西门子CPU模块6ES7515-2FM02-0AB0
汽车转向泵是一种中汽车的零部件，它由多种零件组成，需要借助不同的设备，按照一定的工序把它们组装起来。在整个过程中，不仅要完成基本的装配，还要对过程中诸如压力、位移、时间等参数进行实时监控，以满足工艺所提出的严格要求，保证装配质量。汽车转向泵自动装配线就是完成上述功能的一组设备，它是由多个工位组成的一条流水生产线，每个工位分别由1台可编程控制器控制，以实现不同的功能。
1 设备及工艺要求
整个装配线共有12个工位，其工艺流程如图1所示。
图1 汽车转向泵自动装配线工艺流程图
WS1.1工位用于把滚针轴承压入端盖孔内。其工作过程如下：先把端盖放在压台上，再把滚针轴承放入压头槽内，然后同时揿下双手按钮，如果轴承方向正确，则夹具锁紧，压机下压，否则，红灯闪烁报警，压机不工作，同时OP3操作面板上显示有关错误信息。当压机下压时，系统启动CoMoⅡ-S智能测量仪表，对压力和位移进行检测，如果结果合格，则绿灯亮，压机退回，夹具松开，可以将零件转入下道工序；如果结果不合格，则红灯亮，按下复位按钮后，夹具松开，取出零件，并让它通过废品确认检测点，再放入废品盒内，延迟数秒钟以后，方能重复下次循环，每次装配的结果都能以文本方式即时在OP3操作面板上显示出来。
根据工艺要求，不仅终压力应控制在一定的范围，压入深度即位移量达到一定值，而且要求过程中的压力和位移也应满足一定的对应关系，不同的位移，对应的压力应控制在一定的范围，否则，加工出的零件不合格。为了能实时检测压力和位移，得出两者间的在线关系曲线，并据此对过程作出评估，采用了Kistler的CoMoⅡ-S智能测量仪表。这种新型监测仪表，内置电荷和电压放大器，可以同时采集压力及位移传感器两路模拟输入信号，自动选择量程和不同的坐标及佳刻度，得出测量曲线，具有阀值、容差带、方框和终位等多种分析功能，可以根据需要选择不同的组合对各种过程进行分析和监测，并能方便地与PLC接口。压机及其它机构的动作全部由气压驱动，为使压力平稳，选用了TOX气液增力缸作为压力元件，由电磁阀控制其升降。
2 系统设计
2.1 硬件组成
根据该工位输入输出信号的点数及控制要求，选用了性价比很高的SIEMENS S7-214 PLC作为控制核心，同时还扩展了一块EM223数字量模块，此外，系统还包括直流电源模块，双手操作按钮控制模块以及PLC编程用的与PC连接的PC/PPI电缆等，系统硬件结构如图2所示。
图2 系统硬件结构图
为了实现人机对话功能，如系统状态及变量显示、参数修改等，还扩展了1台OP3操作面板，它通过一根专用电缆与PLC的本机通讯口连接。
2.2 控制软件设计
控制程序采肧TEP7——Micro/WIN软件以语句表方式编写，不需专用的编程器，而OP3操作面板则采用ProTool组态软件编程。系统控制程序分自动和手动两部分。在手动部分，通过OP3可分别操纵所有运动机构的动作，包括压机、夹具的作用、CoMoⅡ-S智能仪表的参数集选择及启动，便于系统调试。在自动部分，所有动作按要求顺序完成。为了使PLC与OP3之间相互交换信息，程序中定义了一些内部标志寄存器位，同时还使用了顺序继电器指令，使各程序步之间互锁，提高了系统可靠性。自动部分程序流程如图3所示。
图3 控制软件流程图
3 结束语
汽车转向泵自动装配线采用PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备可靠性，也大大提高了成品率，通过操作面板修改系统参数可以装配4种不同的产品，现场的各种信息，如工作状态、故障信息等可以声光报警及文字形式表示出来，方便了设备的操作和维护。该装配线自1999年10月在南京金志集团投入运行以来，工作稳定可靠，加工出的产品经国外设备的严格测试，性能完全符合要求，取得了良好的效果。
计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。
1． 以太网技术介绍
一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：低成本的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。
早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网(Shared Ethernet)，节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。
交换以太网(Switched Ethernet)的出现克服了这一缺点，以太网的交换机(Switch)是数据链路层(ISO/OSI参考模型第二层)的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。
交换以太网在获得确定性的同时，传输速度也有极大的提高。千兆以太网已普及，10Gb/s的交换以太网正在开发。当以太网用于信息技术时，应用层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和bbbnet(远程登录)。这些基于TCP/IP的协议簇已经成为工业界事实上的网络标准，在不同厂商的不同网络系统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。
工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。
此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。
2． 串口上网技术
以太网作为IT产业的主要通讯骨干，已是众所皆知的事实，并已大量的应用在人类生活息息相关的信息产业上。面对这股网络化的潮流，身为所有产业基础建设的工业自动化系统，也广泛的应用TCP/IP以太网作为系统通讯界面，并积极发展更符合工业标准的网络技术与产品，提高系统自动化的能力，从而达到降低成本、提升竞争力的目标。
但是,在系统网络化的过程里,由于许多传统的串口设备未具备联网能力,在控制指令与设备信息的传递上,必须要有串行通讯转TCP/IP网络的方案。而串口通讯网络技术简单、易用，，是系统网络化的理想选择。现在市场上已出现MOXA的Nport系列串口上网服务器。
使用MOXA的标准串口驱动程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是远程的COM端口，不需要更改系统原有使用串行通讯的应用软件或通讯元件。好处在于，有了bbbbbbs和Linux/Unix的驱动程序支持，Nport 家族 可以立即让串口设备具备联网的能力。Nport 家族设备联网服务器包含完整的TCP/IP协议。它可以把串口数据包装成TCP封包，并转换成可以在Ethernet上传送的frame，传送到主机的以太网卡上。主机以自己的TCP/IP协议解封包后，应用程序可以接收到完整的串口数据。
通过Nport 家族 TCP端口，可不是用驱动程序，而以TCP/IP Socket来存取串口数据。这种解决方案适合于所有具备TCP/IP连接功能的系统。让串口设备具备TCP/IP网络界面，可提高企业管理与原作效率。由TCP/IP网络可远程、机动性管理的特性，大大减低系统故障维护与人力成本，是一个底成本效益的串口设备管理模式。
3.基于以太网的DCS系统设计
3．1以某石膏粉生产线DCS系统为例，原理：石膏粉生产线分破碎、粉磨、炒制及包装等几大部分。
破碎：将生料送入一次破碎机中破碎，一次破碎后的生料由提升机送入料仓1中，料仓1下挂有电振机，启动电振机即可将一次破碎后的生料送入二次破碎机中进行二次破碎，二次破碎后的生料由提升机送入料仓2，待料仓2下的电振机启动即可将破碎后生料送入磨机进行粉磨。
粉磨：破碎后的生料进入磨机进行粉磨，粉磨后的粉料由绞刀1#经提升机、绞刀2#送入预热仓，预热仓的粉料再经下面双绞刀3#、4#送入炒锅进行炒制。其中，预热仓中粉料的料位由料位传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道。
炒制及包装：粉料经双绞刀3#、4#送入炒锅中进行炒制，当炒锅中粉料的料位达到上限值时，停止双绞刀3#、4#。炒锅一边加热，一边用搅拌器搅拌粉料，当粉料温度达温度设定值时，启动阀门电机，粉料泄入料仓3中。当炒锅中粉料的料位达到下限值时，启动双绞刀3#、4#，预热仓中的粉料进入炒锅，使炒锅的温度低于温度设定值，停止阀门电机，粉料进入下一轮炒制。料仓3中的熟料，由绞刀5#经提升机机送入料仓4，再经绞刀6#输出包装。其中，炒锅中粉料的温度由温度传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道；绞刀6#的输出速度由变频器控制，以便调节其输出速度。限于篇幅省略工艺流程图（需要可与作者联系）
3． 2系统硬件结构设计
系统利用以太网技术，采用集中管理分散控制的方式。根据石膏粉生产线破碎、粉磨、炒制及包装三大部分的控制要求，用三台CPM1A型OMRON PLC实现控制。
本系统选择1对3串口服务器。只需在上位机按装 bbbbbbs 95/98/ME, bbbbbbs NT, 和 bbbbbbs 2000 native COM 驱动程序, 给MOXA多串口服务器设置IP地址，上位机通过实验室局域网与MOXA Nport-Server通讯，下位机（PLC）通过RS-232转换器与MOXA多串口服务器通讯相连，并分配虚拟COM口，上位机组态软件需要设计下位计算机的所有系统组态程序，建立相应的COM3-COM5硬件设备，进行系统的人机界面设置组态，系统的远程监控可以通过访问上位机实现（与以太网方案相同，需要在组态软件上发布WEB页面），远程计算机可以直接访问MOXA多串口服务器的IP地址，直接读取TCP/IP数据包，进行网络远程监控。具体设计为破碎站PLC为COM3口，粉磨站PLC为COM4口、炒制及包装站PLC为COM5口。系统结构图如图1所示。
本系统通过以太网可实现远程控制，与传统的现场总线方式相比，具有成本低，控制距离远（连入网络的计算机均可对系统监控），易于管控结合等特点。
3.3 系统监控软件设计
系统监控软件采用组态王组态软件。因为组态王的网络结构是一种柔性的客户服务器模式，所以客户服务器是相对的。按系统网络构架系统有管理站，下位机分破碎站,粉磨站和炒制及包装站，各工作站分别安装组态王6.0网络版。以太网构架。需在每一工作站组态王“网络设置”项中选择联网，管理站设置为登陆服务器和WEB SERVER服务器生成需要通过Internet远程监控浏览的界面，并且需要把本站点上的工程所在路径下的文件夹设置为共享方式。然后再在网络设置”项中进行“客户配置”定义本地计算机在网络中充当的客户功能，并且可充当多个站点的客户。一个系统中登陆服务器只有一个均选择管理站。进行以上配置前提为网络中的所有站点均需在网络中，并且可以中常通讯。
网络信息传递即网络变量的引用。组态王可以对网络中的变量直接引用。
4． 总结
工业自动化的发展趋势应该是分布式、开放化和信息化。分布式的结构是一种能确保网络中每个智能的模块能够独立的工作的网络，达到系统危险分散的概念；开放化则是系统结构具有与外界的接口，实现系统与外界网络的连接；信息化则是使系统信息能够进行综合处理能力，与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。
基于以太网技术的自动化具有低成本和开放性，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化，这也是自动化的发展方向之一。上述系统已成功应用于现场，具有极好的推广价值。