（机械工程专业论文）基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制.pdf

基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 中文摘要 ii 中文摘要 中文摘要 profibus 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制 的过程现场总线。它可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场 通信，从而为工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 本文主要开发和设计了一套基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统。自动 装配系统由送料站、检测装配站、伺服仓储站等三个工作站组成。第一站实现自动送 料；第二站实现产品颜色判断和自动装配；第三站实现伺服定位仓储（将合格品送入 规定的仓储站） 。三站均设置 s7-300 系列 plc 作为控制系统和数据采集，采用 profibusdp 现场总线实现自动装配系统主站和从站的联网通讯，同时采用人机界 面（触摸屏）实现实时监控和故障报警显示。 本论文主要完成以下内容： 1、自动装配系统总体方案、总体架构及工作站功能流程图设计； 2、各工作站电气动回路设计以及基于 fluid_sim 软件的运动仿真分析； 3、各工作站 plc 控制系统原理图设计 4、西门子 plc 的选型、plc 硬件组态与软件系统； 5、profibus 概述以及 profibus-dp 硬件网络组态； 6、自动装配系统控制程序设计； 7、自动装配系统监控界面设计与开发。 关键词关键词：profibus-dp、现场总线、自动装配系统、主站、从站、人机界面 作 者 作 者：张君艳 指导老师指导老师：倪俊芳 iii abstract profibus is a field bus which is most extensively used in workshop of factory automatic control. it can realize digital control and field communication network between field equipment and supervisory workshop. consequently, it provides an available solution to realizing factory integrated automation and intelligent field devices. this dissertation has mainly developed and designed an automatic assembly system which is based on profibus field bus and plc. functions of this system: first station: feeding automatically. second station: color identification and automatic assembly. third station: servo-positioning storage. (put qualified products into storage station. automatic assembly system is composed of feeding station, detecting of assembly station and servo-storing station. each station is set up s7-300 plc as its data acquisition and control system. it realizes the networking communication between master station and slave station through profibus-dp field bus. at the same time, human machine interface(hmi) is used to monitor and display the malfunction of the process. what have been accomplished through the project are as follows: 1、 the scheme design of automatic assembly system, the design of overall framework and function of stations. 2、the design of the pneumatic circuit of each station, and the simulate motion based on fluid_sim software. 3、the design of every stations schematic of plc. 4、the selection of siemens plc, hardware configuration and software system of plc. 5、the overview of profibus and its network configuration. 6、the design of the control procedures in automatic assembly system. 7、the design and development of hmi in automatic assembly system. key words: profibus-dp；field bus；automatic assembly system；master station； slave station；human machine interface； written by：zhang junyan supervised by：ni junfang 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在制造或生产过程区 域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点 通信的数据总线。其中， “生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者， 现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线 相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统1,2。 1.1 现场总线的发展和研究现状 1.1.1 现场总线的发展 1.1 现场总线的发展和研究现状 1.1.1 现场总线的发展 从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：过程现场总线 profibus(process field bus)、控制与通信链路现场总线 cc-link（control 230/400v；实现超载保护； 2、直流电源： dr-120-24；将交流电转化为直流电；可以实现下面的一些功能： input:100-120vac,3.3a;200-240vac,2.0a;50/60hz; ouput:24v,5.0a。 3、可编程控制器：采用西门子 s7-300 系列的 plc，为组合式，结构参见如下： （1）电源模块名称：ps307-2a 负载电源电压 120/230 vac：24 vdc / 2 a；订 货号为 6es 307-1ba00-0aa0 （2）plc 模块名称：cpu313c-2dp: 订货号为 6es7 313-6cf03-0ab0/v2.6；简 述如下 work memory 64kb; 0.1ms/1000 instructions; di16/do16 integrated; 3 pulse outputs (2.5khz); 3 channel counting and measuring with incremental encoders 24v (30khz); mpi+ dp connector (dp master or dp slave); multi-tier configuration up to 31 modules; send and receive capability for direct data 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 10 exchange; constant bus cycle time; routing; s7 communication (loadable fbs/fcs); firmware v2.6 ；集成数字量输入地址开始：0；输出地址开始：0； （3） 数字量输入模块名称： sm321， di16xdc24v， 分成 16 组； 同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始：2； （4）数字量输出模块名称：sm322，do16xdc24v/0.5a；分成 8 组;同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：2； 4、脉冲过滤器：规格为 pulse fil 200v，200w 5、启动停止按钮。 图 2-8 送料站的电控箱的电气布置图 2.2.4 送料站功能及动作流程 2.2.4 送料站功能及动作流程 本站的功能：将圆柱形的钢料产品 a 成批的放入料仓中（最多只能放 8 个） ，接 近开关检测到料匣中的工件后，在本站初始位（所有气缸回缩到尾端位置）和初始条 件都满足的情况下， 发出启动信号， 由推料气缸将钢料产品 a 推出料匣， 垂直导向 （上 下）气缸伸出到位即下降到位，并通过其下端的气爪将工件抓紧后通过水平导向气缸 即传送气缸传送到检测转配站。送料站的动作流程图，如图 29 所示。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 11 图 29 送料站的动作流程图 2.2.5 送料站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 2.2.5 送料站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 送料站的气动回路图的设计与动作分析均采用 festo 公司开发的 fluid_sim 工 程设计软件进行气动回路设计与模拟仿真运行。 图 210 所示为 fluid_sim 工程设计 软件10,11,12 。 图 210 fluid_sim 工程设计软件 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 12 送料站的四个执行元件均采用双作用气缸， 控制元件均采用 2 位 5 通双电控电磁 换向阀来驱动执行元件， 回路中四个双作用气缸均采用排气节流阀来改善气缸运动的 平稳性，同时排气节流阀可调节气缸运行速度。气缸的输出力调节通过过滤调压组件 （气动二联件）来调节。图 211 所示为送料站的气动回路图13 。图 2-12 所示为状 态图。 图 211 送料站的气动回路图 备注说明：0.1 为气动二联件； 1.14.1 为 5/2 双控电磁换向阀；1.014.01 和 1.024.02 为排气节流阀 图 2-12 状态图 备注说明：该状态图记录了四个双作用气缸推料气缸、上下气缸、气爪、传送气 缸及四个控制元件 5/2 双控电磁换向阀的物理量14。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 13 2.2.6 送料站 plc 控制系统原理图设计2.2.6 送料站 plc 控制系统原理图设计 送料站的控制系统采用西门子 s7-300 系列 plc，在控制回路原理图设计时，首 先要确定 plc 输入和输出点的地址，根据数字量输入输出模块地址计算（见后面）规 则。cpu 模块 cpu313c-2dp: 订货号为 6es7 313-6cf03-0ab0/v2.6,带有集成 di16/dq16*24v；输入地址开始为 0；其中输入点 16 个，地址范围：i0.0i1.7(按 照七进制排序)；输出点 16 个，地址范围：q0.0q1.7；数字量输入模块名称： di16xdc24v，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始：2；该模块只有输入点 没有输出点；其输入点 16 个，地址范围：i2.0i3.7 ；数字量输出模块名称： do16xdc24v/0.5a；订货号 6ag1 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：2；该模块只有输 出点没有输入点，其输出点 16 个，地址范围：q2.0q3.7。下表列出各输入出点 的功能描述。如参考表 22 所示 。 表 22 输入出地址分配 送料站采用 8 个 2 线制的 pnp 型磁场式传感器作为四个气缸传送气缸、推料气 缸、下压气缸、气爪的位置判断；1 个 2 线制的 pnp 型反射式光电传感器检测产品是 否到位，再加上开始按钮，急停按钮等总共 11 个输入点。传感器采用外部直流电源 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 14 供电，引入外部 24v 电源，经过传感器与输入点及内部线路形成电流回路；本站气 动系统的控制元件均采用 5/2 双控电磁换向阀，用来实现执行元件的控制，由于西门 子 plc 输出为高电平有效，它的输出点直接提供 24v 的电压，不需要再采用外部直 流电源供电，但要引入 0v 以便输出点及内部线路与负载形成回路。并通过继电器触 点控制系统在紧急情况发生时，能立即停止。图 213 所示为送料站的 plc 控制系 统原理图15,16 。 图 213 送料站的 plc 控制系统原理图 2.3 检测装配站（从站 1） 2.3.1 检测装配站的组成 2.3 检测装配站（从站 1） 2.3.1 检测装配站的组成 检测装配站的整体结构由以下几个部分组成：1 控制箱、2 传送气缸、3 下压气 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 15 缸、4 推料气缸、5 踢料气缸、6 负压吸料盘、7 气爪、8 驱动皮带三相电机、9 颜 色传感器、10 启动和急停按钮。参见图2-14检测装配站的整体结构及图2-15检测装 配站的实物图。 图 2-14 检测装配站的整体结构 图2-15 检测装配站的实物图 2.3.2 检测装配站机械结构 2.3.2 检测装配站机械结构 检测装配站的主要机械结构部分包括以下几个部分： 送料气缸、 踢料气缸、 料匣、 水平方向导向气缸（传送气缸） 、提升导杆气缸（上下气缸） 、真空吸盘、定位气爪、 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 16 三相电机、传送带。参见图 2-16 检测装配站机械结构图。 图 2-16 检测装配站机械结构图 2.3.3 检测装配站控制元件 2.3.3 检测装配站控制元件 检测装配站的控制部件如下图 2-17 检测装配站的电控箱的电气布置图17,18 1、4 个断路器：50hz,gb10963；230/400v；实现超载保护； 2、直流电源： dr-120-24；将交流电转化为直流电；可以实现下面的一些功能： input：100-120vac,3.3a；200-240vac,2.0a;50/60hz； ouput:24v,5.0a。 3、可编程控制器：采用西门子 s7-300 系列的 plc19，为组合式 plc，结构参见 如下： （1）电源模块名称：ps307-2a 负载电源电压 120/230 vac：24 vdc / 2 a；订 货号为 6es 307-1ba00-0aa0 （2）plc 模块名称：cpu313c-2dp：订货号为 6es7 313-6cf03-0ab0/v2.6；简 述如下 work memory 64kb； 0.1ms/1000 instructions; di16/do16 integrated; 3 pulse outputs (2.5khz)； 3 channel counting and measuring with incremental encoders 24v (30khz)； mpi+ dp connector (dp master or dp slave)； multi-tier 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 17 configuration up to 31 modules； send and receive capability for direct data exchange；constant bus cycle time； routing； s7 communication (loadable fbs/fcs)；firmware v2.6 ；集成数字量输入地址开始：0；输出地址开始：0； （3） 数字量输入模块名称： sm321， di16xdc24v， 分成 16 组； 同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始：2； （4）数字量输出模块名称：sm322，do16xdc24v/0.5a；分成 8 组;同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：2； 4、脉冲过滤器：规格为 pulse fil 200v，200w 5、启动停止按钮。 图 2-17 检测装配站的电控箱的电气布置图 2.3.4 检测装配站功能及动作流程 2.3.4 检测装配站功能及动作流程 1、本站的功能：实现颜色判断及压入装配；实现料 b 颜色的检测并将合格的白 色料 b 装入料 a。当接近开关检测到产品 a 时，传送带带动料 a 前进，光电传感器感 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 18 应到料 a，气爪抓取并夹持住；在传送带运动的同时，推料气缸将料 b 依次从底端推 出料匣，接着颜色传感器判断被推出的料 b 的颜色，把不符合装配要求的蓝色料 b 通过踢料气缸剔除；气动机械手组合（由水平传送气缸、下压气缸和真空吸盘组成） 把符合要求的白色料 b 与料 a 进行装配。当装配工作完成后，气爪松开工件，传送带 带着装配好的工件传送至下一站伺服仓储站。 2、本站的动作流程： 接近开关 1 检测料匣中的料 b，传送带旁的接近开关 2 检测到由送料站送来的工 件，两个接近开关都有信号时，在本站初始位（所有气缸回缩到尾端位置）和初始条 件都满足的情况下，发出启动信号，由传送带传送料 a 传送到位后，气爪将其抓住， 同时推料气缸将料 b 推出料匣，颜色传感器判断颜色，若为蓝色料 b ，踢料气缸将 其剔除；若为白色料 b 则垂直导向（上下）气缸伸出到位即下降到位，并通过其下端 的真空吸盘将料 b 抓紧后通过水平导向气缸即传送气缸传送到装配位置由下压气缸 模拟进行装配， 装配完毕， 气爪松开， 传送带将其传送到尾端位置等待第三站来提取。 检测装配站的动作流程图，如图 218 所示。 图 218 检测装配站的动作流程图 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 19 2.3.5 检测装配站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 2.3.5 检测装配站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 检测装配站的执行元件：5 个直线双作用气缸，1 个真空吸盘和一个三相电机， 分别采用 5 个 2 位 5 通双电控电磁换向阀来驱动双作用气缸，1 个真空发生器来驱动 吸盘，1 个西门子变频器与三相电机连接用来调频调速驱动传送带，气动回路中双作 用气缸和吸盘均采用排气节流阀来改善气缸运动的平稳性和吸盘的真空压力值， 同时 排气节流阀可调节气缸运行速度。 气缸的输出力调节通过过滤调压组件 （气动二联件） 来调节。图 219 所示为检测装配站的气动回路图。图 2-20 所示为状态图。 图 219 检测装配站的气动回路图 备注说明：0.1：气动二联件（过滤调压组件）1.16.1：5/2 双控电磁换向阀 1.016.01、1.025.02 为排气节流阀。 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 20 图 2-20 状态图。 备注说明：该状态图记录了 5 个双作用气缸踢料气缸、推料气缸、上下气缸、气 爪、传送气缸和 1 个吸盘（图中用夹紧气缸来取代吸盘）及六个控制元件 5/2 双控电 磁换向阀和 1 个真空发生器的物理量。 2.3.6 检测装配站 plc 控制系统原理图设计 2.3.6 检测装配站 plc 控制系统原理图设计 检测装配站的控制系统采用西门子 s7-300 系列 plc，在控制回路原理图设计 时，首先要确定 plc 输入和输出点的地址，cpu 模块 cpu313c-2dp：订货号为 6es7 313-6cf03-0ab0/v2.6,带有集成 di16/dq16*24v；输入地址开始为 0；其中输入点 16 个， 地址范围： i0.0i1.7(按照七进制排序)； 输出点 16 个， 地址范围： q0.0q1.7； 数字量输入模块名称：di16xdc24v，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始： 2；该模块只有输入点没有输出点；其输入点 16 个，地址范围：i2.0i3.7；数字量 输出模块名称：do16xdc24v/0.5a；订货号 6ag1 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：2； 该模块只有输出点没有输入点，其输出点 16 个，地址范围：q2.0q3.7。下表列出 各输入出点的功能描述。如参考表 23 所示 16。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 21 表 23 输入出地址分配 检测装配站采用 12 个 2 线制的 pnp 型磁场式传感器作为四个气缸传送气缸、 推 料气缸、踢料气缸、下压气缸、气爪、吸盘的位置判断；4 个 2 线制的 pnp 型反射式 光电传感器，再加上开始按钮，急停按钮等总共 18 个输入点。传感器采用外部直流 电源供电，将外部电源的 24v 接入，经过传感器与输入点及内部线路形成电流回路； 检测装配站的执行元件均采用 5/2 双控电磁换向阀来控制， 由于西门子 plc 输出为高 电平有效，它的输出点直接提供 24v 的电压，不需要再采用外部直流电源供电，但 要引入 0v 以便输出点及内部线路与负载形成回路。并通过继电器触点控制系统在紧 急情况发生时，能立即停止。图 221 所示为检测装配站的 plc 控制系统原理图17。 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 22 图 221 检测装配站的 plc 控制系统原理图 2.4 伺服仓储站（主站） 2.4.1 伺服仓储站的组成 2.4 伺服仓储站（主站） 2.4.1 伺服仓储站的组成 伺服仓储站的整体结构由以下几个部分组成：1 控制箱、2 传送气缸、3 下压气 缸、4 气爪、5 伺服马达、6 产品放置位、7 启动和急停按钮。参见图2-22伺服仓储 站的整体结构及图2-23伺服仓储站的实物图。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 23 图 2-22 伺服仓储站的整体结构 图 2-23 伺服仓储站的实物图。 2.4.2 伺服仓储站机械结构 2.4.2 伺服仓储站机械结构 伺服仓储站的主要机械结构部分包括以下几个部分：水平方向导向气缸（无杆气 缸）、提升导杆气缸（上下气缸）、气爪、伺服电机、放置夹具。参见图 2-24 伺服 仓储站机械结构图。 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 24 图 2-24 伺服仓储站机械结构图 2.4.3 伺服仓储站控制元件 2.4.3 伺服仓储站控制元件 伺服仓储站的控制部件如图 2-25 伺服仓储站的电控箱的电气布置图 1、3 个断路器：50hz,gb10963;230/400v，实现过载保护； 2、直流电源：dr-120-24，input:100-120vac,3.3a;200-240vac,2.0a;50/60hz； ouput:24v,5.0a； 3、可编程控制器采用西门子 s7-300 系列： （1）电源模块名称： ps307-2a 负载电源电压 120/230 vac：24 vdc / 2 a； 订货号为 6es 307-1ba00-0aa0 （2）plc 模块名称：cpu 315-2 dp: 订货号为 6es7 315-2ag10-0ab0/v2.6, 简述：work memory 128kb; 0.1ms/1000 instructions; mpi+ dp connection (dp master or dp slave); multi-tier configuration up to 32 modules; send and receive capability for direct data exchange, constant bus cycle time, routing, s7 communikation (loadable fbs/fcs), firmware v2.6； （3）数字量输入模块名称：di16xdc24v 数字量输入模块 sm321：di16 24v，分 成 16 组;同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始：0； （4）数字量输出模块名称：do16xdc24v/0.5a；数字量输出模块 sm322：数字量 输出模块 do16 24v/0.5a，分成 8 组;同时可作为 siplus 模块，订货号 6ag1 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 25 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：0； （5）步进电机定位模块 fm 353 stepper，1 通道，4di+4do，同样可用于主站 总线模块的组态；订货号：6es7-353 1ah01-0ae0;输入地址开始：288；输出地址开 始：288。 4、启动停止按钮 图 2-25 伺服仓储站的电控箱的电气布置图 2.4.4 伺服仓储站功能及动作流程2.4.4 伺服仓储站功能及动作流程 1、本站的功能：实现伺服仓储。伺服仓储装置将装配后的工件从检测装配站传 送到伺服仓储站对工件进行精确定位并存储。在检测装配站（第二站）的传送带尾端 接近开关有信号，无杆气缸运动到第二站的位置，通过下压气缸和气爪来抓取工件， 并通过伺服电机驱动滚珠丝杆实现精确的定位存储。本站配有 5.7 寸彩色触摸屏，监 控整个系统的运行及故障状态，产品信息及生产节拍；通过现场总线 profibus-dp 的连接，可在手动模式下对各站执行元件单独操作，查询 i/o 信息以及修改参数。 2、本站的动作流程： 第二站动作结束信号发送给第三站后，在本站初始位（所有气缸回缩到尾端位置） 和初始条件都满足的情况下，无杆气缸运动到第二站侧，下压气缸伸出到位后通过气 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 26 爪来夹住装配好的产品，下压气缸回缩到位后无杆气缸运动到极限位，等待产品放置 位，同时产品放置位由伺服电机驱动滚珠丝杆精确定位到第一个仓储位置，下压气缸 下降，气爪松开，放下工件，实现仓储，依次重复运行，指导仓储结束（最多只能存 储 10 个装配工件） 。伺服仓储站的动作流程图，如图 226 所示20,21。 图 226 伺服仓储站的动作流程图 2.4.5 伺服仓储站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 2.4.5 伺服仓储站的气动回路图设计以及模拟仿真运行 伺服仓储站的执行元件：3 个直线双作用气缸和一个伺服电机，控制元件分别采 用 3 个 2 位 5 通双电控电磁换向阀来驱动双作用气缸，1 个功能模块来驱动伺服电机 从而控制丝杆的精确运动位移； 气动回路中双作用气缸均采用排气节流阀来改善气缸 运动的平稳性，同时排气节流阀可调节气缸运行速度。气缸的输出力调节通过过滤调 压组件（气动二联件）来调节。图 227 所示为伺服仓储站的气动回路图。图 2-28 所示为状态图。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 27 图 227 伺服仓储站的气动回路图 备注说明：0.1：气动二联件（过滤调压组件）1.13.1 ：5/2 双控电磁换向阀 1.013.01、1.023.02 为排气节流阀 图 2-28 状态图。 备注说明：该状态图记录了 3 个双作用气缸无杆气缸、下压气缸、气爪及 3 个控 制元件 5/2 双控电磁换向阀的物理量。 2.4.6 伺服仓储站 plc 控制系统原理图设计 2.4.6 伺服仓储站 plc 控制系统原理图设计 伺服仓储站的控制系统采用西门子 s7-300 系列 plc22,23，在控制回路原理图设 计时，首先要确定 plc 输入和输出点的地址，根据数字量输入输出模块地址计算（见 后面）规则，cpu 模块 cpu315-2dp: 订货号为 6es7 315-2ag10-0ab0/v2.6；数字量 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 28 输入模块名称：di16xdc24v，订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0；输入地址开始：0；该 模块只有输入点没有输出点；其输入点 16 个，地址范围：i0.0i1.7 ；数字量输出 模块名称：do16xdc24v/0.5a；订货号 6ag1 322-1bh01-2aa0；输出地址开始：0；该 模块只有输出点没有输入点，其输出点 16 个，地址范围：q0.0q1.7。下表列出各 输入出点的功能描述。如参考表 24 所示。 表 24 输入出地址分配 伺服仓储站采用 6 个 2 线制的 pnp 型磁场式传感器作为 3 个双作用气缸： 无杆气 缸、下压气缸、气爪的位置判断； 3 个 2 线制的 pnp 型反射式光电传感器和 2 个 2 线制的 pnp 型限位开关，再加上 lock 按钮、自动/手动切换开关、急停按钮、开始按 钮、回原点按钮、复位按钮等总共 17 个输入点。传感器采用外部直流电源供电，将 外部电源的 24v 接入，经过传感器与输入点及内部线路形成电流回路；伺服仓储站的 控制元件均采用 5/2 双控电磁换向阀，由于西门子 plc 输出为高电平有效，它的输出 点直接提供 24v 的电压，不需要再采用外部直流电源供电，但要引入 0v 以便输出点 及内部线路与负载形成回路。并通过继电器触点控制系统在紧急情况发生时，能立即 停止。图 229 所示为伺服仓储站的 plc 控制系统原理图24。 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 第二章 自动装配系统开发设计 29 图 229 伺服仓储站的 plc 控制系统原理图 2.5 系统紧急停止控制回路设计 2.5 系统紧急停止控制回路设计 急停回路是自动化控制系统中重要的安全保护措施，不可忽缺！在工作过程中出 现意外事故时，按急停控制按钮系统应立即停电。自控系统的紧急停止方式通常有三 种 15： 1.切断信号系统、控制系统和执行机构的全部能源。此种急停方式便于回路检修 和维护。 2.切断信号系统和控制系统的能源，执行机构能源不切断。此时执行机构会继续 当前工步运行，直至本工步运行结束后停止运行。 3.切断执行机构能源，信号系统和控制系统的能源保持下，此时系统执行机构处 于浮动状态。故障解除后，系统可从当前工步继续运行。 第二章 自动装配系统开发设计 基于profibus现场总线的plc自动装配系统研制 30 根据自控设备的工作要求，以上三种方式在实际应用时可组合或单独应用。自动 装配系统各工作站均采用第 2 种及第 3 种急停方式的组合。即在急停按钮按下时，系 统能通过继电器触点 ka，切断 plc 所有输出点的电源。对输入信号电源不受影响， 且气动系统回路的能源保持。图 230 所示为急停回路原理图25,26（其他工作站的急 停控制回路与此回路相同）。 图 230 急停回路原理图 基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统研制 第三章 控制系统 s7-300 系统 plc 硬件组态 31 第三章第三章 控制系统控制系统 s7-300 系列系列 plc 硬件组态硬件组态 3.1 控制系统 s7-300 系列概述 3.1 控制系统 s7-300 系列概述 simatic plc 是德国西门子公司在 s5 系列 plc 基础上于 1995 年陆续推出的性能 价格比较高的 plc 系统。其中微型的有 simatic s7-200 系列，最小配置为 8di/6do, 可扩展 27 个模块，最大 i/o 点数为 64 di/do；12 ai/4 ao。中小型的有 s7-300， 中高档性能的有 s7-400 系列。综合考虑自动装配系统的各方面要求，从提高操作的 可靠性、稳定性和抗干扰性方面，选用西门子 s7-300 系列 plc27。 s7-300 的系统组成主要有：负载电源模块(ps)、中央处理单元(cpu)、信号模块 (sm)、通讯处理器(cp)、功能模块(fm)、接口模块(im)等。在自动装配系统中电源选 用 ps307-1ba00-0aa0，主站 cpu 选用 cpu315-2dp，从站选用 cpu313-2dp，主站和从 站之间通过 profibus-dp 总线通讯，输入输出模块选用 sm321-1bh02-0aa0 和 sm322-1bh01-0aa0；西门子 s7-300 作为控制系统的核心，可以提供强大的控制、网 络和组态功能，系统模块化设计，可靠耐用，强大的扩展功能和广泛的通信能力非常 容易实现分布式系统的结构，同时结合西门子 step7 编程软件和人机界面组态工具， 完美的实现了自动装配系统总体控制要求28。 下面详细的讲述控制系统 plc 各模块的 选用原则。 3.2 plc 硬件模块型号选择 3.2 plc 硬件模块型号选择 1、电源模块（ps）的选型原则 plc 电源模块将动力系统电压 （110230 伏交流电） 转换成直流 24v， 用于 s7-300 的 cpu、输入输出等模块和直流 24v 外部负载电路的负载电源，s7-300 系列模块使用 的电源由 s7-300 背板总线提供，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建 s7-300 应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的，所有 s7-300 模块 使用的从 s7-300 背板提供的总电流不能超过 1.2a；一个实际的 s7-300plc 系统，确 定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于 第三章 控制系统 s7-300 系统 plc 硬件组态 基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统研制 32 cpu 模块、所有 i/o 模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有 30%左右的 余量。根据以上原则，自动装配控制系统三个工作站的电源模块都选择型号为 6es307-1ba00-0aa0 电源模块，其特点为输出电流 2 安；输出电压 24vdc；防短路和 开路保护；接单相交流系统（输入电压 120230 伏、5060 赫兹交流电） ；隔离可 靠，能用作负载电源；电源模块实物图 3-1。 图 3-1 plc 电源模块 2、cpu 模块的选择 s7-300系列plc采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。 除cpu 模块外，每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将总线连接器装在cpu模块并固 定在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模块与cpu模块和其它信号模块之间是通 过电缆连接。 各模块的选配说明如下： （1） 主站plc的cpu315-2dp、从站plc的cpu313-2dp 在选择plc时首先参照s7-300系列的技术参数，如下表3-1所示： 基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统研制 第三章 控制系统 s7-300 系统 plc 硬件组态 33 表3-1 s7-300技术参数 （2）cpu 315 组件及性能如下：工作存储器：48k 字节、装载存储器（内部集成 器 ram） ：80k 字节集成在 cpu 上的负载存储器 ram、装载存储器（flash eprom）512k 字节、速度：每执行 1000 条二进制指令在约需 0.6ms、128 个数字量输入输出、32 个模拟量输入输出、存储器标志位：2048 个字位、计数器保持个数：64 个、定时 器保持个数： 128 个、 同时提供 4 个 mpi 通讯的节点。 cpu 315 组件实物参见下图 3-2。 图 3-2cpu 315 组件实物片 第三章 控制系统 s7-300 系统 plc 硬件组态 基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统研制 34 （3）cpu315 组件的状态指示灯如表 3-2。 表 3-2 状态指示灯的含义 led 含义 说明 sf(红色) 系统错误故障 下列事件引起灯亮：1、硬件故障；2、固件故障； 3、编程出错；4、参数设置出错；5、算术运算出 错；6、定时器出错；7、存储器卡故障；8、电池 故障或电源接通时无后备电池； batf （红色） 电池故障 如有下列情况，灯亮：1、失效 2、未装入 dc5v(绿色) 提供 5 伏直流电 如果内部的 5 伏直流电源正常，则灯亮； frce （黄色） 保留专用 run(绿色) run 方式（运行） 在 cpu 再启动时按 2 赫兹频率闪亮： 至少 3 秒；但是在 cpu 再启动时可能稍短一些；在 cpu 再启动期间，stop led 灯灭时，允许输出。 stop （黄色） stop 方式 （停机） 当 cpu 不扫描用户程序时灯亮 当 cpu 要求作存储器清除时，以 2 赫频率闪亮 （4）cpu315 组件方式选择开关含义与说明见表 3-3 如下。 表 3-3 cpu315 工作方式 方式选择 开关位置 含 义 说 明 run-p 程序运行 中央处理单元 cpu 扫描用户程序。钥匙在此位置不能拔 出，用编程装置从 cpu 读出、能装入 cpu run run（运行） 中央处理单元 cpu 扫描用户程序，在此位置可以拔出钥 匙，以防止别人改变操作方式。在 cpu 中的程序可以用 编程装置读出。在 run 方式不能改变在负载存储器中的 程序。 stop stop(停机) 中央处理单元不扫描用户程序，在此位置可拔出钥匙， 防止任何人改变操作方式。用编程装置从 cpu 读出、能 装入 cpu mres 清除 cpu 的 存储器 方式选择开关的瞬间接通的位置，用来清除 cpu 的存储 器。用方式选择开关清除 cpu 的存储器时必须按照专门 的顺序； （5）cpu315 组件的 mpi 口 基于 profibus 现场总线的 plc 自动装配系统研制 第三章 控制系统 s7-300 系统 plc 硬件组态 35 mpi 口用于连接例如编程装置的 cpu 接口，称为多点接口。因为几个设备能通过 此接口访问 cpu。换言之，带多点接口的 cpu 不用附加模板就能被网络化。能连接的 设备：编程装置（编程器个人计算机） ，操作员接口系统（操作员面板） ，s7-300 可 编程序控制器等。 3、cpu 313 组件及性能：工作存储器：12k 字节、装载存储器（内部集成器 ram） ： 20k 字节集成在 cpu 上的负载存储器 ram、装载存储器（flash eprom）512k 字节、 速度：每执行 1000 条二进制指令在约需 0.3ms、1024 个数字量输入输出、128 个 模拟量输入输出、存储器标志位：2048 个字位、计数器保持个数：64 个、定时器 保持个数：128 个、同时通过 mpi 通讯的节点：4 个。 4、s7300 的数字量模块：有数字量输入、数字量输出、数字量输入/输出三类。 sm3xy 的含义如下：sm 指信号模板；3 指 300 系列；x 为“2”代表数字量模板； x 为“3”代表模拟量模板；y 为“1”输入模板；y 为“2”输出模板；y 为“3”或“4” 输入输出模板； （1）对于数字量输入模块，选用时注意：输入点数及其分组隔离情况；输入点 信号隔离方式（一般为光耦隔离） ；额定输入电压值（直流 24vdc/48vdc、交流 120vac/230vac 等） 。 数字量输入模块（sm321 di16xdc24v ） ：其订货号 6ag1 321-1bh02-2aa0，该模 块只有输入点没有输出点；其输入点16个，地址由输入模块开始地址确定。额定输入 电压24vdc。其作用是搜集被控设备的信息或操作命令。它们由接到输入端的外部信 号驱动，驱动电源可由plc的电源组件提供（如直流24v） ，也有的用独立的电源（如 220v/dc24v）供给。例如一个plc有16点输入，那么它相当于有16个微型输入继电器