（机械电子工程专业论文）mps监控系统的研究.pdf

：i 。) 0 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：铭基、弓混 日期： 幻1 矿多呼 指? 教师签名：彬 日期：2 。l o 6 q - 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：缘厶；汤 日期： 跏护石9 指导撕签名：肩州芬 日期 2 。l 、 叶 m p s 监控系统的研究 摘要 为适应现代的大批量定制生产，在专用制造系统和柔性制造系统各自优点的基础 上，发展出了模块化制造系统。模块化制造系统是一类新型可重构制造系统，代表先进 制造系统的一个发展方向。其硬件结构和软件组员具有可变特性，能根据客户需求迅速 组成制造系统投入生产，极大降低了为适应产品品种与产量变化造成的成本消耗。 论文在分析了模块化制造系统m p s 5 0 0 各子站之间原有通讯方式的基础上，利用 m p ! 通讯协议重新构建了系统通讯网络的硬件和软件，克服了系统原有通讯方式无法实 现利用一台上位机对m p s 5 0 0 系统进行监控的不足，为m p s 5 0 0 监控系统的完成奠定了 基础。 ， 论文的主要内容有以下几点： 1 介绍了现代制造系统的发展以及模块化制造系统概念理论。详细分析了m p s 5 0 0 系统结构，包括硬件，控制系统结构，原有通讯方式； 2 分析了适合m p s 5 0 0 监控系统的多种网络通讯方式，在此基础上最终选择了m p i 通讯，并详细介绍了m p i 网络的硬件和软件的组态方法； 3 完成了上位机监控系统的设计。首先介绍了上位机监控软件的功能，从整体角度 论述了软件的构架，然后从设计细节和功能角度出发，围绕监控功能的实现，详细介绍 了人机界面的设计； 4 监控系统的调试运行。 关键词：通讯；监控系统；组态；模块化生产系统 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d u l a rp r o d u c t i o ni san e wt y p eo fr e s t r u c t a b l em a n u f a c t u r es y s t e m ，w h i c hi sd e s i g n e d t oa c c o m m o d a t em a s sc u s t o m i z a t i o n c o m b i n i n gt h ee x c e l l e n c eo fs p e c i a lp r o d u c t i o na n d f l e x i a b l ep r o d u c t i o n ，i ts t a n d sf o rt h ed e v e l o p m e n to r i e n t a t i o no fa d v a n c e dm a n u f a c t u r e t h e a d a p t a b i l i t yo fi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t m c t i l r em a k e i tp o s s i b l et or a p i d l ys e t u pa p r o d u c t i o ns y s t e mw h i c hm e e t sc u s t o m e r sd e m a n d s i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e c o s ti n a c c o m m o d a t i n gc h a n g e so c c u r r e di np r o d u c tt y p ea n dq u a n t i t y f o rt h e s e ，t h el a b o r a t o r yo f m e c h a n i c a lc o l l e g ei n t r o d u c e sam p s 5 0 0 p a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hr a p s 5 0 0i ss t a n d i n gb e t w e e nt h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o n ， u s e sf o rt h e s es h o r t c o m i n g sm p in e t w o r kf o ri m p r o v i n gt h em o n i t o r i n gs y s t e ma n de s t a b l i s ht h e n a p s p a p e rt h em a i nc o n t e n to ft h es e v e r a l ： 1 l n t r o d u c em o d e r nm a n u f a c t u r i n gs y s t e md e v e l o p m e n t , a n dt h em o d u l a r i z a t i o no f m a k i n gt h es y s t e mt h e o r y d e t a i l e da n a l y s i sm p s 5 0 0s y s t e ms 缸1 l c n l r e ，i n c l u d i n gh a r d w a r e ， s y s t e ms t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o n s ； 2 a n a l y s i sm p s 5 0 0m o n i t o r i n gs y s t e mt oa n u m b e ro fi n t c r n e tc o m m u n i c a t i o n s ，b a s e d o nt h i sf i n a l l yc h o s em p ic o m m u n i c a t i o na n dad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fm p in e t w o r kh a r d w a r e a n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d ； 3 t h eu p p e rt h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n t h ef i r s tt oi n t r o d u c et h es u p e r v i s o r yf u n c t i o n o ft h eu p p e rs o f t w a r e ，t h eo v e r a l lp e r s p e c t i v eo nt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nd e t a i l s a n df u n c t i o nf r o mt h ea n g l e ，t h em o n i t o r i n gf u n c t i o n ，i ni n t r o d u c i n gt h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ed e s i g n ； 4 m o n i t o r i n gs y s t e md e b u gm k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o n ；s u p e r v i s o rc o n t r o ls y s t e m ；c o n f i g u r a b l e ；m o d u l a r p r o d u c t i o n s y s t e m i i m p s 监控系统的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 模块化制造介绍j 1 1 1 1 模块化制造的概念和原理1 1 1 2 模块化制造的研究和发展一2 1 2 课题来源和研究意义3 1 2 1 课题来源3 1 2 2 课题的研究意义3 1 2 - 3 本课题所作的主要工作4 2n i p s 模块化制造试验平台5 2 1 系统概述以及硬件结构5 2 2m p s 系统的核心控制器6 2 2 1p l c 的特点6 2 2 2p l c 的主要功能和应用领域6 2 2 3p l c 的基本结构7 2 2 4p l c 的基本工作原理7 2 3m p s 5 0 0 的控制系统结构8 2 3 1 结构8 2 3 2a s i 协议1 1 3m p s 5 0 0 的组网改善13 3 1 网络通讯方式的选择1 3 3 1 1m o d b u s 1 3 3 1 2p r o f i b u s d p l3 3 1 3 工业以太网1 5 3 1 4m p i 通讯1 6 3 1 5 通讯方式的最终选择1 7 3 2m p i 总线网络通讯设计1 7 3 2 1m p i 网络的组建1 7 3 2 2m p i 网络组态以及参数设置。18 3 2 3p l c 间以及上位机m p i 通讯程序的设置2 0 m 西华大学硕士学位论文 3 2 4 监控软件的i o 设备组态2 2 3 4 本章小结2 3 4 监控界面与控制的设置。2 4 4 1 组态软件及其发展趋势介绍2 4 4 1 1 组态软件的特点2 5 4 1 2 组态软件的发展趋势2 5 4 2 力控组态软件简介2 9 4 2 1 产品简介2 9 4 2 2 软件结构2 9 4 3m p s 5 0 0 监控系统设计流程3 0 4 3 1 硬件的组态和通讯。3 0 4 3 2i o 设备的组态3l 4 3 3 解构监控对象工作流程3l 4 3 4 数据库组态31 4 3 5 监控界面的设计3 2 4 3 6 动画连接和应用程序动作设计3 2 4 3 7 监控系统的调试和运行3 3 4 4 监控界面和控制策略的设计3 3 4 4 1 物料输入单元3 3 4 4 2 加工单元：4 0 4 4 3a s r s 单元。4 4 4 4 4 物料输出单元4 7 4 4 5 程序初始监控界面5 2 4 5 本章小结5 2 5 监控系统的调试5 3 5 1 通讯设置和硬件组态5 3 5 2 程序处理5 3 5 3 组态软件的设置5 4 5 4 调试结果5 4 结论5 6 参考文献5 7 i v 一 m p $ 监控系统的研究 _ 一一一 附录a 5 9 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况。6 4 致 谢一6 5 v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 模块化制造介绍 1 1 1 模块化制造的概念和原理 模块制造的概念是在产品( 尤其是在制造设备) 模块化设计基础上发展形成的。模块 化设计是在对一定范围内的不同功能或者相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能 分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同的产 品，以满足市场不同需求的一种设计方法。 模块化制造是一种并行制造的哲理，是新型的柔性制造概念。它的基本原理是按照 模块化原则将制造系统分解成一些结构和功能独立的标准单元模块，然后按照特定模块 化产品的制造需要进行模块的组合，通过构造一种柔性制造环境，采用模块化原理对产 品进行整个设计与制造，可以产生全面集成的零部件设计、生产和装备系统。借助于先 进制造技术，可与对产品模块化进行高效地批量化生产，以提高模块制造质量、降低成 本、优化模块的管理，并方便用户选购等。 模块化制造系统式按照模块化原理设计和构造的制造系统，能够把产品和制造系统 的模块化有机的统一起来，当制造系统不能满足产品变更的要求时，可对制造系统进行 再设计，能够根据特定的生产需要( 市场需求) 及时的进行制造过程重组。整个生产系 统是由标准设备模块构成的，不仅在产品和制造谁被设计中采用模块化原则，而且对产 品模块为基础组织生产，进行制造和管理( 括生产管理、库存管理等) ，利用模块化原 理对生产过程及其要素进行计划、组织和控制，以保证预定目标的事项，这种方法具有 以下显著的优点： ( 1 ) 在生产组织方式上提供了更大范围的灵活性，可以及时重构生产，以适应企业 生产的短期目标和长期目标； ( 2 ) 能够以简单的方式集成化地组合所需的资源来执行特定的任务，这些资源包括 工艺、机器系统、刀具、人、组织结构、信息流、控制、计算机系统； ( 3 ) 有助于消除自动化孤岛，增加机器的重复利用率。另外，产品结构的模块化 必然要求产品的制造方式以模块组织生产和管理，这也有利于组织专业化生产和社会化 协作。 模块化制造系统采用的两个基本工作原理：一是部件模块制造和装配的“本地 化，尽量减少总装任务，各模块通过标准接口进行组装；二是生产系统设计自动化， 借助于先进的设计支持工具，在产品模块及其制造系统的需求之间直接建立联系，使得 m p s 监控系统的研究 制造系统的性能，如生产的可行性、成本、投资回收期等，在产品设计的早期阶段就能 较精确地估计。模块化制造系统的实施将引起企业组织结构的变化。 模块化制造系统研究的最终目的是寻求适合于敏捷制造时代的全新的制造企业框 架。模块化制造系统的鲜明特点是模块性。这里模块性的含义除了指柔性，还意味着具 有r r s 特性，即可重构、可重用和规模可调性，即可满足敏捷制造的基本要求。模块化 制造系统不仅具有柔性化、模块化的产品设计方法，而且具有高度柔性的模块化生产系 统。模块化制造系统本身是可重新编程的，模块是可重新配置的，并且是可连续改变的。 可以方便地集成为一个新型的信息密集的制造系统。根据生产对象的不同，模块化制造 系统可分为模块化加工系统和模块化装配系统等不同类型。根据产品和制造系统模块化 程度的不同，可以把制造系统划分为具有不同模块化程度的制造系统类型。由此可见， 模块化制造系统的最终实现有待于产品及其制造过程的完全模块化，从而最终以模块化 制造模式实现敏捷制造。【l j 1 1 2 模块化制造的研究和发展 模块化的概念由来已久。模块化制造的思想也来源于人们长期的生产实践。在机床 制造业，德国于1 9 3 0 年首先提出了“模块化构造”的设计方法。由于用这种方法设计制 造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界得到迅速发展。日本通产省 在1 9 7 7 年开始研制柔性加工单元，明确地引进了模块化构造的概念：按不同功能制造 模块，其独立性很强，模块化的功能单元可独立运转，整个控制系统是有上述模块组成 的多级系统。随着先进制造技术的发展和计算机技术的广泛应用，使传统的模块化设计 技术发生了深刻的变化。模块化是现代制造业发展的要求，是对传统标准化形式的发展。 模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代制造技术之间的关系是相辅 相成、互相支持，只有在生产中密切配合才能发挥最大效益。施进发等给出了机械的最 新定义、阐述了模块化机械产品的现状及其实际意义，建立了机械模块学理论体系，并 分析了机械模块学的研究对象。模块化是企业和产品重组的基础，是产品及其制造系统 持续更新和并行开发的最佳基础。模块化制造作为一种现代制造环境下的制造哲理和方 法论也早就引起人们的注意。r o g e r s 等就实现模块化生产系统的有关问题进行了深入的 研究。通过建立模块标准，建立有限的部件级的基本生产力n - r _ 单元( 标准模块) ，而不 是通常的整机设备。把基本模块分为四类：加工单元、运动单元、模块化刀具装卡单元 以及可配置的控制系统。通过从模块目录中选取适当的模块就能建立适应范围宽的自动 化、集成化的生产系统。以生产实例说明：在设计工具的支持下根据特定产品的制造需 求对模块化制造系统进行再设计是可行的。t s u k u n e 等研究了i m s ( 智能制造系统) 中 的模块化制造，提出了一种基于模块化理论的制造系统模型一模块化制造模型，即基于 2 西华大学硕士学位论文 模块化理论的制造系统模型。利用从这种模型派生的设计、建造、操作和控制技术而建 立的制造系统就是模块化制造系统。利用该模型，模块化制造系统与虚拟制造联系起来， 可咀在虚拟环境下构造制造系统，产品设计、制造装备设计和制造系统设计均采用模块 化设计方法，把产品和制造系统设计有机地统一起来。通过制造特定的产品完成对制造 系统的再设计，使部件、产品、制造设备，连同设计、操作活动都以模块为单位进行描 述，以模块的组合来构造和运行制造系统。提出了模块化制造系统的基本构造方法，以 基于机器人的模块化制造系统为例，分析了模块化制造系统研究中存在的主要问题及需 要解决的关键技术。r o g e r s 等针对中、低档消费品的生产，如儿童玩具、厨房用具等， 研究了实现模块化化生产系统的合理性。把m p s 作为产品和生产系统并行设计的一种 使能技术，在产品设计和制造系统设计之间建立了系统的联系，通过为制造特定的产品 对制造系统进行再设计。提出了模块化生产系统的两上基本工作原理，分析了建立设备 模块标准和面向并行工程的m p s 设计支持工具的重要性。把m p s 总体设计过程分为三 个阶段：产品分析、面向m p s 的产品建模和m p s 综合。x i u t i a ny a h 讨论了模块化制 造系统的连接和分布式配置，并描述了它们在混合应用中的仿真环境，以说明该环境的 能力，最后给出了某些系统使用的实例，说明系统可在实时生产中应用。【2 】 从模块化制造概念的形成可以看出，模块化制造是符合当今制造业发展潮流、具有 广泛实践基础、可具体执行和操作的一种实用型先进制造模式和技术体系。模块化制造 系统是根据特定模块化产品的制造要求设计而成的：产品性能和质量提高的周期缩短， 频率提高，快速响应市场需求；与其相适应的生产系统易于重组，以适应产品的快速变 换。满足这两个基本要求的实现条件就是产品结构的模块化和制造系统装备的模块化。 而后者又包括制造装备( 含软硬件) 和管理体系模块化。 1 2 课题来源和研究意义 1 2 1 课题来源 学科建设 1 2 2 课题的研究意义 f e s t o 公司生产的m p s 5 0 0 ( 模块化生产加工系统) 是一套机电一体化的模拟生产 设备，由西门子s 7 3 0 0p l c 控制的各个工作站通过i o 通讯协同模拟物流控制系统，主 要用于教学目的，让学生通过观摩认识和操作可以掌握物流管理概念，完成加工系统中 机械设计、组装、编程、传感器、电器控制、调试、操作、维护以及纠错等一系列课题 的不同层次的培训，提高分析问题解决问题的能力。 3 m p s 监控系统的研究 鉴于组态软件的应用范围和p l c 控制对象的特点，可以运用力控组态软件对m p s 系统进行过程监控。该研究主要有以下两个个意义： ( 1 ) m p s 系统在技术层次上的延伸。在对m p s 系统有一定深入研究后发现，原系 统在技术层次上还有很大的开发空间。主要体现在，原系统的九个工作站之间依靠紧邻 的光电传感器来传递信息，在论文工作过程中发现，这样的通讯仅能协调相邻工作站的 信息，整个系统的工作协调性不强，交换的信息单一，传递过程中易受干扰，无法采用 一台上位p c 机完成整个系统的监控设计，因此需要对整个通讯作出改造：原系统没有 有效的监控、故障诊断处理功能，维护较为麻烦；对于系统的工作状态及系统的末端时 间情况没有任何数据记录，不能对系统的情况做出直观的分析，目前系统只是停留在生 产系统执行层，在将监控系统做好后便能较好的解决这些问题。 ( 2 ) 完善学科建设。由于m p s 教学培训系统价格昂贵、数量有限，通过本设计使 n i p s 系统从单一的生产加工模拟系统发展为生产加工、监视、控制一体化的系统，可以 更大限度的利用m p s 教学系统的资源，提高实验设备的利用率。 1 2 3 本课题所作的主要工作 ( 1 ) 项目的需求分析和总体设计 ( 2 ) m p s 站点间通讯的分析和设计 ( 3 ) 上位机监控系统的设计和调试 西华大学硕士学位论文 2m p s 模块化制造试验平台 2 1 系统概述以及硬件结构 论文中的模块化制造平台是f e s t o 公司的m p s 5 0 0 机电一体化设备。这套模块化 生产系统( m o d u l a rp r o d u c t i o ns u s t e r n ，m p s ) 是用于学习制造系统中机械电气的各种专 业知识和多种技术技能的一套培训设备。所用单元均是工厂中实际使用的工业级产品。 m p s 5 0 0 的整体外观如图2 1 所示。f 6 】 f i g 2 1t h e e x t e r n a lv i e wo fm p s5 0 0 图2 1m p s 5 0 0 系统外观图 m p s 开放系统是由独立的各个站相互连接而成，各个站分别安装在带槽的铝平板 上，各站可以通过不同的组合模式链接在一起组成一条不同模式的自动加工生产线。该 系统由以下几个单元站组成： ( 1 ) 物料输入单元：由供料站和检测站组成。供料站将物料从料仓中分离，检测 站可以判定工件的高度，并经过滑道将工件送至中心传送带小车上。 ( 2 ) 加工单元：由提取站和加工站组成。提取站将工件从传送带的小车上抓取到 加工站，加工站完成检测及钻孔工作，被加工的工件再次由提取站送回传送带小车。 n i p s 监控系统的研究 ( 3 ) 组装单元：由机械手工作站和组装站组成。机械手将工件从传送带上抓取进 行装配，将原料装配成一个单作用气缸，装配包括活塞、弹簧、端盖。装配完成的工件 再次送到传送带小车上面。 ( 4 ) a sr s 单元：暂存单元。在小车到达该站的时候，如果小车上没有工件，因为 最后的物料输出单元要求必须要有工件输出，所以此时可以从将该站暂时存放的工件取 出送到小车上；如果物料输出单元不在工作序列，小车载有工件到达a sr s 站的时候， 则需要将工件暂时存放到a sr s 站中。 ( 5 ) 物料输出单元：由提取站和分拣站组成。提取站将成品从传送带小车抓取到 分拣站，分拣站根据成品的材质不同，将成品分装到三个不同的滑道内。 ( 6 ) 传送带单元：通过a s i 总线与以上各个单元通讯，在小车到站的时候控制小 车的停止和启动，并各单元负责通知小车到站时是否载有工件的信息。 2 2m p s 系统的核心控制器 m p s 系统的电子硬件是以可编程控制器p l c 为核心。p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术而发展起来 的一种新型工业控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优 点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。 2 2 1p l c 的特点 ( 1 ) 可靠性搞，抗干扰能力强 在i o 环节，p l c 采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程 序都采用e e p r o m ，一般p l c 的平均无故障工作时间可达几万小时以上。 ( 2 ) 控制功能强 p l c 所采用的c p u 一般具有较强未处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功 能和联网通讯等管理功能，可以采用双c p u 的运行方式，使其功能得到极大的加强。 ( 3 ) 编程简单易学 ( 4 ) 适用于恶劣的工业环境 ( 5 ) 与外部设备连接方便 ( 6 ) 体积小、重量轻、功耗低、维修方便，功能更改灵活，性价比高 ( 7 ) 模块化结构，扩展功能强 2 2 2p l c 的主要功能和应用领域 ( 1 ) 逻辑控制 西华大学硕士学位论文 逻辑控制是p l c 最基本的应用，它可以替代继电器进行组合逻辑控制、顺序逻辑 控制与定时控制，也可以用于单台设备和自动化生产线，且已经应用到了各个行业。 ( 2 ) 运动控制 p l c 适用专用的运动控制模块，对支线运动或者圆周运动的位置、速度和加速度进 行控制，可实现单轴、双轴和多轴位置控制，使运动控制和顺序控制功能有机地结合在 一起。p l c 的运动控制功能广泛的用于各种机械控制，方便的实现了机械设备的自动化 控制。 ( 3 ) 闭环过程控制 过程控制是对温度、流量、压力等连续变化的模拟量的闭环控制。p l c 通过模拟量 i o 模块，实现模拟量和数字量之间的转换，并对过程模拟量进行p i d 控制。 ( 4 ) 数据处理 ( 5 ) 通讯联网 通讯联网包括主机与远程f o 之间的通讯、多台p l c 之间的通讯、p l c 与其他职能 控制设备之间的通讯。p l c 与其他职能设备仪器，可以组成分布式控制系统。 2 2 3p l c 的基本结构 p l c 本质上是一台用于控制的专用计算机，因此在基本硬件机构上与微型计算机相 似。一般的，p l c 主要由中央处理单元( c p u ) 、春初期、i o 模块、电源以及其他可 选组件构成。p l c 基本结构如图2 2 所示。 f i g 2 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo fp l c 图2 2p l c 的基本结构 2 2 4p k 0 的基本工作原理 p l c 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始的循环扫描并 执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运 7 m p s 监控系统的研究 行时，p l c 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分 内容。典型的p l c 再一个周期中完成以下5 个扫描过程。 ( 1 ) 自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，几十反映所出现的故障，p l c 都是具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器( w a t c h d o gt m e r ，w d t ) 完成，w d t 是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。w d t 的定时可由用户修改，一般 在1 0 0 2 0 0 m s 之间。其他的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。 ( 2 ) 与网络进行通讯的扫描过程。一般的小型系统没有这一个扫描过程，配有网 络的p l c 系统才有通讯扫描过程，这一过程用于p l c 之间及p l c 与上位计算机或终端 设备之间的通讯。 ( 3 ) 用户程序扫描过程。及其处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该 扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的。用户程序的长短，会影响过程所用 的时间。 ( 4 ) 读输入、写输出扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都 包含这一个扫描过程。该过程是否执行也是可控的。c p u 在处理用户程序时，使用输入 值不是直接从输入点读取的，运算的结果值也不是直接送到实际输出点，而是在内存中 设置了2 个映像寄存器：输入映像寄存器与输出映像寄存器。在输入扫描过程中，c p u 把实际的输入点的状态锁存到输入映像寄存器；在输出扫描过程中，c p u 把输出映像寄 存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，p l c 具有i o 控制功能，用户可以通 过编程器封锁或者开放i o 。封锁i o 就是关闭i o 扫描过程。1 7 】 2 3m p s 5 0 0 的控制系统结构 2 3 1 结构 该模块化生产系统的每一个站都有一套独立的控制系统，分别由一台s 7 3 1 3 c 进 行控制，而传送带通过a s i 总线与其他各站进行通讯，控制生产的总流程。具体结构 如图2 3 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g 2 3t h ec o n t r o ls t r u c t u r eo fm p s5 0 0 图2 31 4 p s 5 0 0 控制结构 ( 1 ) 控制面板 每个站都可以通过控制面板来控制p l c 程序的执行使各站按照要求进行工作，控 制面板上有两个启动开关，一个停止开关，以及一个复位开关，两个启动开关分别对应 单站启动和联动启动。 ( 2 ) p l c 与对应站的通讯 在各站与p l c 之间通过s y s l i n k 接口和标准电缆连接进行通讯，s l y y l i n k 接 口将8 个输入端和8 个输出端接至接头，每个输入、输出接线端上有l e d ，可现实回路 状态以及用于系统纠错。它是p l c 与输入、输出设备连接的桥梁。 ( 3 ) 各站点间的联动通讯 联动模式下的各站运动可能会相互影响，为使系统安全、可靠运行，每一个站与前 后站需要交换信息，而各站只有进行正常程序后，才能互相通讯，交换信息。每一个站 要开始工作运行，需要前站给出信号，各站通过“联动启动”按钮启动工作。在m p s 5 0 0 系统中，各工作站的位置与传送带相对固定。【8 】一个单元内的不同工作站，通过将各自 的控制面板上的i o 通讯口相连，作为两站间的通讯手段；单元与单元之间的通讯，则 是把传送带站上的输出信号通过单片接线端子与前一站控制面板上的f o 通讯口相连， 作为传送带与前一工作单元的通讯手段，把漫射式传感器安装在传送带末端，作为传送 9 f i g 2 5p r o c e s s i n gu n i t ：p r o c e s s i n gs t a t i o n m a n i p u l a t o rs t a t i o n c o n v e y o r 图2 5 加工单元：加工站一操作手站一传送带 唧 坤蝴i n go r d e r 。 矾 叮1 o r d e rb i t o。 肌 i n 6 佣 o r d e rb i t l i n 7 i n o s 骼站已存涪 7 嘣 琢1 1 脚无储存工件 唧5 矾2：删伽中弧6 i n 3： 本站准备好 唧 o r d e r b i t 0 b i t l o r d e r o 尜米无处理 丑o o保留 丑。 丑存储 丑 丑o 取工件 f i g 2 6a s r su n i t - c o n v e y o r 图2 6a s r s 单元一传送带 1 0 西华大学硕士学位论文 传送带操作手站 佣 小车带工件羁站i n 4 嘶 咖 一7 哪 a m 佣 i n o 分期锎嗽唧4 瑚 硝1厂一 本站准备好 矾2嘶n i 7 珊 一詹枉 f i g 2 7m a t e r i a lo u t p u tu n i t ：s o r t i n gs t a t i o n m a n i p u l a t o rs t a t i o n - c o n v e y o r 图2 7 物料输出单元：分拣站一操作手站一传送带 2 3 2a s l 协议 ( 1 ) a s i 概述 a s i ( a c t u a t o r - s e n s o ri n t e r f a c e ) 接口网络是位于工程自动化系统网络最底层的网络， 利用两芯电缆连接大量传感器和执行器，替代传统的电缆束。它是一个具有单一主站的 主从通讯网络。其主站设备可以为下列设备中的一种：【9 】【l o 】【1 1 】 p c 主机系统，需要安装c p 2 4 1 3 通讯卡； s 7 3 0 0 p l c 和分布式i 0 中央控制单元，如e t 2 0 0 m ) ( 等，需要安装c p 3 4 2 2 或者 c p 3 4 3 2 通讯模块； 其他具有a s i 接口的只能设备； 带有集成的从站a s i c 的执行器和传感器； 。 用于通过a s i 接口的安全传输数据的安全型模板； 其他具有a s i 接口的设备。 a s i 接口网络由主站、从站、从站供电单元组成。其中，主站设备只能有一台，从 站设备最多有3 1 台或6 2 台。电缆长度最大为l o o m ，利用中继器可扩展至5 0 0 m 。通讯 循环时间最大为5 m s 或者1 0 r e s 。从站的识别是利用从站地址来完成的，每个从站的地 址是利用从站地址编程器来设定的。 ( 2 ) a s i 的主从通讯方式 a s i 是单主站系统。a s i 通讯处理器( c p ) 从未主站控制现场的通讯过程。主站一 个接一个得轮流询问每一个从站，询问后等待从站的响应。地址是a s i 从站的标示符， 可以用专用的地址单元或者主站来设置各从站的地址。 a s i 使用电流调制的传输技术保证了通讯的高可靠性。主站如果检测到传输错误或 者从站的故障，将会发送报文给p l c ，提醒用户进行主力，在正常运行时增加或减少从 站，不会影响其他从站的通讯。 m p s 监控系统的研究 a s i 的报文主要由主站呼叫发送报文和从站应答报文，主站的请求帧由1 4 个数据 位组成。在主站呼叫发送报文中，s t 是起始位，其值是0 。s b 是控制位，为o 或为1 时分别表示传送的数据或命令。a “0 是从地址，u 4 1 0 是数据位。p b 是奇偶校验位， 在报文中，不包括结束位在内的各位中1 的个数应为偶数。e b 是结束位，其值是1 在 由7 个数据位组成的从站应答报文中，s t 、f b 和e b 得意义和取值和取值与主站呼叫 发送报文相同。 主站通过呼叫发送报文可以完成下列功能： 1 数据交换：主站通过报文把控制指令或数据发送给从站，或让从站把测量数据上传 给主站。 2 设置从站的参数：如设置传感器的测量范围、激活定时器和改变测量方法等。 3 删除从站地址：把被呼叫的从站地址暂时改为o 。 4 地址分配：只能对地址为o 的从站分配地址，从站把新地址存放在e e p r o m 中。 5 复位功能：把呼叫的从站恢复为初始状态的地址。 6 读从站的i o 配置。 7 状态读取：读取从站的4 个状态为，以获得在寻址和复位时出现的错误信息。 8 状态删除：读取从站的状态并删除其内容。 1 2 西华大学硕士学位论文 3m p s 5 0 0 的组网改善 上一章已经概述了m p s 5 0 0 各站之间的通讯仅是通过传感器的开关量来完成的，虽 然足以完成联动加工，但是无法满足用一台上位机完成监控的要求，因此必须对m p s 5 0 0 的p l c 之间的通讯进行组网改善。 3 1 网络通讯方式的选择 现阶段用于西门子s 7p l c 现场级和单元级网络通讯的主要有m o d b u s 、 p r o f i b u s - d p 、m p i 、t 业以太网以等几种方式，下面将对几种方式进行介绍，然后根 据本系统的硬件、通讯成本、同步性、稳定性以及现场环境等问题，选择最佳的方式完 成网络的通讯设计。 3 1 1 m o d b u s 对于西门子s 7p l c ，m o d b u s 只适用于2 0 0 系列p l c 之间的通讯。由于本系统的 p l c 的的c p u 型号全部为3 1 3 c ，因此利用m o d b u s 协议不在考虑范围之类，不做过 多介绍。 3 1 2p r o f l b u s - d p p r o f i b u s 是世界上第一个开放式现场总线标准，从1 9 9 1 年德国颁布f m s 标准 ( d i n l 9 2 4 5 ) 至今已经历了1 0 余年。其应用领域涵盖了从机械：j n - 、过程、电力、交 通等各个领域。p 2 ( 1 ) p r o f i b u s d p ( d i s t r i b u t e d p e n p h e r y ) 是制造业自动化主要应用的协议内容， 是满足用户快速通讯的最佳方案，每秒可传输1 2 兆位。扫描1 0 0 0 个i o 点的时间少于 1 m s 。它可以用于设备级的高速数据传输，位于这一级的p l c 或工业控制计算机可以通 过p r o f i b u s d p 同分散的现场设备进行通讯。 ( 2 ) 传输技术 传输介质和总线接口的选择是应用时十分重要的问题，p r o f i b u s 对于不同的传输 技术定义位移的介质存取协议。 1 r s 4 8 5 ：p r o f i b u s 使用最频繁的传输技术。 2 光纤：在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，p r o f i b u s 可使 用光纤传输技术。现在市面上已经有r s 4 8 5 传输链接与光纤传输链接之间的耦合器， 这样就实现了系统内r s 4 8 5 和光纤传输之间的转换。 3 p r o f i b u s 介质存取协议： m p s 监控系统的研究 p r o f i b u s 通讯规程采用了统一的介质存取协议，此协议由o s i 参考模型的第二层 来实现。在p r o f i b u s 协议设计时重温考虑了满足介质存取控制的两个要求，即在主站 间通讯时，必须保证在分配的时间间隔内，每个主站都有足够的时间来完成它的通讯任 务：在p l c 与从站( p l c 或其他设备) 间通讯时，必须快速、简捷地完成循环，进行 实时的数据传输。 为此，p r o f i b u s 提供了两种基本的介质存取控制：令牌传递方式和主从方式。 令牌传递方式可以保证每个主站在事先规定的时间间隔内都能获得总线的控制权。 令牌是一种特殊的报文，它在主站之间传递着总线控制权，每个主站均能按次序获得一 次令牌，传递的次序是按地址升序进行的。 主从方式允许主站在获得总线空主权时，可以与从站通讯，每一个主站均可以向从 站发送或获得信息。 采用上述的介质存取方式，p r o f i b u s 可以实现3 中系统配置：纯主从系统( 单 主站) ；纯主主系统( 多主站) ；以上两种配置的组合系统( 多主多从) 。 ( 3 ) p r o f i b u s d p 通讯设备 p r o f i b u s d p 设备可以分为以下三种不同类型的设备。 1 1 类d p 主站： 1 类d