基于Profibus—DP的搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)研究

摘 要：文章針對(duì)硅塊檢測(cè)中人力搬運(yùn)效率低、工作量大的問題，設(shè)計(jì)了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主站S7-300PLC、人機(jī)界面、從站西門子S7-200PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及其步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)抓手等組成，實(shí)現(xiàn)硅塊在運(yùn)料小車和檢測(cè)臺(tái)之間的自動(dòng)搬運(yùn)；由于采用西門子公司的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將各智能搬運(yùn)機(jī)器人組成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集中管理和分布控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行速度快、精度高、可靠穩(wěn)定，大大節(jié)省了人力。

關(guān)鍵詞：硅塊檢測(cè)；Profibus-DP；S7-300PLC；分布控制系統(tǒng)

引言

太陽能是一種清潔的可再生能源，光伏發(fā)電是國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的新能源之一，徐州作為我國(guó)硅材料的重要生產(chǎn)基地，擁有江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司等眾多生產(chǎn)企業(yè)。目前，在硅塊檢測(cè)方面，許多企業(yè)依然靠人力搬運(yùn)，不但效率低，而且工作量大，嚴(yán)重影響了企業(yè)的發(fā)展。針對(duì)上述問題，文章設(shè)計(jì)了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主站S7-300PLC、人機(jī)界面、從站西門子S7-200PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及其步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)抓手等組成，實(shí)現(xiàn)硅塊在運(yùn)料小車和檢測(cè)臺(tái)之間的自動(dòng)搬運(yùn)；并采用西門子公司的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將各智能搬運(yùn)機(jī)器人組成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集中管理和分布控制[1]。

1 基于Profibus-DP的搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)

基于Profibus-DP總線的搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

第一層為傳動(dòng)控制層，可以采用Siemens公司的V80伺服驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，文章作者在實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到成本，采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；第二層為PLC控制層，采用Siemens S7-200 PLC及其Profibus-DP通訊擴(kuò)展模塊EM277，通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將S7-200 PLC和主控S7-300 PLC組成網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)高速通訊，協(xié)調(diào)工作；第三層為主控層，采用CPU314-2DP的S7-300 PLC，實(shí)時(shí)多個(gè)智能搬運(yùn)機(jī)器人的集中管理和分布控制[2]。

2 西門子S7-300PLC與S7-200PLC的Profibus_DP通訊

2.1 西門子S7-200PLC的設(shè)置

S7-200PLC不能作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)主站，只能作為從站來配置。由于S7-200本身沒有DP 接口，只能通過EM277接口模塊連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上。

EM277模塊的左上方有兩個(gè)撥碼開關(guān)。每個(gè)撥碼開關(guān)使用平口螺釘旋轉(zhuǎn)旋動(dòng)，從而可以設(shè)定0到9這10個(gè)數(shù)主站字，其中一個(gè)撥碼來管的數(shù)字×10，另一個(gè)數(shù)字×1，因此組合起來構(gòu)成0到99，這也是EM277在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中的物理站地址。EM277在通電情況下修改撥碼開關(guān)的數(shù)字后，必須斷電，然后在上電才能使設(shè)定的地址生效。

2.2 西門子S7-300PLC的通訊組態(tài)

在S7-300PLC的硬件配置中，在DP接口上添加一個(gè)Profibus_DP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置為1，并在網(wǎng)絡(luò)上新建一個(gè)EM277（S7-200PLC的PROFIBUS-DP通訊模塊），將其設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)上的3號(hào)從站，如2所示。

2.3 西門子S7-300PLC與S7-200PLC之間的通訊區(qū)

這里要配置的通信區(qū)是指S7-300與S7-200兩側(cè)的互為映射的通信緩沖區(qū)。首先，配置S7-300PLC的通信區(qū)，在EM277模塊中提供了多種不同大小的通信區(qū)，用戶可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸量來選擇，譬如選擇2Bytes Out/2 Bytes In，即兩個(gè)字節(jié)的輸出映射區(qū)和兩個(gè)字節(jié)的輸入映射區(qū)，地址是IB30、IB31、QB30和QB31。其次，配置S7-200PLC的通信區(qū)，雙擊打開EM277模塊，選擇分配參數(shù)，在I/O Offset in the V-memory中寫入600，則S7-200PLC的通訊區(qū)地址是VB600、VB601、VB602和VB603，如表1。

3 基于S7-200PLC的搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)式搬運(yùn)機(jī)器人，如圖3所示。機(jī)械手主要是由回轉(zhuǎn)基座、上下直線運(yùn)動(dòng)立柱、左右直線運(yùn)動(dòng)橫臂和平行氣等四部分組成?；闹饕蝿?wù)是支撐和完成機(jī)械手回轉(zhuǎn)；立柱裝在基座上，作上下直線運(yùn)動(dòng)；橫臂與立柱相連，作橫向運(yùn)動(dòng)；手部采用平行氣夾，能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊和松開兩個(gè)動(dòng)作[3]。

為了防止夾傷硅塊，在手部設(shè)計(jì)時(shí)，需要在平行氣夾上內(nèi)側(cè)安裝塑料墊。塑料墊材料選擇非常關(guān)鍵，需要有良好的彈性、耐磨性和耐腐蝕性，我們選擇全氟醚橡膠墊[4]。

系統(tǒng)以S7-200PLC為控制器，基座采用直流電機(jī)及其減速器，主要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，定位采用霍爾傳感器檢測(cè)；立柱和橫臂采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用S7-200PLC的PTO高頻脈沖輸出，定位也采用霍爾傳感器檢測(cè)；抓手為氣動(dòng)平行氣夾，為開關(guān)控制[5]。

4 控制程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要包括初始化子程序、Profibus_DP子程序、立柱脈沖發(fā)送子程序、橫軸脈沖發(fā)送子程序、底座（或轉(zhuǎn)盤）左旋、底座（或轉(zhuǎn)盤）右旋、立柱上升、立柱下降、橫軸伸出、橫軸縮回、抓手夾緊、抓手松開共計(jì)12個(gè)子程序，動(dòng)作流圖如圖4所示。

鑒于篇幅所限，只分析主程序的關(guān)鍵部分，即SHRB移位指令實(shí)現(xiàn)順序控制功能，如圖5所示。當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人接收到主站發(fā)送的啟動(dòng)命令后，M0.0得電并調(diào)用機(jī)械手松開子程序，同時(shí)延時(shí)T37；延時(shí)時(shí)間到后M0.1得電并調(diào)用機(jī)械手上升子程序，當(dāng)觸發(fā)到上限位傳感器時(shí)停止并使M0.2得電；M0.2得電調(diào)用機(jī)械手縮回子程序，當(dāng)觸發(fā)到縮回限位傳感器時(shí)停止并使M0.3得電；M0.3得電調(diào)用底盤右旋子程序，當(dāng)觸發(fā)到右旋限位傳感器時(shí)停止并使M0.4得電，順序控制。當(dāng)M1.4得電時(shí)表示一次搬運(yùn)結(jié)束并返回開始等待。

4.2 S7-200PLC的高頻脈沖輸出

S7-200PLC的PTO功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為50%的方波脈沖。輸出脈沖的個(gè)數(shù)在1～4 294 967 295范圍內(nèi)可調(diào)；輸出脈沖的周期以？滋s或ms為增量單位，變化范圍分別是10～65 535？滋s或2～65 535ms。如果周期小于兩個(gè)時(shí)間單位，周期被默認(rèn)為兩個(gè)時(shí)間單位。如果指定的脈沖數(shù)為0，則脈沖數(shù)默認(rèn)為1。

S7-200PLC的高頻脈沖輸出可以采用三種方式：一是采用編程軟件STEP7-Micro/WIN中位置控制向?qū)ё詣?dòng)生成PTO脈沖；二是采用MAP庫(kù)來創(chuàng)建PTO脈沖；三是采用編程方式來創(chuàng)建脈沖，一般是建立一些脈沖發(fā)送子程序。文章不再一一介紹，僅以第三種為例，進(jìn)行說明。第三種方式可以建立一個(gè)PTO脈沖子程序，如圖6所示。SMB67是PTO控制特殊寄存器，設(shè)置成16#85后允許PTO脈沖輸出、單段輸出、異步更新、時(shí)基增量1微秒等。SMW68是脈沖周期設(shè)置；SMD72是脈沖發(fā)送數(shù)量；PLS是高速脈沖輸出指令，操作數(shù)X指定脈沖輸出端子，0為Q0.0輸出，1為Q0.1輸出[6]。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)硅塊檢測(cè)中人力搬運(yùn)效率低、工作量大的問題，設(shè)計(jì)了一種基于Profibus-DP總線的智能搬運(yùn)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了西門子S7-300PLC的Profibus-DP硬件組態(tài)、S7-200PLC通訊擴(kuò)展模塊EM277的設(shè)置、搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主控程序分析和高頻脈沖發(fā)送子程序分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行速度快、精度高、可靠穩(wěn)定，大大節(jié)省了人力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王建華（1981-），男，山東臨沂人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姎饪刂啤?/p>