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      智能制造生產(chǎn)線中各設(shè)備之間的以太網(wǎng)通訊應(yīng)用

      2020-09-10 11:16:11姚天曉
      內(nèi)燃機與配件 2020年11期
      關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線智能制造

      姚天曉

      摘要:由德國西門子Siemens公司提出的PROFINET現(xiàn)場總線作為一種在工業(yè)控制中發(fā)展起來,應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之間的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò),具有組網(wǎng)簡單、可靠性高、通訊高效等優(yōu)點。該文以全國智能制造應(yīng)用技術(shù)技能大賽比賽設(shè)備,切削加工智能制造系統(tǒng)具體應(yīng)用為例,詳細(xì)闡述了在PROFINET現(xiàn)場總線中,以西門子自動化設(shè)備為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)通訊應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;以太網(wǎng)通訊;智能制造;MES系統(tǒng)

      0? 引言

      全國智能制造應(yīng)用技術(shù)技能大賽中,以切削加工智能制造單元技術(shù)平臺作為競賽平臺,通過機器人代替人工為數(shù)控車床與加工中心上下料作業(yè),實現(xiàn)上料、加工、檢測、下料等過程自動化。為了智能制造產(chǎn)線實現(xiàn)自動化智能化的生產(chǎn),MES系統(tǒng)、RFID讀寫器、數(shù)控車床、加工中心、觸摸屏、PLC、工業(yè)機器人等設(shè)備必須有大量的信息交互的,所以必須建立設(shè)備之間的通訊。

      1? 基于S7-1200的MODBUS TCP通訊

      該比賽賽項的設(shè)備是多家公司提供的,我以江蘇匯博機器人技術(shù)股份有限公司提供的設(shè)備為例來說:首先,簡單闡述一下智能制造系統(tǒng)中各設(shè)備之間的通訊關(guān)系。匯博公司的MES系統(tǒng)是自己研發(fā)的MES系統(tǒng),通過計算機搭建服務(wù)器,組建一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),CAD/CAM軟件設(shè)計系統(tǒng)以及負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的中央控制系統(tǒng)主控PLC均通過TCP/IP的方式接入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與MES系統(tǒng)相連。MES系統(tǒng)還直接與設(shè)備層的數(shù)控機床及加工中心相連,實現(xiàn)加工程序的上傳。機器人與中央控制器德國西門子S7-1200PLC交互的信號較多,是通過Modbus TCP來實現(xiàn)的。中央控制器配有一個人機界面,它和安裝于機器人末端的RFID 讀寫器均通過Profinet與中央控制器相連。

      1.1 PLC與機器人的MODBUS TCP通訊

      PLC是這套設(shè)備負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的中央控制系統(tǒng),指定使用的是西門子S7-1200PLC,而機器人是匯博HB3-760-C10型機器人。因為PLC是由西門子公司生產(chǎn),機器人是國產(chǎn)品牌匯博公司生產(chǎn),它們之間走以太網(wǎng)通訊會比較方便,又因為MODBUS TCP通訊協(xié)議常常為PLC、I/O模塊以及其他現(xiàn)場總線設(shè)備提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)。所以我們是使用MODBUS TCP通訊來實現(xiàn)S7-1200PLC與匯博工業(yè)機器人的信息交互。

      為了實現(xiàn)PLC與工業(yè)機器人的MODBUS TCP通訊,必須分四步來完成:

      第一步,系統(tǒng)硬件組態(tài),就是使用西門子公司TIA Portal V14的自動化軟件,按這套設(shè)備的硬件匹配的型號對S7-1200PLC、觸摸屏TP700comfort、RFID讀寫頭進行硬件組態(tài)。第二步,設(shè)備的IP地址設(shè)定,PLC的IP地址設(shè)成192.168.8.10、HMI的IP地址設(shè)成192.168.8.11、機器人的IP地址設(shè)成192.168.8.103等等。其中要注意的是,設(shè)備的IP地址192.168.8.11前三個數(shù)據(jù)是網(wǎng)段,要一樣,最后一個是地址,不能相同。第三步,為通訊設(shè)備數(shù)據(jù)編寫存儲數(shù)據(jù)的讀寫DB塊。從PLC寫到機器人的命令是16個實數(shù),從機器人讀到PLC的機器人狀態(tài)也是16個實數(shù)。第四步通訊程序編寫,如圖1所示,PLC與機器人的MODBUS TCP通訊使用的指令是“MB_CLIENT”,“MB_CLIENT”指令作為MODBUS TCP客戶端通過 S7-1200 CPU的PROFINET以太網(wǎng)連接進行通信。 使用該指令,無需其它任何硬件模塊。 通過“MB_CLIENT”指令,可以在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請求、接收響應(yīng)并控制Modbus TCP服務(wù)器的連接終端。其中要注意的是:指令中的REQ是指與Modbus TCP服務(wù)器之間的通信請求,只要REQ=1,指令就會激活,發(fā)送通信請求。指令的DISCONNECT參數(shù),通過該參數(shù),可以控制與Modbus服務(wù)器建立和終止連接,DISCONNECT=1就會斷開通訊連接,所以設(shè)成0就可以了。IP地址就設(shè)成機器人的地址192.168.8.103。MODE為1就是PLC的命令寫到機器人,MODE為0就是PLC讀取機器人狀態(tài)。我認(rèn)為就是因為有了PLC的命令寫到機器人,并且機器人把它的狀態(tài)反饋給PLC,有這樣的信息交互,才能使智能制造產(chǎn)線生產(chǎn)更加的穩(wěn)定。例如,我的程序讓PLC讀取機器人的第五個實數(shù)DB2.DBW8為3,是機器人通過PLC來控制車床把安全門打開,而車床的門打開后,PLC寫給機器人的第五個實數(shù)DB2.DBW40也為3,是告訴機器人車床門已經(jīng)是打開狀態(tài),機器人接收到信息后,才能拿著工件去車床加工。這些設(shè)備生產(chǎn)就會更加可靠。

      1.2 PLC與MES系統(tǒng)的MODBUS TCP通訊

      智能產(chǎn)線MES系統(tǒng)作為是部署在電腦上的、運用于自動產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的總控PLC對MES下發(fā)的指令進行分析處理后,再給七軸工業(yè)機器人、機床下發(fā)指令。匯博的MES系統(tǒng)與西門子S7-1200plc也是通過MODBUS? TCP來進行通訊,它們用的是指令MB_SERVER來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)PLC與MES系統(tǒng)的MODBUS TCP通訊,必須分四步來完成:其中前三步跟PLC與機器人的MODBUS? TCP通訊一樣,就不重復(fù)敘述,只講第四步程序編寫,通訊程序如圖2,注意的是,參數(shù)MB_HOLD_REG為指向“MB_SERVER”指令中 Modbus 保持性寄存器的指針,MB_HOLD_REG為P#DB3.DBX0.0 WORD 200表示的是PLC與MES系統(tǒng)通訊的區(qū)間是在數(shù)據(jù)塊DB3的前200個實數(shù)。這200個實數(shù)的定義是已經(jīng)被MES系統(tǒng)設(shè)定好了。像是匯博編寫的MES系統(tǒng),它規(guī)定,第一個實數(shù)到第四個實數(shù)D1、D2、D3、D4,分別是MES系統(tǒng)給PLC的命令、取料位、放料位和設(shè)備號,例如下發(fā)訂單時,MES下發(fā)一個D1=102、D2=10、D3=10、D4=1,意思就是MES下發(fā)加工訂單,讓機器人從10號倉位取物料,拿去車床加工,加工完放回10號倉位。如果PLC在D3、D32、D33、D34這四個實數(shù)中,也會給MES一個D31=102、D32=10、D33=10、D34=1,這就是告訴MES系統(tǒng),PLC已經(jīng)接到并響應(yīng)MES的命令了,而MES接收到PLC給MES的響應(yīng)信息后,就會把數(shù)據(jù)清零,最后PLC也把數(shù)據(jù)清零,這樣就完成了一個信息的交互。這樣如果PLC或者MES系統(tǒng)發(fā)生了故障,就不能完成命令與反饋,PLC就不會給機床與機器人下達錯誤命令了。從而提高了智能產(chǎn)線的可靠度。

      2? 以太網(wǎng)通訊

      S7-1200PLC與觸摸屏TP700、RFID讀寫器RF180C的通訊方式是PROFINET通訊,實現(xiàn)PROFINET通訊,第一步設(shè)定IP地址,設(shè)備間通過IP地址互相訪問,其中S7-1200PLC與觸摸屏只需要第一步設(shè)置設(shè)備的IP地址就能正常使用,而RFID讀卡器就要繼續(xù)往下設(shè)置才能使用。第二步分配設(shè)備名稱,RFID讀寫器就還要繼續(xù)分配設(shè)備名稱,組態(tài)設(shè)備參數(shù),這時設(shè)備已經(jīng)配置好。第三步編寫數(shù)據(jù)塊,編寫用于存儲讀出的數(shù)據(jù)、寫入的數(shù)據(jù)DB8、DB9兩個數(shù)據(jù)塊。

      第四步,編寫RFID讀卡器的復(fù)位及讀寫程序。首先我們要了解在機器人末端安裝有RFID讀卡器,用于對倉庫各RFID芯片進行讀寫,以讀取或更新各倉位工件狀態(tài)。讀寫器上帶有感應(yīng)裝置,當(dāng)讀寫器靠近RFID芯片,感應(yīng)裝置被觸發(fā),控制器獲得到位信號,即可對RFID芯片進行讀寫操作。如圖3,當(dāng)我們配置好西門子讀寫器RF180CV2.2并且編寫出RFID的復(fù)位指令RESET_rf300,讀寫器就會亮綠光,就能執(zhí)行讀寫任務(wù)。如果沒有位置好,讀寫器就會亮藍(lán)光,這時讀寫器是不能正常使用的。

      如圖4,當(dāng)執(zhí)行“寫”的命令時,就會把我們做好DB塊db9的前十個字節(jié)通過讀寫器的數(shù)據(jù)塊DB1寫進芯片。同樣,如圖5當(dāng)執(zhí)行“讀”的命令時,就會把芯片中的數(shù)據(jù)通過讀寫器的數(shù)據(jù)塊DB1傳送到我們做好數(shù)據(jù)塊塊db8的前十個字節(jié)。而MES系統(tǒng)通過PLC就可以掌握30個料倉的設(shè)備、類型、材質(zhì)、狀態(tài)等信息。而MES系統(tǒng)只有準(zhǔn)確掌握了料倉的情況,才能夠發(fā)布生產(chǎn)命令。

      通過搭建MES系統(tǒng)、PLC、機器人等設(shè)備間的MODBUS TCP通訊和PLC、HMI、RFID讀卡器設(shè)備間的PROFINET通訊,經(jīng)過一個月的測試發(fā)現(xiàn),通訊相當(dāng)可靠,為智能制造生產(chǎn)線的調(diào)試提供了可靠的通訊保障。

      3? 結(jié)束語

      在智能制造生產(chǎn)線的整個通信網(wǎng)絡(luò)中,主控PLC起到一個連接的紐帶作用,PLC往上通過Modbus TCP連接MES系統(tǒng),往下與RFID、機器人通過Profinet、Modbus TCP連接,把這些單獨的設(shè)備給組成一個聯(lián)系緊密的整體。而像這樣用一根網(wǎng)線就能把生產(chǎn)線設(shè)備給連接完的以太網(wǎng)通訊方式將在今后的工業(yè)控制中會得到更多的應(yīng)用。

      參考文獻:

      [1]廖常初.S7-1200/1500PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017,11.

      [2]向曉漢,李潤海.西門子S7-1200/1500PLC學(xué)習(xí)手冊:基于LAD和SCL編程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2018,8.

      [3]馮振華.分析工業(yè)機器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件,2019(13):119-120.

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