基于ProfiBusDP總線的轉(zhuǎn)向拉桿自動(dòng)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向拉桿是汽車底盤(pán)中的重要零件，生產(chǎn)批量非常大，年產(chǎn)量動(dòng)輒幾萬(wàn)只甚至十幾萬(wàn)只。目前國(guó)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(guò)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(wàn)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(guò)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(kāi)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)，但是大量的分布式的I/0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(wèn)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(chǎng)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(wú)論在其性能，開(kāi)放程度，可互換性和互可操作性上還是在其工業(yè)業(yè)績(jī)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(chǎng)總線技術(shù)和Sicmens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(chǎng)總線控制系統(tǒng)來(lái)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(jiǎn)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。

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；llI位完成工件的鉆孔及倒角工序；11I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(kāi)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(guó)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(guò)程自動(dòng)化)和ProfiBus-FMS(Field Bus Message Specification現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范)。其中ProfiBus．DP是一種經(jīng)過(guò)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(chǎng)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)根據(jù)IS07498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以開(kāi)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，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(cè)、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(mén)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0P277、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(chǎng)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(chǎng)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，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，并集成了現(xiàn)場(chǎng)總線ProfiBus—DP總線接口，通過(guò)ProfiBus總線連接Simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、變頻器、HMl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(rùn)滑等都是通過(guò)邏輯處理功能強(qiáng)大的CPU315-PN來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分采用西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制器Simotion D425。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(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境配置來(lái)建立和實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，在用戶程序中通過(guò)調(diào)用命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。