基于Profibus的实践教学自动化生产线

2023-03-05

随着职业教育教学改革的不断深入，各专业对实践教学仪器的需求越来越旺盛，教学仪器的研发显得非常必要。考虑到教学仪器不仅要能够满足传统基本理论实践教学，而且还要能跟上时代的步伐，尽量将最新的技术融合在其中，为以后的教学改革和学生的发展打好基础。为了满足这一需求，我们研制开发了自动化生产线教学系统，此系统囊括了自动化专业所涉及的直流电机、步进电机、气压传动、可编程控制器、传感器检测、P I D控制、开环闭环控制、监控组态等多种技术，并且还采用先进的Profibus现场总线技术构建了全数字化的控制网络，给学生提供了一个典型的综合技术实践平台，使学生在学习各科知识以后，通过在该系统上的实际操作，得到实践体验和综合技能的提升。

1 自动化生产线教学系统设计思路

作为一种教学仪器，必须从教学实际出发，尽可能多地集中专业的关键知识技能，并尽量模拟实际生产现场，给学生真正的动手锻炼。另外，还要保证实践操作的方便、安全、可靠、直观等。在设计该教学生产线的过程中，我们选取了工业上常见的下料、喷涂、加盖、顶销、检测、分拣、进仓等环节，并且将这些环节通过Profibus-DP现场总线组成控制网络。每一个环节都可用一套PLC控制系统独立控制单独运行，并能够通过网络由计算机或PLC进行联机控制运行。如此，该实践教学系统即可以满足多门课程如《PLC》、《传感器检测技术》、《现场总线控制技术》等的教学需要。

2 Profibus-DP自动化生产线系统

Profibus-DP自动化生产线系统包括硬件和软件两部分。硬件部分包括两个主站和七个独立的子系统，分别模拟七种实际生产过程，子系统称为从站。这七个从站分别是：下料站、喷涂站、加盖站、顶销站、检测站、分拣站、进仓站。每一个从站都可以单独作为一个实践教学单元，由PLC作为控制器，组成完整的P L C控制系统。各个从站之间可以通过Profibus-DP现场总线由主站控制进行联机运行，组成完整的现场总线控制系统，完成一整套工艺过程。ProfibusDP自动化生产线系统结构如图1所示。

Profibus-DP自动化生产线系统的软件由西门子公司的STEP7组态软件和WINCC监控软件组成。通过对系统进行软硬件组态，构成Profibus-DP现场总线控制系统，通过W I N C C组态软件，可以对系统任何检测点和控制点进行监控。

图1中S7-300 CPU315-2DP作为1类主站，带CP5611网络接口卡的研华工控机作为2类主站，分别挂接在Profibus-DP现场总线上。七个S 7-2 0 0 C P U 2 2 6分别通过EM277通信模块挂接到Profibus-DP总线上作为智能从站。各从站可分别完成独立的控制功能，并能在1类主站的控制下完成系统联合运行。2类主站主要用以运行编程软件和监控软件，对系统进行编程和实现监控功能。

本自动化生产线的七个智能从站可单独运行，作为实践教学系统，可以让学生先学习S7-200 PLC编程和应用，在此基础之上通过对S7-300和Profibus-DP总线的学习，再进行联调，有助于学生对P L C通信的理解和掌握。

3 Profibus-DP自动化生产线功能

本Profibus-DP教学型自动化生产线可以有两种功能：独立运行功能和联机运行功能。独立运行时，七个从站分别独立成一个P L C控制系统，完成不同的控制功能，相互之间不互相交换信息。联机运行时，需要加入主站，并通过Profibus-DP现场总线传输数据，主站和从站联合完成一整套自动化生产过程。

3.1 独立运行功能

当本自动化生产线处于独立运行功能时，可以供学生学习S 7 2 0 0 P L C、传感器、自动控制、气压传动、直流电机等相关课程，七个站分别作为不同的控制对象。

(1) 下料站

该站由工件托盘检测接近开关、限位电磁阀、工件滑道、传送带电机、料斗、落料电机、拨销轮、工件检测接近开关及PLC组成。本系统中，P L C作为控制器，各接近开关和限位电磁阀是传感器，分别作为P L C的输入信号，传送带电机、落料电机和拨销轮作为执行装置，PLC的输出信号控制传送带电机、落料电机和拨销轮执行相应动作。此系统结构简单，控制逻辑非常清晰易懂，可以作为学生初学PLC课程的实践对象。另外可以完成机械齿轮传动的学习、传感器实验等。

(2) 喷涂站

喷涂站是本生产线中唯一的模拟量控制站，主要控制对象是温度。系统除了常规的托盘工件检测传感器之外，还有热敏电阻PT100温度传感器，加深学生对传感器的理解。本系统可以进行PID控制、闭环和开环控制等，是学生学习《自动控制》、《PLC》、《传感器检测》等课程的非常好的实践设备。考虑到学生实践时的安全性，本系统在站外设置了透明塑料外壳。

(3) 加盖站

加盖站除了常规的传感器外，比较特别的是直流电机的应用。使学生对直流电机有一个直观的认识，同时可以练习PLC的编程。

(4) 顶销站

顶销站的特点在于气动装置和光纤传感器的应用。学生通过本系统的练习，可以得到光纤传感器的感性认识，并加深对气动传动的理解。

(5) 检测站

检测站的特色在于各种传感器的运用，包括电容传感器、电感传感器、光电传感器、颜色传感器等。本站可以作为一个传感器教学站点，学生通过运用本站的各种传感器，掌握传感器的应用技术。本站检测的结果将作为联机时分拣站的控制信号，这给学生编程以想象空间，并提高了编程难度，有助于P L C编程能力的提高。

(6) 分拣站

分拣站实际上是一个机械手，在工业过程中应用极为广泛，学生通过本站的学习，可以加深气动单元的理解，并完成机械手控制程序编写练习。

(7) 进仓站

进仓站是模拟立体化仓库的一站，仓库分成三层，根据不同的条件将不同的成品送入不同的仓库位置。学生通过本单元的练习，可以对自动化立体仓库有一个感性的认识，并完成较复杂P L C编程练习。

3.2 联机运行功能

本自动化生产线在加入主站和ProfibusD P现场总线以后，可以通过一定的控制程序，实现系统联机运行。联机运行时，令牌在这两个主站中传递，哪个站得到令牌，哪个站就掌握总线控制权，可以通过总线访问各从站，向从站发送信息和从从站读取信息。2类主站在整个DP系统中起编程器及监控的作用，系统的组态及各PLC程序的编写工作均由其完成。整条自动化生产线的工作过程如下：

(1) 在2类主站PC机上组态Profibus-DP系统，通电下载到各主从站;

(2) 在PC机上分别编写各主从站的通信和控制程序，分别下载到相应的P L C中，P C机运行监控程序;

(3) 启动系统，令牌在主站中循环传递，得到令牌的主站根据通信程序分别与各从站通信，进行相应操作和控制，从站在1类主站的控制下联合运行，以完成七种不同的控制功能。

学生通过联机运行方式的学习，可以掌握Profibus-DP现场总线技术、S7-300网络通信技术、WINCC监控软件的应用、传感器、气压传动、直流电机、交流电机等课程相关技术，为学生就业打下良好基础。

4 系统接线方式

为了教学的需要，本生产线各从站与该站传感器之间采用传统的点对点连接方式，学生可以比较直观地理解P L C硬件接线过程。各从站与主站之间采用全数字式的Profibus-DP现场总线连接，信号在总线上以数字信号传递，减少了信号的损耗，并且减少了接线工作，利于维护。市电线路和直流信号线路分开，避免相互串扰。系统的气动部分全部采用一个压缩机，气动部分构成一个独立的系统。

5 自动化生产线教学系统的教学应用

以往的专业教学中，理论教学多于实践教学，对于高职高专学生非常不合适，特别是自动化专业的学生如果不真正接触控制系统设备，根本不可能理解控制原理。基于以上的原因，我们研发了自动化生产线教学系统，学生可以通过在该系统上的练习实践，接触类似于生产实际的应用情景，使学生得到充分的锻炼，为毕业以后适应工作打下良好基础。

该自动化生产线已经在本校进行了使用，运行状况良好，专业教师因为有实际的设备依托，讲解课程就能深入浅出，也有利于学生接受。通过两个学期的教学实践表明，该自动化生产线教学系统能大大提高学生的学习兴趣，学生对知识的掌握能力提高，并有助于学生动手能力的培养。