CPX終端閥島在自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)中的應(yīng)用

董庭瓊，高欽和，于傳強(qiáng)，劉麗紅

(1.第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025;2.渭南高級(jí)中學(xué)，陜西 渭南 714000)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)的氣動(dòng)技術(shù)和PLC 控制的更好融合。另外，基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的CPX 終端閥島技術(shù)的出現(xiàn)，使電氣控制與氣動(dòng)控制達(dá)到完美結(jié)合，并在自動(dòng)化領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。采用各相對(duì)獨(dú)立的氣動(dòng)控制閥元件來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作是傳統(tǒng)的氣動(dòng)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)臺(tái)中氣動(dòng)控制部分采取的方案，其元件安裝精度較低，安裝空間大，實(shí)訓(xùn)臺(tái)的綜合性能差，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，給使用和學(xué)習(xí)帶來(lái)了極大不便，滿(mǎn)足不了日益發(fā)展的氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)訓(xùn)操作要求。因此，采用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)模擬自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)操作和提高實(shí)訓(xùn)臺(tái)的綜合性已成為必然趨勢(shì)。

本文以基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP 的CPX 終端閥島作為氣動(dòng)控制系統(tǒng)的核心元件，采用西門(mén)子S7 -300 可編程控制器來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足目前自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)訓(xùn)要求。

1 實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)硬件組成

實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)主要用于模擬自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上工件的自動(dòng)搬運(yùn)過(guò)程。系統(tǒng)采用西門(mén)子S7 -300 可編程控制器來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，氣動(dòng)部分采用德國(guó)FESTO 公司先進(jìn)的基于Profibus-DP 總線(xiàn)的CPX 終端閥島替代傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)中多個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)控制閥來(lái)完成工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.1 電路部分

系統(tǒng)電氣部分主要由電源模塊、PLC、CPX 終端和Profibus-DP 電纜組成。電路部分結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

系統(tǒng)供電采用單獨(dú)的24 V 電源模塊，它具有輸入輸出完全隔離、保護(hù)功能完善、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小、紋波低等特點(diǎn)，使用安全穩(wěn)定，便于實(shí)訓(xùn)操作。

圖1 基于CPX 終端閥島的實(shí)訓(xùn)臺(tái)

圖2 系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的CPU，為313C -2DP 的S7-300 系列可編程控制器。他帶有Profibus - DP 主從站和MPI 的雙接口，與CPX 終端閥島連接方便，操作非常簡(jiǎn)單，改變了傳統(tǒng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)中單根導(dǎo)線(xiàn)與控制閥和傳感器相連接的問(wèn)題，減少了接線(xiàn)困難，以及接線(xiàn)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤但很難排查等問(wèn)題。系統(tǒng)采用的PLC 帶有1 個(gè)微存儲(chǔ)卡(MMC)，系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)其中，不需要系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，微存儲(chǔ)卡可以拔掉，方便用戶(hù)操作程序時(shí)保密;同時(shí)，該P(yáng)LC 帶有系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕，操作簡(jiǎn)單直觀［1-2］。

如圖3 所示，CPX 終端閥島是FESTO 公司CPX 終端與閥島的組合模塊。CPX 終端是1 個(gè)用于閥島的模塊化外圍系統(tǒng)，該系統(tǒng)是為使閥島能適應(yīng)不同應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的，由于所采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，因此用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置適當(dāng)數(shù)量的閥和輸入/輸出點(diǎn)。在不帶閥島的情況下，CPX 終端可用作遠(yuǎn)程I/O 模塊。CPX 終端主要由總線(xiàn)接點(diǎn)模塊、I/O 模塊、氣動(dòng)接口模塊3 部分組成，F(xiàn)ESTO 公司提供多種常用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)模塊，如Profibus-DP、Interbus、DeviceNet、CANopen、CC-Link，也支持廣泛使用的以太網(wǎng)，這使CPX 終端的應(yīng)用得到了很大程度的擴(kuò)展，不僅其數(shù)據(jù)傳輸速度大幅度提高并具備實(shí)時(shí)能力，更重要的是增添了IT 服務(wù)所帶來(lái)的各種優(yōu)勢(shì)。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中CPX 終端閥島采用的總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊是支持Profibus-DP 總線(xiàn)的CPX-FB13，帶有1 個(gè)16DI 數(shù)字量模塊、1 個(gè)8DI/8DO 數(shù)字量模塊和1 個(gè)用于MPA 的氣動(dòng)接口。傳感器的信號(hào)直接與16DI 數(shù)字量模塊連接，閥島直接與氣動(dòng)接口相連［3-6］。

Profibus-DP 電纜用于CP5611 與PLC 下載程序時(shí)的連接，以及PLC 與CPX 終端閥島的通信連接。其采用RS485 標(biāo)準(zhǔn)，兩端都有終端電阻，在組網(wǎng)的時(shí)候，終端電阻非常重要［3］。

1.2 氣路部分

系統(tǒng)氣動(dòng)部分主要由CPX 終端閥島、氣動(dòng)抓手、扁平氣缸、導(dǎo)向氣缸和無(wú)桿氣缸組成，系統(tǒng)的氣路圖如圖3 所示。

圖3 CPX 終端閥島結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)控制部分采用FESTO 公司的MPA 閥島來(lái)控制多個(gè)類(lèi)型的執(zhí)行元件氣缸，以完成抓取動(dòng)作。系統(tǒng)中MPA 閥島包含6 片相同的二位五通帶手控開(kāi)關(guān)的單側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥和1 片二位四通帶手控開(kāi)關(guān)的雙側(cè)電磁先導(dǎo)控制閥。其使用場(chǎng)合廣泛、操作方便、性能穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔直觀［7］。系統(tǒng)氣路見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)氣路

氣動(dòng)執(zhí)行元件使用了多種類(lèi)型的氣缸，能夠豐富實(shí)訓(xùn)臺(tái)的可利用設(shè)備，充分發(fā)揮系統(tǒng)的多種實(shí)訓(xùn)功能。例如，可利用實(shí)訓(xùn)臺(tái)，掌握多種氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作原理及安裝注意事項(xiàng)，保證實(shí)訓(xùn)臺(tái)功能達(dá)到最優(yōu)。

2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

實(shí)訓(xùn)臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)主要依托STEP7 軟件進(jìn)行，而后通過(guò)CP5611 通訊卡將程序下載到PLC 中。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

西門(mén)子CP 卡作為PG/PC 的系統(tǒng)接口，是TIA(totally integrated automation)全集成自動(dòng)化的1 個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)組件。CP5611A2 用作智能控制主站，可以PC 機(jī)作為控制主站，以支持PROFIBUS 或PROFINET 協(xié)議的子站做從站，結(jié)合SIMATIC NET 軟件，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制，而且還可提供程序下載。

STEP7 用于西門(mén)子系列工控產(chǎn)品，包括SMATIC S7、M7、C7 和基于PC 的WinAC，是供其編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具，是SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。

3 CPX 終端閥島在實(shí)訓(xùn)臺(tái)中的應(yīng)用

PROFIBUS 是Process Fieldbus 的縮寫(xiě)，是面向工廠自動(dòng)化和流程自動(dòng)化的1 種國(guó)際性的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。主要包含PROFIBUS-DP、ROFIBUS-FMS 和PROFIBUS-PA 共3 種類(lèi)型。PROFIBUS-DP 是專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備級(jí)分散I/O 之間通訊而設(shè)計(jì)的，用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。使用Profibus-DP 可取代24V 直流電壓或4 ～20 mA 電流信號(hào)傳輸。PLC 和閥島、傳感器等之間利用Profibus-DP 總線(xiàn)進(jìn)行主從之間的通訊控制，從而完成設(shè)定的實(shí)訓(xùn)操作［8-9］。

3.1 CPX 終端閥島的參數(shù)設(shè)置

在系統(tǒng)電氣和氣動(dòng)連接好后，就要對(duì)CPX 終端閥島的DIL 開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，如圖6 所示。

圖6 DIL 開(kāi)關(guān)設(shè)置

CPX 終端閥島的DIL 開(kāi)關(guān)處于總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊上，運(yùn)行模式分為遠(yuǎn)程I/O 和遠(yuǎn)程控制器。若沒(méi)有在CPX 系統(tǒng)內(nèi)集成FEC，則運(yùn)行模式設(shè)為遠(yuǎn)程I/O，否則設(shè)為遠(yuǎn)程控制器。從站地址主要設(shè)置CPX 終端閥島在系統(tǒng)中的地址。本文中系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)置為遠(yuǎn)程I/O，診斷模式為開(kāi)啟狀態(tài)，CPX 終端閥島地址設(shè)置為3，因此DIL 運(yùn)行模式的1、2 位都設(shè)為OFF，診斷模式開(kāi)關(guān)設(shè)為ON，DIL 從站地址設(shè)置為:1、2 位為ON，3～7 位為OFF［10］。

3.2 CPX 終端閥島的軟件組態(tài)

在進(jìn)行軟件組態(tài)之前，要在STEP7 軟件下安裝所需要的產(chǎn)品GSD 文件，而后在軟件環(huán)境下進(jìn)行軟件組態(tài)，軟件組態(tài)要保證與硬件設(shè)置相符。其配置過(guò)程如下。

1)將FESTO CPX 終端閥島添加到Profibus-DP 總線(xiàn)上，如圖7 所示。

圖7 添加CPX 終端閥島

2)配置CPX 終端閥島的各模塊和地址，如圖8 所示。

圖8 配置CPX 終端閥島

3.3 系統(tǒng)的地址分配

整個(gè)系統(tǒng)中傳感器采用漫射式光電傳感器，可根據(jù)工作空間的需求進(jìn)行調(diào)整。傳感器的靈敏度也是可調(diào)的，他可比較靈敏地檢測(cè)到執(zhí)行元件的狀態(tài)，而后傳送給CPX 終端閥島中的I/O 模塊。系統(tǒng)的輸出信號(hào)主要用來(lái)控制電磁閥，以此來(lái)控制各氣缸的工作。地址分配如表1 所示。

表1 地址分配

3.4 編程

程序框圖如圖9 所示。

圖9 程序流程

編好程序后，通過(guò)Rrofibus-DP 總線(xiàn)下載到PLC 中。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可看出采用CPX 終端閥島替代多個(gè)控制閥的連接，能使實(shí)訓(xùn)臺(tái)的安裝更加簡(jiǎn)潔，綜合性更強(qiáng)，并集成現(xiàn)在生產(chǎn)線(xiàn)上最先進(jìn)的氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)。系統(tǒng)可培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生能夠初步了解掌握現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、閥島技術(shù)、PLC 的原理與結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本系統(tǒng)運(yùn)用的是西門(mén)子公司的STEP7 進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，能夠使學(xué)生了解程序開(kāi)發(fā)的基本流程和方法，系統(tǒng)可方便地設(shè)置多種故障，培養(yǎng)學(xué)生排除故障的能力，滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)操作的要求。CPX 閥島的總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊可根據(jù)實(shí)際使用要求更換各種協(xié)議模塊，提供多種控制方式，其他部分不需要更改，節(jié)約經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，使實(shí)訓(xùn)臺(tái)達(dá)到最大的使用效率。

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