基于以太網(wǎng)通訊的生產(chǎn)線信息自動化設(shè)計

張博　霍天龍

摘要：實際生產(chǎn)中，中小型自動化生產(chǎn)線很少攜帶生產(chǎn)過程信息。為解決生產(chǎn)過程信息實時掌握困難、可視化程度低等問題，提出了一種基于以太網(wǎng)通訊的中小型自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)過程信息自動化的設(shè)計。使用西門子CP343-1模塊的以太網(wǎng)通訊功能和C#進行信息交互，依靠PLC強大的邏輯功能及信息處理能力，對物料信息進行跟蹤記憶，實現(xiàn)生產(chǎn)信息自動獲取、自動傳輸。應用結(jié)果表明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：中小型;自動化生產(chǎn)線;生產(chǎn)過程信息;以太網(wǎng)

中圖分類號：TP278 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0153—02

0引言

“中國制造2025”提出，以體現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化制造為主線，加快我國工業(yè)自動化進程。隨著人力成本的不斷增加，大部分生產(chǎn)制造類企業(yè)出現(xiàn)了用工難問題，傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線要求完全脫離人工。然而實際生產(chǎn)中，雖然生產(chǎn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，但產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息卻很少能夠達到設(shè)備的工位級，即生產(chǎn)線上的產(chǎn)品是沒有“身份”的，往往需要操作人員參與。針對此問題，本文以成品物料垛盤輸送生產(chǎn)線為例，結(jié)合PLC的以太網(wǎng)通訊功能，從上位機獲取產(chǎn)品的生產(chǎn)信息，依靠PLC強大的邏輯功能及信息處理能力對物料信息進行跟蹤記憶，實現(xiàn)了物料信息的自動化獲取和傳輸。

1 PLC以太網(wǎng)通訊

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡。利用工業(yè)以太網(wǎng)，西門子SIMATIC NET提供了一個無縫集成到新的信息世界的途徑。西門子PLC以太網(wǎng)通訊的類型有很多，不同的用戶技術(shù)需求下可以采用相應性能的以太網(wǎng)。常見的以太網(wǎng)通信主要有ISO、ISO-on-TCP、TCP/IP、UDP等類型傳輸協(xié)議。ISO傳輸連接用于S5站和s7站或PC站之間的數(shù)據(jù)交換（S5兼容通訊）。ISO-on-TCP傳輸連接用來進行S5站和S7站或PC站間的數(shù)據(jù)交換（兼容S5的通訊）。TCP/IP連接的配置用于西門子系列PLC與第三方的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。UDP類型的協(xié)議用于實現(xiàn)西門子控制器兩站間的數(shù)據(jù)交換。本文采用TCP/IP和C#軟件進行通訊。TCP通信傳送數(shù)據(jù)前，雙方必須對通信進行初始化，并得到對方的認可。TCP協(xié)議位于ISO/OSI參考模型的傳輸層，是一種面向連接的通信，即發(fā)送方與接收方通信時，必須首先建立連接，主動方為客戶端，被動方為服務器。本文中，PLC作為服務器，C#作為客戶端。

2系統(tǒng)通訊設(shè)計

2.1硬件

成品垛盤輸送控制系統(tǒng)集成有ABB機器人用于料袋碼垛，觸摸屏用于人機信息交互。ABB機器人掛接PLC的DP口，使用Profibus總線協(xié)議與PLC通信，觸摸屏連接在PLC的MPI口，采用MPI協(xié)議與PLC進行信息交互。本案例中采用CP343-1以太網(wǎng)模塊和第三方的上位機軟件C#，利用網(wǎng)線連接采用TCP/IP協(xié)議建立通訊。通訊模型如圖1所示。

2.2軟件

打開西門子SIMATIC Manager軟件，插入SIMATIC 300station站點，根據(jù)實際PLC組成，分別插入對應的CPU和I/O模塊，再插入CP343-1以太網(wǎng)模塊，如圖2所示。IP組態(tài)設(shè)置在“屬性Ethernet接口”對話框中，設(shè)置lP地址，配置CP343-1模塊IP地址為192.168.1.107，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，并新建Ethernet子網(wǎng)。此外，還應該寫入以太網(wǎng)模塊的MPI地址，如果PLC使用了MPI協(xié)議與其他控制器連接，應注意此處的MPI地址不能和CPU中的地址重復，否則會造成CPU報警，導致以太網(wǎng)模塊出錯，不能正常使用。

打開通信連接，選中CPU模塊，插入新連接，項目中選擇默認的未指定，連接類型選擇TCP連接，標識號選擇002A050，本地端口號設(shè)置為2000。遠程IP地址和端口號默認為空白。以上步驟完成后，應對配置進行保存、編譯及下載，否則通信連接不能設(shè)置成功。如圖3所示。

OB1為PLC的主模塊，即PLC的程序執(zhí)行總是從OB1開始。打開OB1模塊進行通訊部分程序編寫，從庫函數(shù)中分別插入FC5和FC6，用于PLC和C#的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。如圖4所示。新建DB1和DB2數(shù)據(jù)塊，分別用來對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)做存儲處理，CP343-1和C#發(fā)送以及接收數(shù)據(jù)長度為10 WORD。FC5為信息發(fā)送功能塊，EN為該功能塊的使能端，ID和LADDR為配置硬件時自動生成的，按照硬件配置填寫即可。SEND為發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，該位置應引用指針變量，LEN為發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，單位是WORD，DONE為發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束通知位，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，在PLC的一個掃描周期內(nèi)該位置“1”。ERROR為出錯通知位，使用FC5功能塊發(fā)送數(shù)據(jù)出錯時，該通知位將在一個周期內(nèi)置“1”，STATUS為發(fā)送狀態(tài)字，可以用來查詢發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。實際發(fā)送數(shù)據(jù)時，當ACT被觸發(fā)后，指針指向的起始地址P#DBl.DBX0.0以后的10個字被發(fā)送。FC6為信息接收功能塊，各個引腳功能與發(fā)送功能塊類似，在此不做贅述。當有新信息傳送時，NDR通知位M4.1置1，代表有新的數(shù)據(jù)從C#傳輸?shù)絇LC中。新的數(shù)據(jù)臨時存放在指針變量P#DB2.DBX0.0指向的起始地址為DB2.DBW0以后的10個字中。可用M4.1作為條件把新的數(shù)據(jù)拷貝到其他的DB數(shù)據(jù)區(qū)中做處理。

3應用實例

3.1系統(tǒng)模型

把第2節(jié)介紹的方法應用于實際工程項目。如圖5所示，該系統(tǒng)為某化工廠成品物料后處理系統(tǒng)中的垛盤輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成的功能：對上游包裝機系統(tǒng)處理好的成品物料在托盤上進行碼垛。碼垛完成的物料垛盤被自動地輸送至薄膜纏繞工位進行纏膜，以防止物料潮濕。纏膜完成后，垛盤自動地被輸送至貼標工位。當垛盤在該工位停穩(wěn)后，PLC把需貼標的信息經(jīng)過C#中轉(zhuǎn)后送入貼標機，控制其對物料貼標簽。PLC收到貼標完成信號后，控制垛盤輸送機運行，把物料輸送至電梯井中升降轎廂中，升降機自動把物料垛盤提升至二樓。升降機停穩(wěn)后，轎廂輸送機及垛盤緩存工位處輸送機同時運行，帶動垛盤經(jīng)由垛盤緩存工位進入立體庫系統(tǒng)，完成一垛物料的生產(chǎn)。本案例中，物料工位間的輸送均攜帶有垛盤上的物料信息。

3.2信息傳遞過程設(shè)計

系統(tǒng)運行后，操作人員使用c#軟件從用戶數(shù)據(jù)庫找到當前生產(chǎn)的物料信息，通過以太網(wǎng)通訊把物料信息發(fā)送給PLC。PLC根據(jù)當前生產(chǎn)班組，把從觸摸屏收到的牌號、生產(chǎn)流水號等信息自動累加，把累加結(jié)果儲存到指定的DB數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再把從C#接收到的物料信息等（包括批次號、班組號等信息）存儲到相應的DB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。當碼垛完成一垛新的物料后，PLC收到機器人碼垛完成信號，觸發(fā)垛盤從碼垛工位輸送至薄膜纏繞工位。利用PLC工位間的傳送記憶中間變量，把當前生產(chǎn)班組、物料生產(chǎn)流水號、批次號、牌號等信息連同垛盤一起傳送至下一工位，其中信息傳遞采用SFC20，如圖6所示，為本案例中相鄰工位信息傳遞程序。

SFC20為數(shù)據(jù)存儲、移動功能塊。使用SFC20“BLK-MOV”（塊移動）可將存儲器區(qū)（=源區(qū)域）的內(nèi)容復制到另一個存儲器區(qū)（=目標區(qū)域）。M1.0為ON時為系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，Q36.3和Q36.4分別為薄膜纏繞工位與貼標電機運行，DB6.DBX1.6為上一工位向下一工位運行中間過程記憶，垛盤被輸送至下一工位觸發(fā)薄膜纏繞工位檢測開關(guān)后，該中間變量被復位。DB10.DBW80至DB10.DBW118區(qū)域為薄膜纏繞工位的信息記憶存儲區(qū)。垛盤輸送至貼標工位時，PLC把信息發(fā)送給組態(tài)好的貼標機，對垛盤上的物料自動貼標簽。垛盤進入立體庫系統(tǒng)時，PLC把相應的物料進入聯(lián)鎖請求信號以及生產(chǎn)過程信息一并發(fā)送給C#，C#根據(jù)收到的立體庫系統(tǒng)狀態(tài)，把信號反饋給PLC。

4結(jié)束語

本文結(jié)合西門子PLC的以太網(wǎng)通訊模塊，使用TCP/IP協(xié)議與第三方C#軟件，提出了一種帶有信息自動化的垛盤輸送生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計方法。實際應用結(jié)果表明了其有效性，本研究得出以下主要結(jié)論。

（1）生產(chǎn)線上各個工位的生產(chǎn)信息清晰明了，便于查看。

（2）由于物料帶有生產(chǎn)信息，使得貼標機標簽信息更加全面，豐富了用戶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

（3）與下游立體庫系統(tǒng)交接時，免去了以往信息交互需人工參與的麻煩。

（4）為中小型自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實現(xiàn)訂單式、數(shù)字化生產(chǎn)提供設(shè)計思路。