 5.1 AISA和STEP 7 V5.2的编程软件，通过PROFIBUS的通讯卡CP5611 PCI与下位机相连，构成PROFIBUS的主站。下位机采用西门子S7-300 PLC可编程控制器，由PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令。该PROFIBUS网络包括了7个313C-2DP 主站、一个314C-2DP 主站、一个ET200B从站以及上位机的监控主站。各个站单元采用了集成模块化设计、单独安装电源、CPU及I/O模块。313C-2DP和314C-2DP是西门子S7-300系列的处理器，可作为主站，也可作为从站，均带有MPI的编程接口和PROFIBUS的网络接口。ET200B是一种8入24出的输入输出接口模块，由它作为PROFIBUS的从站，用来连接不具备PROFIBUS接口的设备，例如RJ22AJ机械手。
3.1 主站与主站的通信 连接到PROFIBUS网络上的主站按它们总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。令牌按这个顺序从一个站传递到下一个站。获得令牌的主站拥有占用传输介质的权力，并用特殊的令牌帧使令牌往下一个站传递。S7-300的PLC与PLC之间的通信方式有三种：全局数据包通信方式、无组态连接通信方式和组态连接通信方式。S7-300的PLC与PLC之间的通信可以根据不同的实际情况分别采用以上三种方式。
3.2 主站与从站的通信 在主——从系统中，主站与从站采用主-从方式实现通信。主站有权发送、存取指定给它的从站设备，并周期地与从站交换数据。
3.3 上位机与S7-300 PLC的通信 S7-300的PLC与上位机之间的通信可用高级语言编程实现，但用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议，严格按照通信协议为计算机编写程序，对用户要求较高。比较方便的做法是选用专用的工控组态软件实现PLC与上位PC机之间的通信。使用工控组态软件不仅屏蔽了复杂的网络通信协议，也省去了不同通信设备的驱动程序编写，同时，工控组态软件还提供了功能性强大的组态工具。这里我们使用的是SIEMENS的WINCC (Windows Control Center)。
4 结论
FMS在我国改造传统生产模式中将有着广泛的应用前景。把PROFIBUS现场总线引入到柔性制造系统中，可以实现现场级与设备级的信息集成。PROFIBUS现场总线在柔性制造系统的发展中会有光明的未来。
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