（机械电子工程专业论文）mps模块化生产系统的开发及研究.pdf

沈r qf 理：大学硕士学位论文 摘要 随着现代化工业生产的发展，气动技术、液压技术、传感器技术、p l c 技术、 网络及通讯技术等技术的紧密结合而形成的机电液、机电气、机电光一体化的自 动化控制技术的应用在工业生产正起着越来越重要的作用，自动化生产系统已成 为当今工业生产的重要组成部分。德国f e s t o 公司研制的m p s ( m o d u l a r p r o d u c t i o ns y s t e m ) 模块化生产系统就一个是工业自动化生产系统，是基于机电气 ( 液) 一体化技术、p l c 控制与机器人结合的全自动、可完成气缸加工装配的培 训系统。以该系统为平台，可以完成高校及企业与自动化技术相关的技术培训。 本文所研究的课题是针对m p s 模块化生产系统所进行的系统功能的进一步开 发研究，主要进行了两个方面的工作，p r o f i b u s 现场总线通讯的实现、包括机 器人与系统通讯的连接以及应用w i n c c 监控组态软件完成系统的加工过程的监控 及人机联系，以全面实现系统的功能。 本文结合m p s 系统的特点，详细说明了基于现场总线技术的p l c 网络监控系统 的设计过程。现场级应用s i m a t i cs t e p7 编程软件完成p r o f i b u s d p 的主从方式 的网络配嚣、硬件组态、各个p l c 控制的工作站的编程以及站与站的信息交换。通 过e t2 0 0 m ，将原本相对独立的机械手工作站连入p r o f i b u s 网络。p r o f i b u s 网 络的建立代替了取代了原有的i o 通讯，提高了系统信息交换的速度、质量和灵活 性，并为监控系统的建立打下了基础。 为了保证系统良好的运行，及时的采集系统信息，发现并处理故障，将上位 机p c 配置c p 5 6 1 l 通讯卡，作为第二类主站连入p r o f i b u s 网络，应用s i m a t i c w i n c c 监控组态软件完成对现场设备监控系统的设计。其中以三维动画形式，形 象的实现了对m p s 生产过程基于的点位监控。再结合其他图形画面的组态及报警、 报表等功能的设计，为m p s 系统的可靠运行提供了保证。 另外还对远程网络监控技术进行了初步探讨，实现了对m p s 系统基于b s 结构 和基于o p c 技术的c s 结构的远程网络监控。 关键词：p r o f i b u s ；远程监控；w i n c c ；o p c ：p l c 沈阳理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n so fp n e u m a t i c ，h y d r a u l i c ，s e n s o r , p l c ， n e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g i e s ，m e c h a n i c s - e l e c t r o n i c s - h y d r a u l i c s ， m e c h a n i c s e l e c t r o n i c s - g a s ，a n dm e c h a n i c s e l e c t r o n i c s l i g h ti n t e g r a t e da u t o m a t i o nh a v e b e e np l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d u s t r y t h em p s ( m o d u l a r p r o d u c t i o ns y s t e m ) d e s i g n e db yf e s t o ，ag e r m a nc o m p a n y , i sam o d u l a r i z e d i n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m m a i nt e c h n o l o g i e su s e di n t h es y s t e mi n c l u d ep l c c o n t r o lc o m b i n e dw i t i la u t o m a t i cr o b o t a n dc y l i n d e rp r o c e s s i n g i ti sap r o f e s s i o n a l t r a i n i n gs y s t e mf o rr e s e a r c hi n s t i t u t i o n so ra u t o m a t i o nc o m p a n i e s t h i sp a p e rd e s c r i b e sr e s e a r c hi nt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft w oa s p e c t so ft h e m p s o n ei sp r o f i b u ss c e n ei n v o l v i n gc o m m u n i c a t i o nr e a l i z a t i o na n dt h e c o n n e c t i o no fr o b o ta n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eo t h e ri sm a i n l ya b o u tw i n c e m o m t o d n gs o f t w a r ef o rs u p e r v i s o r yc o n t r o lo fp r o c e s s ，m a l l c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , a n d f u r t h e rd e v e l o p m e n to f s y s t e m a t i cf u n c t i o n t h ep r o f i b u sf i e l d b n st e c h n o l o g ya c r o s st h eb o a r df i r s tc o m b i n e dw i t ht h et r a i t o fm p ss y s t e ma r ea n a l y z e d ，w i t hd e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e m 。ss t r u c t u r ep r o c e s sb a s e df i e l d b u sp l cn e t w o r kf r o ma s p e c t sa sb a c k g r o u n d ， f e a t u r e so f t e c h n o l o g ya n dt r e n d so f f u r t h e rd e v e l o p m e n t i nt h ef i e l d l e v e lw h e r ep l cd i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e mi su s e d , as o f t w a r e s i m a t i cs t e p 7i su s e dt oc o n t r o lh a r d w a r ea n ds u b c o n t r o l l i n gp l a t f o r m s ，c o n f i g u r e n e t w o r kw h i c hi sr e a l i z e db yd pm a s t e ra n ds l a v e s ，a n dm a n i p u l a t ei n f o r m a t i o n e x c h a n g eb e t w e e ns u b - c o n t r o l l i n gp l a t f o r m s i n d e p e n d e n tm a c h i n eh a n dw o r k s t a t i o n s a r ec o n n e c t e di n t op r o f i b u sn e tt h r o u g he t2 0 0 m t h es e tu po fp r o f i b u s n e t w o r kr e p l a c e st h ei oc o m m u n i c a t i o n , w h i c hh a si n c r e a s e dt h es p e e d ，q u a l i t ya n d f l e x i b i l i t yo fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e s i ti s a l s oa ni m p o r t a n ti n i t i a l s t e pf o ram o r e a d v a n c e ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m t oe n s u r eas m o o t ho p e r a t i o no ft h es y s t e m ，a na c c u r a t ec o l l e c t i o no fs y s t e m i n f o r m a t i o ni nt i m e ，a n daq u i c kd i s c o v e r ya n dh a n d l i n go fm a l f u n c t i o n ，p cd e p l o y st h e c p 5 6 11c o m m u n i c a t i o nc a r da sas e c o n dl e v e lm a i ns t a t i o nc o n n e c t e di n t op r o f i b u s n e t s c e n ee q u i p m e n ts u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi sm o n i t o r e db ys i m a t i cw i n c e 沈阳理工大学硕士学位论文 s u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r e m p sp r o d u c t i o np r o c e s ss u p e r v i s o r yc o n t r o li st a k i n gt h e f o r mo f3 - da n i m a t i o n c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g no fo t h e ra r t w o r k sc o n f i g u r a t i o n ， w a r na n dr e p o r tf o r m $ ，t h ep co f f e r sa s s u r a n c e sf o rm p ss y s t e m f u r t h e r m o r e ，s o m ed i s c u s s i o n sa r ec a r d e do u to nr e m o t em o n i t o r i n gn e t w o r k ， w h i c hm o n i t o r st h em p ss y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r ea n do p ct e c h n o l o g yc s s t r u c t u r e k e y w o r d ：f i e l d b u s ，p r o f i b u s ，w i n c c ，o p c ，p l c 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 暂者：! 琴酝尹日 日期：歹叼年弓月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：同雅唆 日 期：2 叼；- 7铲槛氨赚l ； 日期：3 ： 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 工业自动化技术 第1 章绪论 工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术，包括工业自动化软件、硬件 和系统三大部分。 工业自动化技术作为2 0 世纪现代制造领域中最重要的技术之，主要解决生 产效率与一致性问题。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企 业，都必须依靠自动化技术的应用m 。 国家在“十五”期间，制订了“用信息化带动工业自动化”的指导方针。“十 五”期间，作为以信息化带动工业化战略的重要组成部分，科技部将组织实施制 造业信息化工程。其目标是，在“九五”c a d ( 计算机辅助设计) 应用工程和c l m s ( 计算机集成制造系统) 应用示范工程工作成果的基础上，实现企业管理的信息 化、生产过程的自动化以及装备的现代化。并要培养锻炼一大批人才，形成一支 推进工业自动化发展的基本队伍”。 1 1 2 工业自动化系统结构 工业自动化系统通常分为5 级：企业管理级、生产管理级、过程控制级、设 备控制级和检测驱动级。前两级管理级涉及的高新技术主要是计算机技术、软件 技术、网络技术和信息技术；过程控制级涉及的高新技术主要是智能控制技术和 工程方法；设备控制级和检测驱动级涉及的高新技术主要是三电一体化技术、现 场总线技术和新器件交流数字调速技术。企业管理决策系统层( e r p ) 、生产执行 系统层( m e s ) 必须建立在设备自动化和过程自动化基础上。工业自动化系统结 构如下： 沈阳理工大学硕士学位论文 图1 1 工业自动化系统结构图 1 1 3 计算机集成化生产系统 自动化控制系统的发展和工业通信技术的不断成熟，计算机集成化生产系统 ( c i m s ，又称为计算一体化或综合自动化系统) 将是工业自动化发展的一个方向。 计算机集成化生产系统目前按照“两种模式、三层结构、多功能”的方向发 展，两种模式指系统支持c l i e n t s e r v e r ( c s ) 、b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 两种工作模式，可在本地和远程运行。三层结构即前文所述企业管理决策系统层 ( e r p ) 、生产执行系统层( m e s ) 、过程控制系统层( p c s ) 三层结构。基于现 场总线的监控和先进控制处于过程控制层，生产调度处于生产执行系统层，生产 计划处于管理决策层。这种系统的多功能主要指系统包括实时数据平台、现场总 线设备管理、现场总线控制组态、本地过程监控等多项功能“1 。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现标志着工业自动化控制技术领域又一个新时代的开始，并将 对该领域的发展产生重要影响w 。现场总线的出现导致了新型的网络集成全分布控 制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的出现。f c s 是一种开 放的分布式控制系统，它突破了集散控制系统中采用专用网络的缺陷，把专用封 闭协议变成标准开放协议。同时，它使系统具有完全数字计算和数字通信能力。 结构上，它采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统可靠 性和灵活性。 第1 章绪论 当大量现场信息由智能装置直接进入监控计算机或通过现场总线传至监控计 算机后，存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享与交互问题。解决上述问 题的关键在于一个统一的接口标准。正是基于这种需要产生了o p c 标准，有了这 样一个标准，使得系统与设备之间，包括从车间级至f j m i s ( 管理信息系统) 和更远距 离，完全无缝地真正开放和方便地进行企业级的通信成为可能。事实上o p c 己成 为新一代工业过程控制软件接口标准。因此，对o p c 服务器和客户端实现技术的 探讨是非常有实际意义的。 以上技术和功能的实现都离不开现代的软硬件设备。生产自动化系统的实现， 智能化的自动化生产线的建立，越来越多的需要多种技术的融合，如检测传感技 术、自动控制信息处理技术、伺服传动、机器人控制，监控技术等。 1 、检测传感技术 能检测各种物理量，将测得的各种参量转换为电信号，并输送到信息处理部 分的功能器件统称为检测传感元器件或装置。传感器是检测部分的核心，它相当 于人的感觉器官。工业自动化产品中使用的传感器种类很多，用量较大的有位置、 温度、湿度、压力、流量、音响、光度等传感器。 2 、信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、交换、运算、存储和输出等技术。它可以通 过微机、单片钒、单板机、可编程控制器或其他i 0 等电子装置来实现。信息处理 部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。 可编程控制器p l c 或称p c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的发展起源于上世 纪7 0 年代，首先在汽车工业中大量应用，8 0 年代走向成熟，奠定了在工业控制中 不可动摇的地位。进入9 0 年代，在技术上又有新的突破，把p l c 的处理速度、运算 和控制功能应用于通信芯片商品，使p l c 从专有性控制器向开放性发展，在应用范 围和应用水平上，为实现e i c ( 电气控制、仪表控制、计算机控制) 一体化打开了新 的局面。较强的联网通信能力，可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线 网，将作为主结点的现场控制站与作为从结点的数十个数字调节器、p l c 或数字化 智能变送器连接在一起，p l c 技术将继续向开放式控制系统方向转移“，。 3 、特种高端工业自动化技术一机器人。 建立柔性化、智能化的自动化生产线，它由自动化生产设备( 工业机器人) 、 沈阳理工大学硕士学位论文 柔性化输送设备( 移动机器人a g v ) 、智能监控系统、数字化管理系统等四部分组 成。 工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成 各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人 的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经 济各领域有着广阔的发展前景“，。 4 、伺服传动技术 伺服传动技术是指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服传动包括电动、 气动、液压等各种类型的传动装置，这部分相当于人的手足，它直接执行各种有 关的操作。对产品质量产生直接影响。气动伺服技术、电液比例技术等都在当今 机械工业自动化技术中发挥着特殊作用。 5 、s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监控系 统，主要包括数据采集、监视控制、信息显示、信息存储及报告、数据计算、事 故追忆、事件顺序记录和报警控制等“，。现场智能设备，如p l c ，将现场信息通过 通信网络传送至装有监控软件的计算机，监控计算机内部应用程序需要对现场信 息进行处理，企业生产管理层也需要与监控计算机进行信息沟通。监控组态软件 不仅由监控和数据采集功能，而且有组态、开发和开放功能。监控组态软件是伴 随着计算机技术、d c s 和p l c 等工业控制技术的突飞猛进而发展起来的，自动化产 品呈现出小型化、网络化、p c 化、开放式和低成本的发展趋势，监控组态软件已 经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。 综上所述可以看出，随着现代化工业生产的发展，自动化控制技术的集成应 用正起着越来越重要的作用。气动技术、液压技术、传感器技术、p l c 技术、网络 及通讯技术等学科的强烈相互渗透而形成的自动化技术，已成为当今工业科技的 重要组成部分。紧跟形势发展的趋势，先进技术的发展水平，并培养出适应现代 工业企业技术要求的具有综合技能的人才，对于推动我国工业自动化、自动化技 术的发展起着至关重要的作用。 为了提高科技竞争能力，加强横向协作和满足自主研发大型课题的迫切需要： 同时也为了培养自动化技术综合素质的人才，并更好地服务于全院师生的教学实 第1 章绪论 践工作，我校机械工程分院，机电一体化实验室购进了德国费斯托公司的自动化 控制技术培训系统- - m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m ) 模块化生产系统。m p s 模块 化生产系统集先进的气动技术，p l c 控制技术为一体的自动化培训系统。从学生、 工人到机械及电气的专业人员都可以以这套系统为平台完成自动化技术相关内容 的培训；研究人员可以针对设计、组装、编程、调试到检查问题和维护维修等一 系列课题的不同层次得到全面的学习和创新。 1 2m p s 模块化生产系统介绍 德国f e s t o 公司的m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o ns y s t e m ) 模块化生产系统是一套包 含工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程自动化技术系统，是集机械、电子、 通讯为一体高度集成的培训系统。它涵盖了机械设计、传感器技术、自控技术、 信息技术和计算机技术等多项学科的内容，m p s 的每个单元均根据设定的任务， 选择相应功能和技术参数的气动元件、传感器、电器元件及标准型材集成而成， 它代表了当今现代化企业产品开发“采购和集成”的先进设计理念。 1 9 8 9 年第一代m p s 模块化加工系统问世，它可以实现在小型化模块中生产加 工的各种单独功能或组装加工功能。随着生产技术的不断发展和工业自动化技术 的不断提高，m p s 模块化加工系统从功能到技术也获得了很大的发展。m p s 和工 业现场紧密结合，全部采用工业中的实际工作元件，并从大量的实际工业加工中 选择技术功能，以基础知识为起点，从气动技术基本原理和p l c 等技术逐步扩展到 复杂的自动化技术和工业自动化技术领域。将模块组合成工作单元，工作单元扩 展成系统，并提供多种组合模式。它具有很强的实用性、开放性和扩展性，要想 对工业现场的设备及技术进行熟悉改造和创新，直接对实际的工业设备进行操作 和反复的实验是不现实的，机械、电气及自动化的专业人员可将工业现场的实际 技术和创新思想运用到m p s 中来，并进行不断的调试和实验，确定可行性后可以 直接将技术转化到实际的工业现场中，可以实现过程的优化，降低成本，减少停 机时间。通过这一过程专业技术人员和培训人员可以掌握自动化系统的构成及各 种构成自动化生产线的基础元件的功能及原理，充分发挥创造能力。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 1m p s 模块化生产系统的组成 在工业生产中，专业技术人员需要掌握越来越多有关控制器的基础知识及使 用、系统模拟、可视化监控、总线系统及网络技术的知识。m p s 模块化自动生产 系统，为项目的确认、课题的验证及新技术的开发提供良好的实践及运行平台。 此课题研究的m p s 模块化自动生产系统包含九个工作站，又称为九站生产系统。 它为气液、传感器、机器人、可编程逻辑控制器，总线及网络技术等的应用提供 了技术平台。m p s 模块化生产系统，如图1 2 所示。 图1 2m p s 模块化生产系统 1 2 2 各工作站的基本介绍 九个工作站按供料站、检测站、加工站、操作手站、暂存站、机械手站、装配 站、冲压站和成品分装站顺序排布可以实现由活塞、弹簧及端盖组成的气缸的运 送，检测，加工、组装及分选。如图1 3 n 示： 一6 一 第1 章绪论 图1 3m p s 系统加工组装的元件图 1 、供料站 供料工作单元的主要作用是为加工过程逐一提供加工工件。在管状料仓中可 存放工件。供料过程中，双作用气缸从料仓中逐一推出工件，接着，转换模块上 的真空吸盘将工件吸起，转换模块的转臂在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个 工作站的传输位置。如图1 4 n 示。 图i 4 供料站图i 5 检测站 2 、检测站 检测工作单元的主要作用是检测加工工件的高度特性。光电式及电容式传感 器完成区分工件颜色的工作。模拟量传感器检测工件的高度。无杆缸将合格的工 件传送至气动滑槽的上层，并将不合格的工件检出至气动滑槽的下层，如图i 5 所 示。 沈阳理工大学硕士学位论文 3 、加工站 在加工工作单元，工件将在旋转平台上被检测及加工。本单元是唯一一个只使 用电气驱动器的工作单元。旋转平台由直流电机驱动。平台的定位由继电器回路 完成，电感式传感器检测平台的位置。工件在平台平行地完成检测及钻孔的加工。 由带电感式传感器的电磁执行装置来检测工件是否被放置在正确的位置，在进行 钻孔加工时，电磁执行件夹紧工件，加工完的工件通过电气分支传送到下个工 作站。如图1 6 所示。 图1 6 加上站 图1 7 操作手站 4 、操作手站 操作手工作单元配置了柔性2 一自由度操作装置。漫反射式光电传感器对放置 在支架上的工件进行检测。提取装置上的气抓手将工件从该位置提起，气抓手上 装有光电式传感器用于区分“黑色”及“非黑色”工件，并将工件根据检测结果 放置在不同的滑槽中。本工作单元可以与其他工作单元组合并定义其他的分类标 准，工件可以被直接传输到下一个工作单元。如图1 7 所示。 图1 8 暂存站图1 9 机械手站 第1 章绪论 5 、暂存站 暂存工作单元可存放并分隔5 个加工工件。本工作站具有广泛的适用性，体现 了传输的概念：当工作单元完成了应有的加工，它将等待来自下一个工作站的信 号，当下一个工作站准备接收工件时，本工作单元开始传送工件。根据两个工作 单元加工时间的差别，工件被暂时存放以实现最优的加工流程。如图1 8 n 示。 6 、机械手站 机械手工作单元将通过滑槽传送至此单元的工件传送到组装平台上。将其他 工作单元与机械手工作单元组合，完成加工工件的组装或分放。r v 一2 a j 型三菱机 械手体积小、功能强大，轻巧；其上的气动抓手可以抓起并组装不同类型的加工 工件。如图i 9 n 示。 7 、装配站 装配工作单元需与机械手工作单元共同使用。该单元为工件的组装操作提供， 元件：加工工件气缸端盖由双作用气缸从端盖料仓中推出，气缸活塞放置在活塞 托盘中，气缸弹簧由另一双作用气缸从弹簧料仓中推出。如图1 1 0 所示： 8 、冲压站 加工工件进入本站之前，塑料气缸端盖上没有活塞杆通孔。液压冲压工作单 元的主要工作是冲孔。双作用气缸将端盖推至冲床，在完成冲孔之后，该气缸将 成品端盖推出。如图1 i l 所示。 图i i 0 装配站图1 1 1 冲压站 沈阳理工大学硕士学位论文 9 、成品分装站 电感及光电式传感器检测工件的颜色及材质的特性( 黑色、红色、金属色) ， 进入成品分装工作单元的加工工件按照不同的特性被分别放置在三根不同的滑槽 上。由双作用气缸通过偏针仪控制的分离器将工件分捡到正确的滑槽上。如图1 1 2 所示。 囝1 1 2 成品分装站 1 2 3m p s 模块化生产系统的控制、通讯系统 除冲压工作站为电液控制外，其他工作站均为电气控制。由气泵为工作 站提供压缩空气，压缩空气通过过虑调压组件，到达各c p 阀岛中，由p l c 根据需 要控制各阀的通断来控制各气动元件。每一个工作站( 除机械手站外) 都有一个 s i e m e n sp l c 3 0 0 控制器，机械手站有自己的控制器和编程语言。工作单元、控制 面板盒p l c 控制板都配置了标准化的s y s l i n k 接口。系统提供的工作站之间的通讯 方式有两种i o 通讯方式，利用传感器实现i o 通讯和利用控制面板上的安全插座进 行i o 通讯，如1 1 3 图和1 1 4 图所示。 第1 章绪论 图1 1 3 传感器i o 通讯图1 1 4 安全插座i 0 通讯 1 3 课题的提出 通过对m p s 系统的深入研究后发现，原系统在技术层次上还有很大的开发空 间，还有些不完善之处亦需要修正。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，在编程中发现，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。 工作站的排布受到传感器传输距离的严格限制；原系统没有有效的监控、故障诊 断及处理功能，系统工作时需要有专人在现场进行不问断维护，不能及时有效的 发现错误及故障并做出处理；对于系统的工作状态及系统的某段时间的情况没有 任何数据记录，不能对系统的情况做出分析；目前系统只是停留在生产系统执行 层。主要针对以上问题，结合当前工业自动化技术的发展，对m p s 模块化生产系 统进行开发和研究。 1 4 课题的主要任务 本文是针对m p s 模块化生产系统进行的设计研究，包括以下几个方面的内容： 1 、p l c 各工作站的程序设计 用顺序控制设计法，采用梯形图语言，对系统的各个p l c i 作站的程序进行设 计编写。 2 、建立p r o f ib u s 网络 对于现场级改变原有的依靠传感器的简单f o 通讯方式，建立p r o f i b u s d p 沈阳理工大学硕士学位论文 通讯网络，依靠p l c 控制的各工作站通过p l cs 7 3 0 0 上的d p 接口，以第一工作站 为主站其余工作站为从站，建立主一从通讯；增= ! j i e t2 0 0m 模块，将机械手工作 站连) k p r o f i b u s 网络。在p r o f i b u s d p 通讯方式下，用顺序控制设计法对系统 的各个工作站的程序进行重新编写。 8 、针对m p $ 建立基于p r o f ib u s 的监控系统 上位机配置c p 5 6 1 l 通讯卡，作为第二类主站连入p r o f i b u s 网络，深入研究 s i m a t i cw i n c c 的监控组态功能，应用s i m a t i cw i n c c 软件完成对现场设备的组 态、动态连接及程序的编制，将现场情况以形象直观的图形界面显示给操作人员， 实现控制、集中监控、报警、报表等功能。 4 、远程监控系统的设计 以作为第二类主站的上位机为服务器，分别建立c s 和b s 结构的远程监控功 能。 5 、对m p 8 系统的改进 ( 1 ) 建立p r o f i b u s 通信后机械手工作站的改进 ( 2 ) 通过增加检测点，解决机械手对于装配中途掉件没有对应措施的问题。 第2 章现场总线技术的应用和监控网络系统的构成 第2 章现场总线技术的应用和监控网络系统的构成 原有的m p s 系统的九个工作站之间依靠紧邻的光电传感器或控制面板上的 i 0 插口实现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，可靠性差。操作员也只是凭经验和在现场的实际操作观察获得 系统的信息和对系统进行维护，很多时候都不能有效全面的掌握系统的运行情况 和所处的状态，系统处在一个相对封闭的状态中。而改变系统当前的这种状态， 改善系统运行状况的关键在于建立一种新的通讯方式。 2 1 现场总线技术 2 1 1 现场总线系统概述 目前，自动化控制设备及仪表正向着数字化、智能化和网络化方向发展，现 代工业中的计算机集成制造系统是有工厂管理级、车间监控级和现场设备级等构 成的一个分层的大规模控制系统。 图2 1 控制系统示意图 现场设备级、车间监控级自动化监控及信息集成系统是实现工厂自动化及计 沈阳理i = 大学硕士学位论文 算机集成制造系统的基础。它们主要完成对底层设备单机控制、连机控制、通信 联网、在线设备状态检测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能， 保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工 厂管理层，向工厂级管理信息系统提供数据，同时也接受所下达的生产管理及调 度命令并执行之。 现场总线是工业控制领域中又一个新兴的技术热点。现场总线是应用在生产 现场的测量控制设备与主控站之间实现双向串行多结点数字通信的信息通道，也 被称为开放的、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线的出现导致了新型 的网络集成全分布控制系统一一现场总线控制系统f c s 的出现。 现场总线控制系统由于采用了智能控制设备，能够把原来d c s 系统中处于控 制室的控制模块、各输入输出模块置入控制现场，加上现场设备具有的通信能力， 现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统的功能 能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现彻底的分散控制。 实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换，打破自动化系统“信息孤 岛”的状态。还可借助现场总线网络与其他网络进行通信连接，实现异地远程自 动监控，并可提供系统各种状态及故障诊断信息，便于操作管理人员更好、更深 入的了解生产现场自控设备的运行状态。 2 1 2 现场总线技术的特点和优点m 1 、系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总 线致力于建立统一的、开放的工厂底层网络。用户可以按照自己的需要和考虑， 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构建自动化领域的 开放互连系统。 2 、互可操作性和互用性 互可操作性指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通：互用性则意味着不 同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 3 、现场设备的智能化与功能自治性 现场智能设备将传感测量、补偿计算、工程处理与控制的功能分散到现场设 一1 4 一 第2 章现场总线技术的应用和监控网络系统的构成 备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的 运行状态。 4 、系统结构的高度分散性 现场总线己经构成了一种彻底分散的控制系统体系结构，简化了系统的结构， 提高了可靠性。对现场环境的适应性专门为工业现场设计的系统，具有较强的抗 干扰能力。通过两线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆的要求。 、 2 1 3 现场总线的发展趋势w 虽然现场总线的标准统还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却是一 个不争的事实。具体的发展趋势表现在以下几个方面： 1 、现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。 2 、现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。 3 、现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。 4 、工业以太网、o p c 和i n t e m e t 技术越来越多地被引入现场总线的发展过程。 2 2p r o f i b u s 现场总线技术 2 2 1p r o f i b u s 现场总线技术的特点 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的 现场总线标准。它是由以西门子公司为首的1 3 家公司和5 家科研机构在联合开发的 项目中制定的标准化规范。p r o f i b u s 现场总线技术通过多年的实际应用，实现了 不同设备的数字网络互联，已经成为完整、开放、与制造商无关的国际性现场总 线标准。与其他现场总线系统相比，其最大优点在于具有稳定的国际标准e n 5 7 0 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。这就说明了它的成熟性和规范能力，归 纳起来它具有以下优势”： 1 、总线存取协议 两种系列的p r o f i b u s 均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质 存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式，得到令牌的主站可 在一定的时间内执行本站的工作，这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发 - 1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 送数据，并且任一个主站在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权，这就避 免了冲突。这样传输速度较快，而其他一些总线则采用的是冲突有碰撞检测法， 在这种情况下，某些信息组需要等待，然后再发送，从而使系统传输速度降低。 2 、灵活的配置 根据不同的应用对象，可灵活选取不同规格的总线系统，如简单的设备一级 的高速数据传送，可选用p r o f i b u s d p 单主站系统，稍微复杂一些的设备及高速 数据传送，可选用p r o f i b u s d p 多主站系统，比较复杂一些的系统可将d p 与f m s 混合选用，两套系统可方便地在一根电缆上同时操作，而无需附加任何转换装置。 3 、开放性和适应性 因为p r o f i b u s 的网络协议以i s o 颁布的o s i 标准7 层参考模型为基础，对第3 层到第7 层进行了简化，增加了用户接口层，可以说它的标准适应性强。此外，它 的三种系列可以适应不同的应用对象和通信速率方而的要求，开放性好。 4 、生产厂家的支持 鉴于现在p r o f i b u s 己成为国际性的开放现场总线标准，因此得到了众多生 产厂家的支持。目前有许多公司可以提供p r o f i b u s 协议芯片，如摩托罗拉、西门 子等。众多p l c 厂家在其产品中( 如s i e m e n ss 7 及s 5 一系列，欧姆龙系列、三菱 系列) 提供了与p r o f i b u s 的接口，从而扩大了工业现场用户的选择余地，客观上 保护了用户的利益，巩固t p r o f i b u s 在应用领域的地位。 2 2 2p i 的f i b u s 的协议结构和类型 i s o o s i 通讯标准模型由七层组成，并分成两类。一类是面向用户的第五层 到第七层，另一类是面向网络的第一层和第四层。第一层到第四层描述数据从一 个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户提供适当的方法访问网络系统。 p r o f m u s 协议采用i s o o s i 模型的第一层、第二层和第七层。 从用户角度看，p r o f i b u s 提供了三种通讯协议类型：d p 、f m s 和p a e ”。 1 p r o f i b u s - f m s p r o f i b u s f m s h p 为现场总线报文规范( f m s f i e l dm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，采 用i s o ，0 s i 模型中的第1 ，2 和7 层，主要用于工厂、楼宇自动化中的单元级( c e l l l e v e l ) ，可提供3 4 种f m s 服务，实现对变量的访问、程序调用和运行及控制等管理。 第2 章现场总线技术的应用和监控网络系统的构成 2 p r o f l b u s - p a p a o l i 过程自动化( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) ，它的第一层模型采用了i e c l l 5 8 一传输 技术，通过现场总线馈电，提供本质安全特征，能够在易爆危险区域进行工作。 p a 技术是在d p 技术基础之上，由高速向低速及过程控制发展而来的。其技术可以 描述为：p r o f i b u s d p 通信协议斗适合现场仪表的传输技术( i e c 11 5 8 - 2 ) 。 3 、p r o f i b u s _ d p d p 即分布式外围设备( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ，在参考模型中使用第1 ，2 层和 用户层( 用户自定义) 。用于工厂和楼字自动化中实现自控系统和分散的外部设备 0 ) 及智能现场仪表之间的高速数据通信。中央控制器通过高速串行线同分散的 现场设备( 如u 0 、变频器、阀门等) 进行通信，多数数据交换是周期性的。本监控 系统就使用到了该类型的现场总线，下面详细论述。 2 2 3p r o f i b u s d p p r o f i b u s d p 用于现场级p l c 与分布式i o 和现场设备的高速数据通信，在 现场总线中，p r o f i b u s d p 的应用最广。在这一级，中央自动化设备( p l c p c 或 过程控制系统) 通过快速串行连接与分散的现场设备( 如、驱动器和阀门、测量 变送器等1 进行通信。自动控制设备与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性 的。除周期性用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供扩展的非循环的通信服务， 用于智能现场设备的参数化、诊断、操作监控和报警处理等。p r o f i b u s d p 在参 考模型中只使用第l 、2 层，自己定义了第8 层一用户层。1 。为了获得快速和高效率 的数据传输，第3 7 层没有定义。对标准网络协议的简化，使网络的实时性大大提 高。p r o f i b u s - d p 提供的数据链路层的服务，如表2 1 所示。 表2 1p r o f b u s - d p 数据链路层服务 服务功能 s r d 发送和请求