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模塊化生產(chǎn)線的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計
模塊化生產(chǎn)線的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計 摘 要:本文主要探討基于模塊化生產(chǎn)線的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計,即在多臺PC機、一條MPS生產(chǎn)線以及多臺PLC的系統(tǒng)環(huán)境下,實現(xiàn)對MPS的資源共享和優(yōu)化管理,保證每一臺PC機都有機會與各臺PLC聯(lián)機通訊。本系統(tǒng)利用RS-232C總線與單片機組成總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在總線網(wǎng)絡(luò)中以單片機作為控制站,通過RS-232C總線、總線適配電路,再配以相應(yīng)的軟件程序,實現(xiàn)對MPS的控制系統(tǒng)資源——PLC進(jìn)行管理與優(yōu)化配置。本設(shè)計成果的意義在于最大限度的利用MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的資源,充分提高實驗設(shè)備的利用率、可操作性,以便在有限的時間內(nèi)取得最佳的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:模塊化生產(chǎn)線; 資源共享; RS-232C總線
1 引言
在工業(yè)控制領(lǐng)域,傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式已經(jīng)越來越不能滿足工業(yè)自動化的要求,這種控制方式不但耗時、費力而且很不完善。工業(yè)自動化控制系統(tǒng)發(fā)展到今天,隨著通訊技術(shù)的不斷提高,擺脫了以傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式為主體的控制方式,出現(xiàn)了利用上位機通過現(xiàn)場總線通信來控制生產(chǎn)線的全新模式。本設(shè)計中的控制系統(tǒng)是針對FESTO公司生產(chǎn)的模塊化加工生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
德國FESTO公司的MPS(Modular Production System)模塊化生產(chǎn)加工教學(xué)與培訓(xùn)系統(tǒng),是一個完整的面向自動化控制技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng),它由多個模塊組成,是一個完全開放型的操作系統(tǒng),操作人員可根據(jù)不同的需要進(jìn)行各種模塊的組合、擴展和控制。MPS系統(tǒng)很接近實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),因此基于MPS系統(tǒng)的培訓(xùn)在大學(xué)工科教學(xué)中是很有實際意義的。
但MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)價格昂貴、數(shù)量有限,為了最大限度的利用MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的資源,充分提高實驗設(shè)備的利用率,并在有限的時間內(nèi)取得最佳的教學(xué)效果,因此需要設(shè)計一套完善的資源分配與管理系統(tǒng),通過資源的優(yōu)化配置實現(xiàn)資源共享、分時選用等要求。本文對實現(xiàn)資源共享的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及軟硬件設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了描述。
2 總體方案設(shè)計
德國FESTO公司的MPS模塊化自動加工生產(chǎn)線是一套模擬加工生產(chǎn)線教學(xué)與培訓(xùn)設(shè)備,可以由西門子公司的S7-300型可編程控制器——PLC作為控制系統(tǒng),對整個自動加工生產(chǎn)線進(jìn)行過程控制。
總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計所要解決的核心問題是:對控制MPS自動生產(chǎn)線的可編程控制器———PLC實現(xiàn)資源共享。所謂資源共享用一句簡單的話來描述就是“多選一”和“一選多”�！岸噙x一”就是指多臺PC機可以分時與同一臺PLC進(jìn)行通訊,實現(xiàn)多臺PC機對MPS生產(chǎn)線的某一個工作站進(jìn)行控制;而“一選多”就是指某一臺PC機能夠分別與多臺PLC進(jìn)行通訊,實現(xiàn)一臺PC機對MPS生產(chǎn)線的多個工作站進(jìn)行控制。
在進(jìn)行總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計時,首先要確定硬件設(shè)計方案,也就是把總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的硬件環(huán)境設(shè)備——多臺PC機和多臺PLC,通過硬件電路設(shè)計有序的連接在一起,再配合一些必要的其他設(shè)備實現(xiàn)資源共享和分配管理工作。為了實現(xiàn)多臺PC機對PLC資源共享,本設(shè)計提出了一種以一臺單片機為控制站的總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。這一總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案是由多臺PC機,一臺AT89C51單片機,通過RS232總線和總線適配電路實現(xiàn)對PLC的資源共享。
要通過總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享,除了完善的硬件環(huán)境外,還必須開發(fā)相應(yīng)的通訊程序與之匹配。通訊程序設(shè)計分為兩個部分:一是單片機的通訊程序設(shè)計,二是PC機的通訊程序設(shè)計。單片機通訊程序是利用匯編語言編寫的源程序,它的主要功能是輪詢各PC機,以便接收PC機發(fā)出的聯(lián)機申請,并根據(jù)申請內(nèi)容發(fā)送聯(lián)機許可信號。PC機通訊程序是應(yīng)用現(xiàn)成的編程軟件來設(shè)計的,它的主要功能是發(fā)送聯(lián)機申請并接受聯(lián)機許可信號。這些通訊程序不是獨立的,它需要與總線網(wǎng)絡(luò)的硬件適配電路相配合,兩者只有共同作用才能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和優(yōu)化管理。
3 總線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計
總線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計就是要設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和分配管理的總線適配電路�？偩�適配電路由兩部分電路組成,一部分是單片機輪詢電路,另一部分是資源共享電路�？偩�適配器電路所要完成的主要工作是:由作為控制站AT89C51單片機采用輪詢的方法,通過RS-232C總線接收各PC機發(fā)出的聯(lián)機申請信號和聯(lián)機機號等信息,單片機經(jīng)程序分析后向該PC機發(fā)出允許聯(lián)機信號,并發(fā)出指令接通PC機所要連接的PLC的控制信號線,接下來就可以把在PC機已編好的程序通過總線RS-232C下傳到PLC,實現(xiàn)PLC的資源共享。
3.1 單片機輪詢電路設(shè)計
單片機要輪詢各PC機發(fā)出的聯(lián)機申請,就是要實現(xiàn)PC機與單片機之間的通訊,在實現(xiàn)PC機與單片機之間的通訊時,通常采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信接口RS-232C。RS-232C是在異步串行通訊中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。PC機與單片機最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟型,這是進(jìn)行全雙工通信所必須的最少線路。PC機與單片機、PLC通過9芯標(biāo)準(zhǔn)插座連接。本設(shè)計的單片機輪詢電路由CD4052芯片和MAX232芯片組成。CD4052芯片是雙路、四通道模擬多路轉(zhuǎn)換器,一片CD4052芯片可實現(xiàn)對四臺PC機進(jìn)行輪詢。MAX232是實現(xiàn)把RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平的電平轉(zhuǎn)換專用集成芯片。單片機輪詢電路原理如圖1所示。
圖1 單片機輪詢電路原理圖
3.2 資源共享電路設(shè)計
資源共享電路設(shè)計是要實現(xiàn)“多選一”和“一選多”的功能。即多臺PC機可以分時與同一臺PLC進(jìn)行通訊,而某一臺PC機能夠分別與多臺PLC進(jìn)行通訊。本設(shè)計采用以RS-232C總線和多位數(shù)據(jù)選擇器為核心的集成電路方案。該集成電路通過設(shè)計成行列結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路來實現(xiàn)資源共享。PC機與PLC的通訊也采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信接口RS-232C,用最簡單的三線連接方式,因此本設(shè)計選用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關(guān)。CD4053芯片是三路、雙通道模擬多路轉(zhuǎn)換器。以四臺PC機共享五臺PLC為例,開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路需要四乘五總共二十個數(shù)據(jù)選擇開關(guān),即要用二十個CD4053芯片排列成四行五列(或五行四列)的行列結(jié)構(gòu)形式,構(gòu)成資源共享電路,電路原理如圖2所示。
圖2 資源共享電路原理圖
控制信號線
RS-232C總線
當(dāng)單片機輪詢到某一臺PC機要與某一臺PLC聯(lián)機通訊時,由單片機給與之相連的相應(yīng)的CD4053芯片控制信號線發(fā)出控制信號,使該芯片的開關(guān)通道接通,實現(xiàn)某一臺PC機與某一臺PLC聯(lián)機通訊。
4 總線網(wǎng)絡(luò)的通訊軟件設(shè)計
4.1 PC機通訊程序的設(shè)計
PC機通訊程序是要實現(xiàn)PC機發(fā)送聯(lián)機申請信號,并可接收單片機發(fā)回的聯(lián)機許可信號等。為此要設(shè)計一個如圖3所示的控制面板。
圖3 控制面板示意圖
在總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊中,是采用詢問與應(yīng)答的方式進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。為保證通信的可靠性及信息傳遞的準(zhǔn)確性,故為通信中主要的命令字制定了一個簡單的通訊協(xié)議。PC機通信軟件和單片機軟件命令字約定如下:
該命令字有八位數(shù)據(jù)組成,其中最高兩位為命令字,最低三位為PLC機號,中間三位為PC機機號。
00XX XXXX 為PC機退出聯(lián)機命令字;
01XX XXXX 為PC機申請聯(lián)機命令字;
10XX XXXX 為單片機允許聯(lián)機命令字;
11XX XXXX 為資源占用命令字。
PC機通訊程序完成的功能是當(dāng)PC機要與某臺PLC的進(jìn)行聯(lián)機調(diào)試時,先在控制面板的對話框中輸入由兩位申請聯(lián)機命令字、三位PC機機號和三位PLC機號組成的字符串,點擊確定按鍵,此時PC機通訊程序?qū)⑦@八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機的串行口;當(dāng)該臺PLC沒有被占用時,接收單片機發(fā)回的聯(lián)機允許信號,并點亮控制面板上的綠色指示燈;一旦該臺PLC已被占用,則接收單片機發(fā)回資源占用信號,并點亮控制面板上的黃色指示燈;當(dāng)PC機與某臺PLC的聯(lián)機調(diào)試完成,則在控制面板的對話框中輸入由兩位退出聯(lián)機命令字、三位PC機機號和三位PLC機號組成的字符串,點擊確定按鍵,此時PC機通訊程序?qū)⑦@八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機的串行口,并關(guān)斷控制面板上的指示燈。點擊退出按鍵,則退出通訊程序。
PC機通訊程序是應(yīng)用VB編程軟件來設(shè)計的。控件MSComm可設(shè)置串行通訊的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收,對串口狀態(tài)及串口通訊的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。它是一個標(biāo)準(zhǔn)的十位串口通訊,包括八位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)位、一個起始位和一個停止位。
4.2 單片機通訊程序的設(shè)計
在單片機與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程中,每次通信是由相應(yīng)的PC機發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀,單片機通訊程序完成的功能是通過串行口輪詢接收PC機發(fā)出的命令字符,并對此字符進(jìn)行分析判斷,以確定哪臺PC機與哪臺PLC聯(lián)機,當(dāng)該臺PLC沒有被占用時,再由軟件發(fā)出聯(lián)機控制信號給兩者對應(yīng)的開關(guān)芯片,使該芯片導(dǎo)通,則使該臺PC機與所選定PLC的進(jìn)行聯(lián)機調(diào)試,并給PC機發(fā)回允許聯(lián)機信號。一旦該臺PLC已被占用,則給PC機發(fā)回資源占用信號,暫緩聯(lián)機。當(dāng)PC機結(jié)束與PLC的通訊后,向單片機發(fā)送退出信號,單片機接到該信號后斷開開關(guān)芯片,繼續(xù)輪詢。
AT89C51單片機內(nèi)部有一個可編程的全雙工串行通信接口,可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串行通信是采用工作方式1,波特率9600b/s,單片機接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式。定時器T1選用工作方式2,初值為FDH,晶振頻率11.0592HZ。
5 結(jié)束語
本文從最大限度地發(fā)揮MPS生產(chǎn)線的價值的角度出發(fā),本著優(yōu)化資源管理與配置的思想,圍繞MPS生產(chǎn)線開展的大量、基礎(chǔ)性的且有使用價值的設(shè)計工作。本設(shè)計不僅可以充分利用MPS教學(xué)培訓(xùn)資源,使MPS生產(chǎn)線的工作效率得到提高,還可以實現(xiàn)輔助教學(xué),實現(xiàn)了實驗室管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化,并可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,對于學(xué)生認(rèn)識了解現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域的知識,增強他們的實踐能力都是非常有益的。
本文作者創(chuàng)新點:采用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關(guān),設(shè)計了行列結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路來實現(xiàn)資源共享。
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