现场总线技术在柔性制造中的应用研究0106.docx
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现场总线技术在柔性制造中的应用研究0106
工程硕士学位论文
(工程硕士人员)
现场总线技术在柔性制造中的应用研究
王兵
河北科技大学
2009年12月
国内图书分类号:
TH165
国际图书分类号:
621.39
工程硕士学位论文
(工程硕士人员)
现场总线技术在柔性制造中的应用研究
硕士研究生
导师
副导师
申请学位级别
学科、专业
所在单位
答辩日期
授予学位单位
:
:
:
:
:
:
:
王兵
杨松林教授
易唯高级工程师
工程硕士
机械工程
河北工业职业技术学院
河北科技大学
ClassifiedIndex:
TH165
U.D.C.:
621.39
EngineeringMasterDegreeDissertation
(EngineeringMasterCandidate)
STUDYONAPPLICATIONOFFILEDBUSINFLEXIBLEMAUNFACTURINGSYSTEM
Candidate:
Supervisor:
DeputySupervisor:
AcademicDegreeAppliedfor:
Speciality:
DateofSubmission:
DateofOralExamination:
University:
WangBing
Prof.YangSonglin
HighEngineerYiWei
MasterofEngineering
MechanicalEngineering
October,2009
HebeiUniversityofScienceandTechnology
现场总线技术在柔性制造中的应用研究
现场总线技术是现代企业综合自动化领域研究、应用、发展的一项新技术,它可以将控制系统与通信网络集成,信息交换的范围从现场设备、制作车间逐步覆盖到整个工厂甚至企业集团。
它的出现使自动化领域产生了一场深刻变革,对其他相关领域也产生着深远影响。
本文对目前国内外PROFIBUS现场总线的技术研究现状进行了分析,并在研究传统柔性制造系统在通信网络存在的缺点基础上,提出了将嵌入式总线桥技术应用于机加工的柔性制造系统的新方案。
通过PROFIBUS-DP现场总线技术研究,开发了基于PROFIBUS-DP总线协议的智能从站,并对智能从站进行软件及硬件系统开发,使其具有基本的数字输入、输出、数显等功能,实现了从站与PROFIBUS-DP主站进行数据通信的基本功能,为该技术在柔性制造领域的应用提供了重要依据。
通过本文的研究得出,将PROFIBUS-DP现场总线技术应用于机加工的柔性制造系统,可充分发挥PROFIBUS-DP的各种优点,并能克服传统柔性制造系统中采用485总线技术的缺陷,对柔性制造技术中通信的改善和提高起到了积极的作用。
PROFIBUS-DP智能从站的软硬件系统开发对我国PROFIBUS技术深入研究及实际应用起到积极的促进作用。
关键词柔性制造系统;现场总线;PROFIBUS-DP;嵌入式总线桥;智能从站
StudyonApplicationofFieldbusinFlexibleManufacturingSystem
Thefieldbusisanewtechnologyofresearch,applications,developmentofamodernenterpriseintegratedautomation,anditcanintegratedthecontrolsystemandcommunicationnetworkandtheexchangeofinformationrangingfromdevices,productionworkshopandgraduallycovertheentireplantorenterprisegroup.Itappearsthattheautomationfieldproducesaprofoundchangeinotherrelatedfield,andhasaprofoundinfluence.
Inthispaper,theauthoranalyzesthestatusofstudyingonthetechnologyofthepresentdomesticPROFIBUSinfieldbus,onthebasisofshortcomingforstudyingthetraditionalflexiblemanufacturingsystem,andproposesanewplanwhichappliesbusbridgeembededintoflexiblemanufacturingsystem.ThroughresearchingPROFIBUS-DPfieldbustechnology,theauthordevelopstheintelligencePROFIBUS-DPslavestation,anddesignthesoftwareandhardwarebyit,makeithavethefunctionsofdigitalinput,outputanddigitaldisplaybasically,realizethetelecomwithPROFIBUS-DPmainstationindata.Forthistechnologyinthefieldofflexiblemanufacturingapplicationitprovidesanimportantbasis.
Accordingtothepaper,applyingthePROFIBUS-DPfieldbustoflexiblemanufacturingsystem,itexertsallkindsofadvantagesofPROFIBUS-DP,andoutcomesthedefectsoftraditionalflexiblemanufacturingsystemwithtaking485technology.Ithaspositiveinfluencetoimproveandenhancetheflexiblemanufacturingtechnologyintelecom.ThePROFIBUS-DPintelligenceslavestationbothinsoftwareandhardwareplaysapositiveroleinpromotingforwarddomesticPROFIBUStechnologyresearchandpracticalapplication.
Keywords:
flexiblemanufacturingsystem,fieldbus,PROFIBUS-DP,busbridgeembeded,intelligenceslavestation
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1现场总线技术的产生与发展1
1.2柔性制造发展现状2
1.2.1柔性制造系统的产生和发展2
1.2.2柔性制造系统发展中出现的问题2
1.3选题依据及研究内容3
1.3.1选题依据3
1.3.2研究内容3
1.3.3重点解决的关键问题4
1.4本课题结构4
第2章构建PROFIBUS-DP现场总线集成方案6
2.1现场总线6
2.1.1现场总线定义6
2.1.2现场总线的结构特点6
2.1.3现场总线的技术特点6
2.1.4现场总线的优点7
2.2PROFIBUS现场总线的技术概述7
2.2.1PROFIBUS技术的主要发展历程8
2.2.2PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系8
2.2.3PROFIBUS技术体系结构9
2.3PROFIBUS-DP现场总线9
2.3.1PROFIBUS-DP的概念10
2.3.2PROFIBUS-DP现场总线的基本原理及基本功能10
2.4本章小结11
第3章PROFIBUS-DP从站总线桥技术解决方案12
3.1嵌入式系统发展现状12
3.1.1嵌入式系统的定义12
3.1.2嵌入式系统的特点12
3.1.3嵌入式系统的分类12
3.2PROFIBUS-DP从站接口协议转换原理13
3.3PROFIBUS-DP智能从站方案比较13
3.3.1单片机+软件的解决方案13
3.3.2使用PROFIBUS通信专用ASIC方案14
3.3.3应用总线桥技术的解决方案15
3.4方案确定15
3.5本章小结15
第4章PROFIBUS-DP从站硬件选用17
4.1总线桥特点及选用17
4.2嵌入式PROFIBUS总线桥OEM产品比较选择17
4.3PB-OEM2-SE技术原理17
4.4PB-OEM2-SE技术指标18
4.5PB-OEM2-SE外形及布局图19
4.5.1J1-16针接插件管脚定义说明19
4.5.2SE状态表20
4.5.3J2-10针接插件管脚定义说明20
4.6PROFIBUS孔(famel)D型插座与接口板连接方式21
4.6.1D型插座的PROFIBUS信号定义21
4.6.2连接方式0—PBD型插座22
4.6.3外接口转接板与OEM2-SE模块连接22
4.7PB-OEM2-SE接口板功能选择开关SW124
4.8本章小结24
第5章PROFIBUS-DP从站软件设计25
5.1通信规约25
5.2用户模板串口通信程序流程图26
5.3软件程序编制:
GSD27
5.4本章小结32
第6章PROFIBUS-DP在柔性制造实验系统中的应用33
6.1FMS柔性制造实验平台搭建33
6.1.1FMS柔性制造实验平台基本功能要求33
6.1.2系统硬件的搭建33
6.1.3FMS柔性制造实验系统通信系统构建34
6.2系统的安装及软件调试34
6.2.1软件、硬件的安装34
6.2.2系统调试35
6.3调试系统原理图39
6.4实验结果分析41
6.4.1对数控程序进行集中管理情况测试41
6.4.2机床参数的远程管理测试41
6.4.3机床加工状态的远程监控42
6.4.4机床加工信息的实时采集42
6.5本章小结44
结论45
参考文献46
攻读硕士学位期间所发表的论文49
致谢50
个人简历51
第1章绪论
1.1现场总线技术的产生与发展
现场总线技术是顺应企业综合自动化需求而发展起来的新技术,是控制系统与通信网络的集成,信息交换的范围已从现场设备、制作车间逐步覆盖了工厂到企业集团[1~4]。
第一代过程控制体系结构是20世纪50年代前的基地式的气动仪表控制系统。
第二代过程控制体系结构发展为使用模拟信号。
第三代过程控制体系结构开始出现用数字信号代替模拟信号,中心控制采用一台计算机或单片机,以取代控制系统中大部分仪表盘,这种控制系统有很多缺点,比如模拟信号数字化是在计算机端完成,使得信号在传输过程中受到各类干扰,使得系统在抗干扰方面的设计和实现十分困难,此外,计算机一旦出现故障,便会造成整个系统的瘫痪[5]。
20世纪80年代开始出现第四代过程控制体系结构,该结构采用嵌入式技术:
在现场仪器设备中嵌入微处理器,使现场设备具备了智能化特点,多台分散在现场微处理器,利用数据总线连接在一起,避免了集中式控制系统整体瘫痪的缺点[6]。
但是它也存在着一些缺点,如系统不开放、可扩展性不强、可靠性低、集成能力不强等。
随着集成电路的发展,许多现场设备内置微控制器,有智能化的功能,可以实现线性化等功能,设计中,可以在这些设备的基础上增加一数据接口。
这样,在现场设备级传递的是数字信号。
这种通信网络它克服了集散控制系统(DCS)存在的问题,真正实现了分布式控制,具有高度的灵活性和开放性。
在现代制造业中的集成制造系统(CIMS)一般是由和现场设备级、车间监控级和工厂管理级等构成的一个多层的大规模控制系统[7],如图1-1所示。
图1-1总线系统分层控制图
Fig.1-1Layercontrolsketchofsystem-bus
是实现工厂自动化及计算机集成制造系统的基础。
它们底层设备控制、通信、状态监测及现场设备运行主要由现场设备级、车间监控级完成;同时也接受管理层下达的生产管理命令并执行[8,9]。
1.2柔性制造发展现状
1.2.1柔性制造系统的产生和发展
随着产品复杂程度的不断增加以及产品更新换代加快,在生产过程中必须提高产品制造的柔性以提高生产效率,采用柔性制造的概念可以缩短生产周期,降低能耗,降低生产成本,获得更好的经济效益。
柔性制造系统便是在由此应运而生的[10]。
在柔性制造系统领域,西欧、美国和日本走在世界的前列,而美国是最早的国家,起初是由自动生产线改建,用数控机床代替传统机床再加上数字控制系统,便构成FMS,在美国,FMS单元得到了快速的发展,到90年代,柔性制造单元已超过了1万套。
日本与德国在这方面也得到了很好的发展。
1994年初,世界各国已投入运行的柔性制造系大概有3000多条,日本占世界首位,拥有2100多条。
当前著名的FMS生产厂家有:
日本的LIJ崎、日立精机、法那科、丰田工机;美国的Keamey&Trecker,IngersollMilling,CincinnatiMilacron,,BendaxSundstund;Werner&Kolb,Burkhardt&Weber,SIEMENS,HullerHilley以及Scharman等[11]。
我国发展的较晚,1986年10月我国第一条FMS投入运行,863计划启动之后,促进了我国FMS技术的发展,自行开发和引进了一些系统,至1995年建成约34套柔性制造系统,与欧美、日本相比差距很大,图1-2为典型的FMS示意图。
图1-2典型的FMS示意图
Fig.1-2SketchoftypicalFMS
1.2.2柔性制造系统发展中出现的问题
柔性制造系统发展虽然日渐成熟,但在网络信息化、控制模式等方面还有许多待改进的地方,早期,在柔性制造系统的控制方式中,多采用集中控制模式:
所有的现场设备都由中央计算机进行控制。
这种控制模式使得系统软件很庞大,所有的功能都要有中心实时去处理,导致计算机运行速度下降,进而可靠性降低。
有一个突出的问题是:
管理层的网络技术发展相当迅速,而车间级和设备级的网络传输技术相对落后,这样就使得设备级成为了“信息孤岛”。
现场总线技术的出现解决了柔性制造系统发展中出现的这些问题。
早期的柔性制造系统中,信息的传递较多的是采用RS232、I/O接口、MAP网络方式或DCS方式,前两种方式的传输速度太低,已经无法满足FMS的要求,对于后两种方式,MAP不具备实时特性。
DCS相对来说是不错的解决方案,但与现场总线相比,现场总线有更明显的优势。
随着微控芯片工业生产中的应用,出现了大量的智能设备,如温度变送器等,不但具有PID控制和运算功能,还具有输出特性补偿、自诊断、自校验等功能,这使得FMS的控制结构开始由集中控制的方式向分布式控制模式发展,而现场总线技术正是这种方式的主要技术。
1.3选题依据及研究内容
1.3.1选题依据
本课题是基于数控生产性实训中心开展的PROFIBUS现场总线应用技术的研究。
通过分析柔性制造系统发展的特点、现场总线技术发展的特点和优点以及嵌入式系统的特点,提出了将现场总线技术中的嵌入式总线桥应用于FMS的方案,以达到改善和提高FMS之目的。
1.3.2研究内容
本课题将在充分研究目前国内传统柔性制造系统的前提下,结合目前我国国内Profibus现场总线的研究现状,提出将Profibus现场总线技术应用于FMS的方法,在今后的研究中,将通过研究Profibus现场总线技术,利用专用集成芯片开发基于Profibus-DP协议的从站,对从站进行软件与硬件的开发,通过编写数据库文件,实现与主站的基本数据通信。
为了使研究具有实际应用价值,本研究将建立在一个小型柔性制造系统模型基础上,通过对柔性制造模型中各个单元的控制与管理,验证系统的性能,为实际应用提供理论与现实依据。
具体内容分四个层次:
(1)研究Profibus-DP现场总线桥的原理及应用,构建柔性制造系统站点集成方案在构建系统集成方案过程中,第一个要解决的关键技术就是传输方案的选择及接口的匹配。
Profibus提供三种传输类型:
DP、FMS的RS485传输、PA的IEC1158-2传输、光纤传输,考虑到光纤传输有良好的抗干扰性,本方案选用光纤,但目前现场的大部分设备接口是RS485,需要解决二者之间的转换。
第二个问题是总线存取协议,主站和主站之间采用令牌传送的方式,从站与主站之间采用主从传送方式。
(2)研究Profibus-DP现场总线桥的通信原理,设计主站与从站的硬件结构在完成集成安装的基础上,在Profibus-DP通信方面,关键是设备通信接口解决方案,在设计从站的方案中,一般有三种:
一种是直接用单片机实现,这种方案开发周期长,测试复杂;第二种是采用从站接口模块,这种方案灵活性较差;第三种是采用Profibus专用ASIC与单片机结合,其中单片机不参与处理总线协议,这种方案开发成本较低,技术指标高。
这一部分将对三种方案进行理论与实践分析,并最终确定一种最合理的方案,同时,将进一步研究这种方案需要设计的外围电路,并搭建一个调试与测试平台需要的Profibus系统,用于以下在柔性制造系统中的应用。
(3)研究Profibus-DP从站与柔性制造单元的接口及数据交换在以上系统方案与通信原理建立的基础上,进一步研究通信单元与现场设备的接口电路与数据交换技术。
在现场设备端,Profibus-DP一般采用RS485传输技术,为了达到抗干扰的目的,将进一步研究信号与电源的隔离技术,如在接口电路上采用光隔离及变压器隔离技术等,这是这一部分设计的关键。
在数据格式的定义上也是一个重点研究的内容。
(4)软件的编制通过讨论分析,软件应包含管理、控制、监控、报警等功能,软件设计的技术关键在于接口的控制。
(5)在实验系统中的应用通过搭建柔性实验平台,应用前面研究成果构建实验通信系统,进行系统调试实验和实验结果分析,验证软硬件研究成果。
1.3.3重点解决的关键问题
(1)构建基于Profibus-DP总线的通信与控制的网络系统,以提高其可靠性,保证高速的传输性能,使系统的集成能力加强。
(2)现场总线单元与柔性制造单元之间的接口电路设计。
(3)软件的编制以及对各接口的控制与管理。
1.4本课题结构
本课题的研究工作主要是研究设计一个适合制造加工车间环境的实时数据采集及远程监测系统,为机械加工生产管理及维护人员提供及时准确的环境信息,推动柔性制造系统向自动化、智能化方向发展。
本论文各章的基本内容如下:
第1章是绪论,简要介绍了现场总线技术和柔性制造技术发展及出现的问题,引出选题依据及研究内容。
第2章介绍了现场总线的概念、特点、发展历程、协议模型及技术体系结构;论述了Profibus-DP现场总线的基本原理、功能、报文结构、总线定时及数据库文件。
第3章论述了嵌入式系统的特点、分类,介绍了Profibus-DP从站接口协议转换原理,并对其从站接口进行方案比较、选择。
第4章论述了Profibus-DP从站接口的硬件嵌入式总线桥产品的选用,介绍了其外形、布局图、插座、接口板连接及开关。
第5章论述了Profibus-DP从站软件的通信规约、串口通信程序流程图及其软件程序。
第6章论述了Profibus-DP从站在柔性制造实验系统的应用。
介绍了其试验平台搭建,系统安装、软件调试、调试原理及实验结果分析。
第2章构建PROFIBUS-DP现场总线集成方案
2.1现场总线
2.1.1现场总线定义
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、双向、智能、多变量、互联、多点的通信网络,是自动化领域发展的热点之一,被称为自动化领域内的局域网。
作为工业通信网络的基础,它起到沟通生产过程现场的控制设备之间以及与更高级别的控制管理层之间进行联系的作用。
所以它不仅仅是一个基层的网络,而且还是一种新型全分布式、开放式的控制系统[13]。
2.1.2现场总线的结构特点
现场总线系统远远优于传统的控制系统的结构形式。
在传统模拟控制系统中,一般设备之间采用一对一的连线,位于现场的设备和管理层的控制器之间均采用一对一的物理连接。
而现场总线系统与此有很大的区别,由于采用了智能设备,所以,现场总线可以把控制室的控制模块置入现场设备中,同时现场设备也具有通信的能力,这样就彻底实现了现场分散的控制[14-16]。
两种结构对比,如图2-1所示。
传统控制系统结构示意图现场总线控制系统示意图
图2-1现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比
Fig.2-1StructurecontrastinFieldbuscontrolsystemandtraditionalcontrolsystem
2.1.3现场总线的技术特点
现场总线控制系统采用了智能现场设备,控制系统功能直接在现场完成,而不依赖控制室,实现彻底的分散性控制。
具有以下特点[17-18]:
(1)系统的开放性开放系统是指各不同厂家的通信协议公开,不同设备之间能进行互连,并实现信息交换,现场总线研究的目的就是要一个建立统一的基于工厂现场级网络的开放系统。
这个开放系统可以与任何相同标准的其它智能设备或系统相连。
(2)互可操作性与互用性所谓的互可操作性是指,可以实现互连的设备、系统之间的信息沟通可实行一点对一点、一点对多点的通信,而互用性指的是不同生产厂家之间的类似设备可以进行互换互用。
(3)现场设备智能化与功能的自治性现场总线将数字处理与控制等智能功能分散到各个现场的设备中进行完成,靠现场的设备就完全可完成诸多自动控制的基本功能。
(4)系统结构的高度分散性现场设备可完成自动控制的诸多基本功能,这样就从根本上改变了原来DCS集中和分散相结合而构成的集散控制体系,大大提高了可靠性。
(5)对现场环境的适应性现场总线的现场设备前端,支持同轴电缆、双绞线、光缆、红外线、电力、射频线等,具有较强的抗干扰能力。
2.1.4现场总线的优点
由于现场总线结构的简化,使控制系统体现出优越性,优点如下[19]:
(1)节省硬件数量与投资现场总线系统不需要单独的计算单元,可以用PC机作为
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