（机械电子工程专业论文）基于profibus现场总线的柔性制造系统的研究与实现.pdf

基于现场总线的柔性制造系统的研究与实现 摘要 近3 0 年以来，为适应日趋多样的加工要求和愈演愈烈的市场竞争，柔性制 造技术得到快速发展，成为现代制造业重要的一部分。控制系统作为柔性制造 系统中重要的核心部分，同时也朝着自动化、智能化、柔性化、精密化、高可 靠性的方向迅速发展。f m s 控制系统要实现对物料流、能量流和信息流的自动 控制，就必须建立现场设备级到车间级的通信网络。现场总线技术是应用于现 场设备的高速通信通道，将其应用到f m s 控制系统能够有效的增强传输信息的 实时性，保障系统高效的运行。 本文分析了柔性制造系统和p r o f i b u s 现场总线的研究现状，在剖析传统 柔性制造系统通信网络通信缺点的基础上，提出了将现场总线技术应用在柔性 制造系统的解决方案。以合肥工业大学c i m s 研究所研制开发的s t a r mf m s 柔性制造系统和s t a r j kf m s 柔性制造系统为例，研究了p r o f i b u s d p 技 术在柔性制造系统中解决车间级控制中心与生产现场的通讯问题，重点阐述了 系统构成、p r o f i b u s d p 总线的控制方案、通讯原理以及信息的实时控制。 系统采用s 7 2 0 0 或e t 2 0 0 作为从站，s 7 3 0 0 和w i n c c 作为主站，通过w i n c c 对全系统监控和管理，并使监控画面根据现场实际情况动态显示，增强了系统 的可靠性和可维护性。通过p r o f i b u s d p 总线既实现了对整个系统的实时集 中控制，又能分控制各底层设备。 该方案的实施使整个控制系统的可靠性得到提高，并实现了多级实时控制。 现场总线的应用使系统的加工单元和物流系统联成一个有机整体；模块化和标 准化的硬件设计和软件编程使设计难度明显降低。两套系统功能已成功实现且 运行良好，为机电一体化专业的教学、实验、研究及实习活动提供了良好的实 验条件。 关键词：柔性制造系统；现场总线；人机界面；可编程控制；实时控制 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m sb a s e do nf i e l d b u so fp r o f i b u s a b s t r a c t w i t ht h ev a r i o u sn e e d so fs o c i e t ya n dt h em a r k e tc o m p e t i t i o ng r o w i n gi n i n t e n s i t yd u r i n g t h e p a s t 30 y e a r s ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i s d e v e l o p e de x t r e m e l yq u i c k l y , b e c o m i n ga ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fn o w a d a y s m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e a sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m c o n t r o ls y s t e m ，i sa c c o r d i n g l yd e v e l o p e d t ob em o r ea u t o m a t e d 、 i n t e l l i g e n t 、f l e x i b l e 、a c c u r a t ea n dr e l i a b l e e s t a b l i s h m e n to fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kb e t w e e nt h ed e v i c e - - l e v e la n dp l a n t - l e v e li se s s e n t i a li ft h ec o n t r o ls y s t e m t oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo nt h em a t e r i a lf l o w , e n e r g yf l o wa n di n f o r m a t i o n f l o w p r o f i b u s t e c h n o l o g y i sah i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lo f u n d e r l y i n ge q u i p m e n t s w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ef m sr e a l - t i m e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n de n s u r et h ee f f i c i e n to p e r a t i o no ft h es y s t e mi fi ti s a p p l i e dt ot h ef m s c o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e r ，r e s e a r c ho np r o f i b u so ft h ep r e s e n ts t a t ew a s f i r s t l ya n a l y z e d a n dp u tf o r w a r dap r o p o s a lt h a ta p p l i e dt h ep r o f i u bsi nt ot h ef m s ，w h i c h b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ed e f e c t sl i ei nt h et r a d i t i o n a lf m s t or e a l i z e r e a l - t i m ec o n t r o lo ff i e l dd e v i c e s ，t h ec o n t r o ls y s t e m so fs t a r m f m sa n d s t a r k f m s ，w h i c hw e r ed e v e l o p e db yc i m si n s t i t u t eo fh e i f e iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，b a s e do np r o f i b u s - d pw e r ed e v e l o p e d ，a n dc o m m u n i c a t i o n p r o b l e m sb e t w e e nc o n t r o l c e n t e ra n dp r o d u c t i o ns i t ew e r es o l v e d s y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，t h ec o n t r o ls c h e m eo fp r o f i b u s d p , c o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n d i n f o r m a t i o nr e a l t i m ec o n t r o lw a sf o c u s e do n s 7 30 0p l ca n dw i n c cw e r e u s e da st h em a s t e rs t a t i o n s ；s 7 2 0 0p l c ，e t 2 0 0a n dc o n v e r t e rw e r ea d o p t e da s t h es l a v es t a t i o n s t h ew h o l es y s t e ma sw e l la st h ef i e l dd e v i c e sc a nb ew e l l c o n t r o l l e dv i ap r o f i u s - d p ，i m p l e m e n t i n gt h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d c o n t r o la n da tt h es a m et i m et h em o n i t o rs c r e e nd y n a m i c a l l yd i s p l a y st h ea c t u a l s i t u a t i o n i ti sp r o v e db yt h ep r a c t i c a lr e s u l t st h a tt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi s f e a s i b l e ，t h ee n t i r es y s t e mr u n ss t a b l ya n dr e l i a b l y ，a n dr e a l i z e sm u l t i - l e v e l r e a l t i m ec o n t r 0 1 t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m sr e l i a b i l i t yi si m p r o v e da n dm u l t i l e v e lr e a l - t i m e c o n t r o lw a sa c h i e v e dt h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a m t h ea p p l i c a t i o n o fp r o f i b u se n a b l e st h ep r o c e s s i n go ft h el i n ea n dc o n t r o lo fl o g i s t i c sa sa w h o l ea n dh a r d w a r e d e s i g n a n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n g i sm o d u l a ra n d s t a n d a r d i z e d t h et w os y s t e m sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya c h i e v e da n dw o r kw e l l a t t h es a m et i m e ，t h e yp r o v i d eag o o de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nf o rt e a c h i n g ，r e s e a r c h ， e x p e r i m e n t sa n dp r a c t i c a la c t i v i t i e so ft h em e c h a t r o n i c s k e yw o r d s ：f m s ；p r o f i b u s ；h m i ；p l c ；r e a l - t i m ec o n t r o l 插图清单 1 1 传统i o 连接方式系统原理图4 2 1p r o f i b u s 协议规范层次结构9 2 2p r o f i b u s 系统1 1 2 3d p 系统的工作过程图13 3 1 整体实物图1 5 3 2 上料单元1 6 3 3 材质检测单元1 6 3 4 废料分拣单元1 7 3 5 尺寸检测单元1 7 3 6x y 直角坐标输送单元1 7 3 7 数控铣床加工单元1 7 3 8 皮带输送单元1 8 3 - 9 立体仓储单元1 8 3 10s t a r mf m s 控制系统层次结构2 0 3 1 1 新建s 7 3 0 0 项目2 1 3 1 2 在s t e p7 软件中插入新站点2 2 3 1 3 添加r a i l 模块2 2 3 1 4 添加电源模块2 3 3 1 5 添加c p u 模块2 3 3 1 6 添加i o 模块2 4 3 1 7p r o f i b u s d p 网络2 4 3 18 总线控制系统从站开发步骤2 5 3 1 9 从站连接示意图2 5 3 2 0 设置s 7 2 0 0 地址偏移量2 6 3 21w i n c c 通讯结构层次2 7 3 2 2 创建启动及分界面过程画面2 9 3 2 3 启动画面监控界面3 0 3 2 4 按钮组态对话框3 0 3 2 5 画面选择对话框3 0 3 2 6c p u 动态扫描过程3 l 3 2 7f c1 程序流程图3 2 3 2 8f c 2 程序流程图3 3 3 2 9 材质分拣单元程序流程图3 4 3 3 0 通讯地址对应关系3 5 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 1 系统组成3 7 图4 2 机械手动作流程3 8 图4 3 系统通信原理图3 9 图4 4 系统控制结构3 9 图4 5 机械手4 0 图4 6 串口引脚4 1 图4 7 串口连接4 2 图4 8 码盘设置4 2 图4 9e e p r o m 4 3 图4 1 0 通讯参数设置4 3 + 图4 1 1 示教器4 4 图4 1 2r o b o t l 动作流程4 5 图4 1 3r o b o r t 2 动作流程图4 7 图4 1 4f a n u c o i 系统主要组成部分4 8 图4 1 5 外部变量5 1 图4 1 6 物料输送系统监控界面5 l 图4 1 7 手动运行模式5 2 图4 19 触发器设定5 4 图4 2 0 启动全局脚本运行系统5 4 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表格清单 引角功能表4 1 示教器按键功能表4 4 操作面板功能表4 9 通信指令表5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金g 巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一h 1 学位论文作者签字：c 圣兰曼签字日期：冽d 年细7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金肥3 ：些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 签字日期：加碑乒月，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：力1 。年驴月f1 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在尊敬的导师夏链副教授和韩江教授的悉心指导下完成的，从课题 的选题、方案的论证到实施，可以说论文的每一部分都凝聚着导师的心血。论 文的撰写漫长而艰难，但是在导师的帮助和鼓励下，论文能够相对顺利地进行， 同时他们又给了我很多有价值、有参考性的意见和具体指导，帮我解决了许多 专业上的问题，使我对研究方向和内容有了深入的了解，也为我以后的学习和 工作打下了坚实的基础。在攻读硕士期间，夏老师无论在学习上还是在生活上 都给予了无微不至的关怀、帮助和指导。她认真敬业、学识渊博、治学严谨、 胸怀坦荡，令学生敬仰，使学生受益匪浅、毕生难忘。值此论文完成之际，谨 向导师致以诚挚的敬意和衷心的谢意! 衷心感谢c i m s 研究所祖暄老师、何高清老师、余道洋老师、丁志老师、 董伯麟老师、韩春明老师、翟华老师等在课题研究中给予的帮助! 衷心感谢我的同学李凯亮、葛敬、黄愿、信傲、张江华、姚银鸽和季焓， 和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远怀念! 衷心感谢师弟张忠铑、王晓明、黄海金、陈党、张韬、王国峰、李虎、刘 凌全、黄涛、肖传清、肖扬和朱念恩给予我的帮助! 最后还要感谢合肥工业大学，在这里我度过了3 年的时光，留下了求学的 汗水和收获的欢颜，让我有了进一步提升的机会和空间! 特别感谢我的父母感谢的养育之恩和无私的奉献，在我多年的学习和生活 中，是你们给了我物质帮助和精神支持，这样我才能顺利、努力完成我的研究 生学业，在此感谢你们! 最后，感谢所有曾经帮助过我关心过我的老师、朋友和同学们! 作者：马超 2 0 10 年0 4 月 第一章绪论 1 1 课题背景和来源 随着科技的发展，使得产品更新换代速度的不断加快，多样化产品越来越 受到青睐。促使多品种和小批量的加工方式成为发展的趋势，柔性制造系统顺 应了这种潮流，一经出现，便应用到生产制造业i l 】。 德国、新加坡以及香港等高校或高职院校，普遍配置了先进的自动化实验 系统，从各种类型的自动化生产线，到复杂的柔性制造系统。学生可在接近工 业生产的系统上进行研究和调试，为学生实际操作能力的培养提供了有效的实 训平刮2 1 。 目前，我国国内高校普遍缺乏该领域的培训教材与先进的实验设备，使得 学生在学习过程中缺少的足够的感性认识，实际参与的可能性少之又少，学生 的实践技能与实际要求存在很大的差距。虽然我国也在投入大量精力从事f m s 的研发，然而从事f m s 方面的人才比较少，其主要是因为国内这方面的人才的 培养与市场需求有着较大的差距，这对传统的高校教学实验提出了更高的要求。 目前，现有的实训条件还不能提供全面的柔性制造设备，然而生产型柔性制造 系统不适合作为实验设备，一方面生产型柔性制造系统投资高，占地面积较大； 另个方面，生产型f m s 已经定型，不能够让学生参与系统的设计、构建和调试。 因此小型低成本教学用柔性制造系统的开发具有一定的实用价值1 3 - 4 。 本论文结合笔者参加的合肥工业大学c i m s 研究所s t a r mf m s 模块化 柔性制造系统的研发( 企业委托开发和江苏省溧阳市重点科技项目) 和 s t a r j kf m s 科研型柔性制造的升级( 合肥工业大学实验室自制实验仪器设 备项目) 两个项目，展开基于p r o f i u b s 现场总线的柔性制造系统应用技术的 研究，分析了柔性制造系统的发展现状，提出了将现场总线技术用于柔性制造 系统的方案，从通讯的实时性、可靠性以及系统的可扩展性等方面展开深入细 致的研究。 1 2 柔性制造系统概述 1 2 1 柔性制造系统的发展概况 在2 0 世纪6 0 年代，一些工业发达的国家由工业化向信息化过渡，许多企 业认识到大批量加工生产仅仅是制造业的一小部分，大约只占1 5 到2 0 ，然 而中、小批量生产却占到7 5 到8 5 。然而，在占国民经济生产部门中相当比 例的多品种，中、小批量生产的劳动生产率大大的落后于大批量生产的企业。 随着技术交流和国际贸易的迅速发展，出口产品和跨国产品在生产中的比例大 大增加。在这个时期的主要代表是是电子计算机、光导纤维、激光等新技术的 日益广泛而深入的应用，通过这些技术综合，使得是“柔性制造系统 ( f m s ) 在7 0 年代末、8 0 年代初出现。f m s 是由电子计算机控制的系统，可以同时加 工形状相近的一类产品。随着科学技术的进一步发展，出现了“计算机集成制 造系统( c i m s ) 、“自动化工厂 和“未来工厂 等新技术和新的概念。随 着计算机集成制造系统的纵深发展，柔性制造系统的概念也有了新发展。在这 种环境下，f m s 己突破传统c i m 的概念的局限，被定义为一般意义上的具有 可编程能力的控制系统，能够处理分布数据的能力和自动的物流系统。f m s 已 经是c i m 的概念得以在车间实施，实现了小批量、高效率的生产制造，以适应 不同产品生命周期的动态变化【5 j 。 自动化、集成化、柔性化已经成为技术现代化的趋势，涉及到机械制造各 行各业，尤其是航空、汽车、内燃机、机床等工业部门，正在大量引入高效灵 活的f m s 。美国在上世纪7 0 年代，采取政策引导和补贴的方式鼓励设备的升 级，结果使美国数控机床增加2 0 ，普通机床减少4 0 万台，然而劳动生产率 却提高了1 8 。如果把几台到十几台数控机床组成柔性制造系统，通过综合分 析，其效益的增长会更明显：机床和工人可减少5 2 ，占地面积减少4 0 - 7 5 ， 可减少流动资金9 5 ，然而机床利用率可提高1 5 - 3 5 倍，生产效益能提高5 0 - 5 5 ，生产周期可缩短4 0 - 9 0 ，可降低成本5 0 。柔性制造系统的这些明显 优势，使得众多企业投资于改变传统的加工方式，研究和发展柔性制造新技术。 1 9 8 3 年，法国雪铁龙集团建立世界上第一个轿车柔性加工车间，当时该厂改造 投资1 2 亿法郎，研发目标就是使生产加工具有高度的灵活性。根据1 9 8 9 年统 计的资料表明，国际上以柔性制造方式生产的产品产值占制造业总产值7 0 ， 美国达约7 7 ，日本约8 0 ，且有不断增加之趋势【6 j 。 进入9 0 年代，单纯加工型柔性制造系统已不能够满足要求，它向着具有 多种加工、制造和装配工序的多种功能智能化的方向迈进，体现了未来加工模 式和新的发展趋势，对制造企业未来发展方向有着重要的意义。目前，第一代 柔性制造系统在工厂中仍然占据很大的比例，同时也代表了柔性制造系统的整 体的发展水平。虽然日本从1 9 9 1 年开始实施的“智能制造系统”( i m s ) m 际性 开发项目，属于第二代f m s ，然而真正意义上的第二代柔性制造系统预计会在 2 1 世纪才实现。预计未来，智能柔性制造系统的应用规模将加大大增加。同 时，智能制造技术( i m t ) 与加工制造技术的结合，同时借助专家系统，将取代制 造环境中人的部分脑力劳动。在制造过程，系统能自动监测其运行状态，在受 到外界或内部激励时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态，具备自组织能 力，故i m t 被称为未来2 1 世纪的制造技术【7 1 。 技术进步的浪潮同样卷入我国，国内机械制造业多品种中小批量生产的中 小企业多如牛毛，传统机床加工方式虽然灵活，但自动化程度和生产效率很低。 少品种、中大批量或大批量生产的重点骨干企业，后方车间、新产品试制车间 仍是以分散式的万能机床为主；生产一线则多采用专能机床、组合机床和自动 2 线，生产率虽较高，但缺乏灵活性。要打破这种劳动密集型和刚性自动化混杂 的生产模式，必须采用柔性自动化生产系统等先进制造技术，以谋求增强对市 场变化的响应能力p 】。 8 0 年代初期，我国就开始了柔性制造系统的研究工作。原华东工学院首先 从英国引进了d e n f o r d 教学实验柔性制造系统( 与本文第四章介绍的柔性制造 系统相同) ，1 9 8 6 年，湘谭江麓机器厂和郑州纺织机械厂从德国引进f f s 1 5 0 0 和f f s 5 0 0 柔性制造系统。华东工学院和机电部研究所、5 8 研究所在1 9 9 0 年 1 0 月联合设计制造的f m s 在长春通过鉴定，并投入到生产运行。中国科技人 员独立设计和开发的这条f m s 在许多关键技术上有所创新，同时总体技术水平 也达到了当代国际水平。此外，大连组合机床研究所和北京机床研究所等单位 也在f m s 的研发上取得了大量的成果。这些成果，对于缩短我国和发达国家在 这柔性制造领域内的差距具有深远的意义【9 1 。 近年来，我国也投入大量资金增加了在柔性制造系统方向的研发，这不仅 可为我国机械加工制造业赶超先进的世界制造技术奠定了良好的基础，也为进 一步实施并行工程、敏捷制造、精益生产和智能制造系统创造了条件。虽然很 多因素制约了f m s 的发展，例如管理和质量控制等，但是我国还是有多家机床 制造企业成功研发出了多种类型的柔性制造系统。例如，沈机集团昆明机床股 份有限公司在2 0 0 8 年成功研发出f m s l 0 0 0 型和f m s l 6 0 0 型的柔性制造系统， 并将装备在齐重数控装备制造公司，用于重型机床零件加工；f m s 8 0 型柔性 制造系统是由普什宁江机床公司制造，并通过四川省重点技术创新项目验收； 2 0 0 8 年4 月，江苏新瑞机械有限公司在中国数控机场展览会上展出f m s 6 3 柔 性制造系统；同年，大连机床集团有限责任公司也在展会上展出了具有多工位 加工能力的f m c 8 0 0 8 柔性制造系统。上述柔性系统的研制成功，是我国机床 工业对于柔性制造系统的研发能力有了新的提高的重要标志【l o 】。 1 2 2 柔性制造系统控制技术特点 柔性制造系统是一个复杂的制造系统，通常采用分层控制方式。首先根据 系统的功能特点对系统各单元分类，划分出不同层次，层与层之间通过网络传 输协议保持信息交换。以这种分层的模式构建的网络系统，实现了信息的集成， 有效的减少了全局控制的难度，提高了系统的可扩展性。通常f m s 的控制结构 分为三个层次，即单元层、工作站层和设备层，如果将f m s 连接到企业网络层， 可以分为五层：工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级【1 1 1 。 在传统的自动化设备，它和控制器之间采用输入输出端口进行连接，传递 信息为2 0 m a 模拟量或2 4 v d c 数字量信息，如图1 1 所示。 图1 一i 传统i o 连接方式系统原理图 随着设备的不断增加和控制要求的不断提高，在这种连接方式变得不能满 足现代的自动控制要求，主要的缺点如下： ( 1 ) 信息集成能力不强：控制单元与现场设备使用i o 连线连接，通信的 信息主要4 - 2 0 m a 模拟量信号和2 4 v d c 开关量信号，通过对这些信息的分析， 实现对现场设备的监控。这种有限的信号传输，使得控制单元难于实现对于现 场设各信息的全面采集，对于大量的设备参数信息、故障诊断信息和变量记录 信息等数据很难获取。导致系统对设备层数据读写不足和信息集成能力不强， 不能完全满足f m s 对底层数据的要求。 ( 2 ) 系统不开放、可集成性差、专业性不强：现场设备均靠标准i o 连接， 由于不同厂家之间接口标准不开放，不同厂家产品之间产品不具备互换性。因 此这种系统很难利用多家产品，实现优势互补。 ( 3 ) 可靠性不高：对于太范围的分布式系统，通过大量1 1 0 电缆连接现场 设备，不仅成本高，也增加了系统的不可靠性因素。 ( 4 ) 可维护性差，由于i o 连接信息量交换较少，现场设备级信息不能完 全被采集到控制层，因此设备的在线工作状态、故障、报警、数据记录功能不 强，另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、设备参数化控制等功能， 影响了系统的可维护性。 如果将这种传统的控制系统应用在f m s 系统的控制，必定产生各种缺陷和 不足。进入2 l 世纪，企业信息化正在全面应用和发展，上层网络通讯技术越来 越先进，速度越来越快。相比之下，应用在制造业底层和工业现场的通讯网络 却没有得到类似的发展和改进，使得企业设备单元层的信息通信成为企业信息 化和集成化的难点。 现场总线技术是一种适用于工业现场网络的通信技术它的出现和迅速发 展为解决柔性制造系统控制系统的发展中出现的各种问题提供了很好的解决方 案。 1 3 课题研究意义 柔性制造系统目前已经日趋发展成熟，物流系统、加工系统和系统控制软 件都有了很大的发展。但在系统的控制模式和网络信息化方面，还有许多需要 改进的地方。对于传统柔性制造系统，它采用集中控制模式。现场设备都必须 通过连线接到主控制计算机，使得系统中的所有的逻辑处理和运算都由中央计 算机处理。这种控制方式和信息采集方式导致主控计算机的任务量很大，运行 效率明显降低；在系统管理层与单元层之间传输的实时控制指令和调度命令， 必须具有实时性强、协议简单、信息传送可靠性高的特点。这些要求是传统控 制方式无法实现的，所以必须采用适用于工业现场设备和制造业领域的高速通 讯网络技术。 量 要实现柔性制造系统信息集成和综合自动化，就必须解决通信的实时性和 可靠性问题。现场总线作为一种能够适应工业现场环境、性能可靠、成本低的 通信技术，可以建立工厂底层网络，实现控制系统与现场制造设备之间的信息 交换。同时，在现场设备中都置入了专用微处理器，使它们都具有了数字计算 和数字通信能力，减轻了主控系统的负担；采用可进行简单连接的屏蔽线作为 总线，把多个设备连接成网络系统，并按照公开、规范的通信协议，在位于现 场的多个单元化控制设备之间与远程监控主站之间，实现数据可靠传输与信息 实时交换，形成了各种适应实际需要的自动化网络控制系统。 基于现场总线的柔性制造系统，它充分发挥了现场总线的各种突出优点， 并能很好的克服传统柔性制造系统控制方式的缺陷，对柔性制造系统性能的改 善和提高有着积极的意义。同时，现场总线作为一门较新的通讯技术，适应了 工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给采用自动化系统的企 业用户带来更大的实惠和更多方便。它还促使目前的集散控制系统( d c s ) 、可 编程逻辑控制器( p l c ) 等产品面临体系、结构和功能等方面的发生重大改变，导 致工业自动化产品的再次升级。因而现场总线技术被誉为跨世纪的自控新技术， 成为世界范围的自动控制技术热点【1 2 】。 本论文所从事的现场总线在s t a r mf m s 和s t a r j kf m s 中的研究和应 用，充分利用了现场总线的各种优点，很好的弥补传统柔性制造系统的在传统 集散控制中的不足，对柔性制造技术的改善和提高有积极作用，同时通过本课 题研究，使得现有的一些f m s 系统功能得到扩展，并更加完善，具有更强的柔 性，并在实验过程中不断发现问题并解决和突破发展的瓶颈【1 3 】。 1 4 本论文主要研究内容 论文主要的研究内容有： ( 1 ) 介绍了柔性制造系统和现场总线的背景和发展概况，并重阐述了 p r o f i u b s d p 总线的通信原理及通信建立过程。 5 ( 2 ) s t a r mf m s 柔性制造系统总体方案研究，确定系统的功能和总体 结构。主要包括电气系统和总控系统的布局设计。 ( 3 ) s t a r j kf m s 柔性制造系统升级改造的方案设计和研究。主要包括 电气控制部分和监控系统设计研究。 ( 4 ) 对柔性制造系统功能认真分析，提出控制的开发方案。依据各种现场 总线的性能选择p r o f i u s d p 通信方式，实现柔性制造系统的主从站功能的方 案。通过硬件选择和合理组态构建了一个通讯控制网络，实现对系统的可靠控 制。 ( 5 ) 根据系统的功能结构，按照系统运行顺序编写、调试主站和从站程序， 实现系统功能，并且系统可以根据软硬件的简易修改实现扩展。 ( 6 ) 通过组态w i n c c 监控画面对现场设备进行实时通信，对现场设备的 信息进行处理，并发送控制指令，同时根据现场实际情况动态显示。 6 第二章p r o f i b u s 现场总线 2 1p r o f i b u s 的背景和发展现状 生产过程底层的自动化设备，在传统的控制方式中，难以实现现场设备之 间以及设备与外界之间的信息交换。要实现整个设备之间信息的高速传输，就 必须设计出一种能在工业现场运行的通信系统，完成现场自动化设备之间的多 点信息交换，现场总线就是这种市场需求的驱使下应运而生的。2 0 世纪8 0 年 代中期，现场总线在国际上发展起来【1 4 】。 现场总线控制系统是一种全分布式控制系统，采用开放式通网络信。现场 总线为一种智能设备的联接媒介，把作为网络节点的智能设备连接到总线，使 其成为网络系统的一部分，并进一步扩展构成为自动化控制系统。实现参数修 改、监控、报警、显示、补偿、优化计算、控制一体化的自动化功能。它是一 种以网络化、数字通信、控制、计算机、智能传感器为主要内容的科学技术【l5 1 。 现场总线顺应了工业控制系统的智能化、网络化、分散化发展的方向，在 产生之后，便成为全世界工业自动化技术的研究方向之一，并受到全球的重要 关注。同时，它的出现导致自动化设备的制造厂家面临产品更新换代。表现如 下：带有数字通信功能的智能化数字仪表将取替传统的模拟仪表；集控制、运 算、温度检测、压力检测、流量检测功能于一体的变送控制器出现；带控制模 块和具有故障信息的执行器的出现，而且现有的设备维护管理方法也因此发生 改变【16 1 。 国际上目前有4 0 多种类型的现场总线，但是任何一种现场总线都不能覆盖 所有应用面，下面介绍几种最常见、应用最广泛的现场总线技术，各自特点不 同，也表现了强大的生命力 1 7 - 1 8 】。 ( 1 ) f o u n d a t i o nf i e l d b u s ( 基金会现场总线f f ) ：基金会现场总线以i s o o s i 开放系统互联为模型基础，具有物理层、数据链路层、应用层和用户层四个层 次。其具有高速( h 2 ) 和低速( h i ) 两种传输速率。 ( 2 ) l o nw o r k s ( 局部操作网络) ：l o n w o r k s 采用i s o o s i 开放系统互联模 型的全部的7 层通讯协议，并通过面向对象得方法，利用参数化设计，简化了 网络通讯设计。l o n w o r k s 的通信速率在3 0 0 b p s 1 5 m b p s 之间，可以达到2 7 0 0 m 的直接通信距离。它采用的l o nt a l k 协议，通过封装在神经元芯片n e u r o n 中 而得以实现。 ( 3 ) p r o c e s sf i e l d b u s ( 过程现场总线p r o f i b u s ) ：过程现场总线采用 i s o o s i 的物理层、数据链路层和应用层为网络模型。其传输速率为 9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离1 0 0 m ，最多能够连接1 2 7 个站点。 ( 4 ) c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 现场总线：c a n 取o s i 的物理层、数据 链路层、应用层的通信模型。在4 0 m 的传输距离内，通信速率最高可达1 m b p s 。 7 最多可以连接1 10 个站点。c a n 采用短帧结构进行的信号传输，具有较强的抗 干扰性。 国内现场总线控制系统生产企业经过十几年的研究，使国产现场总线控制 系统的产品取得了很大的发展，解决了现场总线d c s 任意冗余技术、网络模糊 测试评估技术、网络化系统集成技术、低功耗技术、自适应脉冲输入技术、软 件调制解调技术、无冲击带电插拔技术和信号的超远距离传输技术的难题，打 破了国外的产品对国内市场的垄断局面。工业控制的需求推动了总线控制系统 发展，相关技术的发展同时提高了总线控制系统可靠性。同时，现场总线技术、 数据库技术、网络技术的发展为开放式系统提供了良好的条件，促使使企业的 进一步提高效率。主要代表性产品有e p a 、f m 8 0 1 ( 和利时公司) 、x d p s 4 0 0 d p u ( 上海新华) 等，但其性能与国际公司的相比，还存在较大差距。主要表现在： 只能对单一总线信号进行处理，很难实现不同总线子系统的集成，而且在性价 比和可靠性方面都有很大差距。必须通过增强独立研究，提高现场总线产品设 计的水平，才能缩小与发达国家的技术差距，并且使现有的总线控制系统和p l c 控制系统进行良好升级【1 9 】。 2 2p r o f i b u s 的特点 现场总线作为联系纽带，把连接在总线上的智能设备并作为网络节点连接 为网络系统和自动化系统。现场总线具有以下特点【2 0 】： ( 1 ) 开放性：现场总线是开放的网络，任何一个制造厂商的现场总线设备 如果符合现场总线通信协议，都能够方便的连接到现场总线通信网络。同时， 不必考虑产品的原制造商，只要产品符合通信标准，可以互换或替换。 ( 2 ) 智能化：现场总线采用数字通信，它把微处理器引入设备，使设备成 为网络的一个站点，并参与通信。 ( 3 ) 互操作性：主要包括设备的可互操作性和可互换性。可互操作性指不 同厂商的设备可相互通信；可互换性是指不同厂商的设备在功能上可以用其他 厂商的且具有相同功能的同类设备互换。 ( 4 ) 环境适应性：现场总线专门为现场应用而设计，因此现场总线能很好 适应现场的操作环境。 ( 5 ) 分散控制：现场总线技术通过将控制分散到现场级，从而实现分散控 制。 2 3p r o f i b u s 技术简介 2 3 1p r o f i b u s 通信协议 p r o f i b u s 根据i s 0 7 4 9 8 国际标准的协议结构，以开放式系统互联网络 ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n - o s i ) 模型，如图2 - l 所示，协议采用了i s o o s i 中的第一层、第二层和第七层。p r o f i b u s 是一种不依赖于厂家设备的开放式 现场总线，被广泛地用于电力、交通和楼宇等自动化领域和流程型或离散型自 动化系统。p r o f i b u s 根据特点不同，通常被分为： p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 分布设备、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 报文规范和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 过程自动化三个 版本【2 。 ( 1 ) p r o f i b u s d p ：是为分散式i 0 与自动控制系统之间通信而设计，定义 了协议的第一、二层以及用户接口层。它作为一种优化过的高速通信方式，主 要用于分布式控制系统的高速数据传输，其最高可达1 2 m b p s 传输速率。通常 只构成单主站系统，主站与从站之间采用循环传输的方式进行通信【2 2 。 ( 2 ) p r o f i b u s f m s ：主要用于解决车间级通用性通信，定义了协议的一、 二、七层。它能够提供大量的通信服务，主要用于