（机械制造及其自动化专业论文）现场总线在柔性制造系统和网络数控中的应用研究.pdf

现场总线在柔性制造系统和网络数控中的应用研究 摘要 随着计算机、网络、通讯等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆 盖从工厂的现场设备到中央控制、管理的各个层次。信息技术的飞速发展引起 了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化为基础的企业信息系 统。现场总线就是顺应这种趋势发展起来的新技术，现场总线以其开放、数字 化、分布式等技术特点代表了未来工业自动化的发展方向，论文重点研究了现 场总线技术在设备层自动化系统中的应用，主要讨论了以下两部分内容： 1 、论文首先介绍了现场总线的概念及其技术内容，接着以柔性制造系统 ( f m s ) 的控制管理系统为研究对象，在分析比较目前流行的几种现场总线后， 重点讨论了p r o f i b u s 现场总线的技术特点和系统模型，提出了新型的基于 p r o f i b u s d p 现场总线和以太网双重网络结构的柔性制造系统控制方案，并实 现了基于以太网的数控程序传输功能。 2 、论文从柔性制造系统的角度深入探讨了开放式网络数控的概念和技术内 容，并对开放式网络数控的信息集成要求进行了深入分析，以高度开放的p c 机和通用操作系统w i n d o w s n t + r t x 为平台，利用成熟的现场总线技术，建立 了- t 0 全软件型的、具有高度开放性的开放式网络数控平台，并研究了实现这 种平台的一些关键技术。 关键字：现场总线；p r o f i b u s 以太网；柔性制造系统：开放式数控；s e r c o s 网络数控： t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ff i e l db u si nf l e x i b l e m a n u f a c t u r es y s t e ma n dn e t w o r kn c a b s t r a e t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yl e a d st ot h ei n n o v m i o no f a u t o m a t i cs y s t e ms t r u c t u r e t h ed e m a n do nc o n t r o ln e t w o r k si si n c r e a s i n gg r a d u a l l y ， c o n t r o ln e t w o r k sn o to n l yn e e ds u p p o r tr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s oh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fo p e n n e s s ，s t a n d a r d i z a t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o a sa t y p i c a lr e a l t i m ed i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r k ，f i e l d b u sc h a n g e st h ef r a m e w o r ko f t r a d i t i o n a lc o n t r o ln e t w o r k s ，a c h i e v e sr e a ld i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 f i e l db u st e c h n o l o g yi s ad i g i t a l ，d i s t r i b u t e d ，o p e na n di n t e r - o p e r a t i o n a lt e c h n o l o g yw h i c hr e p r e s e n t st h e d e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no f f i e l d b u st e c h n o l o g yi nt h ef i e l dc o n t r o ll a y e ri ss t u d i e da n d t w op a r t sa r ed i s c u s s e da s f o l l o w s ： 1 f m d b u st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，a n ds e v e r a lt y p e so ff i e l d b u s a r e a n a l y z e d a n dc o m p a r e d b ya n a l y s i st h ek e yt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ff i e l d b u sa n de t h e m e t ad u e ln e t w o r ks t r u c t u r eo ft h ef m sc o n t r 0 1 s y s t e mb a s e do np r o f i b u s d pa n de t h e r n e tt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e dc o m b i n e d w i lp r o j e c te x a m p l eip a r t i c i p a t ei n , a n da d v a n t a g e so ft h es t r u c t u r ea r ee x p o u n d e d a sw e l l ，m e a n w h i l e ，t h et r a n s m i t t i n gf u n c t i o no fn cc o d eb a s e do ne t h e m e ti s a c h i e v e d 2 f r o mt h ef m sp e r s p e c t i v e t h ec o n c e p to fo p e nn e t w o r kc n ca n di t s t e c h n i c a lc o n t e n t sa r ei n t r o d u c e di nd e p t h b a s e do nt h ea n a l y s i so fm a i nc h a r a c t e r s a n dd e v e l o p i n gt r e n d so fo p e nc n c ，i nt h i sp a p e r ，ag e n e r a la r c h i t e c t u r eo fo p e n c n ch a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do np ca n df i e l d b u si sp r e s e n t e d ，c o m b i n e dw i t ht h e d e m a n d so fo p e ns y s t e m s o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，ao p e nn e t w o r kc n cs o f t w a r e a r c h i t e c t u r eb a s e do nw i n d o w sn t + r t xo p e r a t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d s u c hc n c m o d e lc a n i m p r o v e t h e c o u p l i n g i na l ls o f t w a r e c o m p o n e n t sa n dr e a l i z e i n t e r c h a n g i n go f t h es o f t w a r ec o m p o n e n t a tl a s ts e v e r a lr e l e v a n tt e c h n i q u e sn e e d e d t or e a l i z et h i sc n c p l a t f o r ma r es t u d i e d k e yw o r d s ：f i e l db u s ；p r o f i b u s ；e t h e m e t ；f l e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m ；f m s ； o p e nn u m e r i c a lc o n t r o l ；n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o l ；s e r c o s ； 插图清单 图1 1 企业通信网络的三层结构2 图2 1f m s 系统布局图1 2 图2 2 传统f m s 的控制方式1 2 图2 3 由i p c 控制的f m s 1 3 图2 4 基于现场总线的柔性制造系统集成方案1 4 图2 5f m s 控制系统设备清单1 5 图2 6s 7 3 0 0 主站硬件组态图2 0 图2 7p r o f i b u s 网络组态图2 1 图2 8 多客户机的w i n c c 拓扑2 2 图2 9f m s 控制系统登录界面2 3 图2 1 0f m s 控制系统主界面2 4 图2 1 1f m s 单步操作界面2 5 图2 1 2f f f s 自动运行监控界面2 5 图2 1 3 面向连接的套接字的系统调用时序图2 7 图2 1 4 数控程序传输软件服务器端界面2 8 图3 1 开放式数控系统的结构框图3 5 图3 。2 网络数控与外部系统的信息集成3 8 图4 1s e r c o s 总线的拓扑结构4 6 图4 2 开放式网络数控系统的硬件结构4 7 图4 3c n c 与s o f t s e r c a n s 的周期性数据访问4 8 图4 4 开放式网络数控系统的软件拓扑结构5 0 图4 5 开放式网络数控系统的软件层次结构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注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒妲王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 g b 工业太堂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) 学位论文作者签名：薹彩豺术 聊张瑷c 超导师签名：夕墩c o l 签字日期：7 彩，年砂月) 日 签字日期：鲫6 年v 月，。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：合肥工业大学 通讯地址：合肥工业大学1 5 0 信箱 电话：0 5 5 1 - - 2 9 0 1 6 3 2 邮编：2 3 0 0 0 9 致谢 本论文是在夏链副教授和韩江教授的悉心指导下完成的。值此论文完成之 际，首先要衷心地感谢我尊敬的两位导师! 感谢两位导师在我学位论文选题、 调研、撰写、修改等过程中所给与的悉心指导。在近三年的研究生学习期间， 两位导师在科研工作中，以严谨务实、一丝不苟的治学态度和对学术问题的独 到见解深深地影响了我。两位导师知识渊博，科研经验丰富，不仅教给我知识， 更教给我独立分析问题、解决问题的能力。在我近三年的硕士阶段，两位导师 在学习上和生活上给与的关怀与帮助，我将永远铭记在心! 感谢合肥工业大学c i m s 研究所的王治森教授对我的关怀和指导! 感谢c i m s 所祖垣老师、何高清老师、余道洋老师，他们在我的项目研制过 程中给予了许多指导和帮助。 感谢我的同学成勇、程志、王建兵、潘斌、郭建强、陆荣峰、章建科、姜 峥嵘、周明发等，和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 感谢师弟张栋栋、张国权、苏志远、刘向前、李晓伟、胡静、陆青松、等 给予了我的帮助! 感谢江淮汽车公司的汪国海工程师在我课题中提供的帮助! 最后还要特别感谢我的家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付出给予 了我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业。 作者：姜晓林 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 1 1 全集成的网络自动化 1 1 1 企业对自动化系统的需求 随着市场竞争的逐渐激烈，企业在市场上面临越来越大的竞争压力。对市 场的需求，企业要能够及时响应，同时还要控制成本，保证质量。而传统的自 动化系统大多是以单元生产设备为核心进行检测和控制。生产设备之间易形成 “自动化孤岛效应”。这种“自动化孤岛效应”式的单机自动化缺乏信息资源 的共享和生产过程的统一管理，已无法满足现代工业生产的要求。1 9 9 3 年。美 国政府在宣布“国家信息基础设施( n 1 1 ) ”计划时指出“网络将实现制造到流 通的信息一体化：将实现远程共享科学信息资源和仪器设备资源：将提高劳动生 产率和工作效率，刺激经济高速发展”。因此，可以说制造网络化是现代制造 业发展的主要趋势。建立一种市场需求驱动的、具有快速成响应机制的网络化 集成制造模式，将是当前乃至今后若干长的时期内制造业所面临的最紧迫的任 务之一，也是制造企业摆脱困境，赢得市场，掌握竞争主动权的关键。而全集 成的网络自动化可以帮助企业降低能耗，提高产品质量，实现其最佳经济效益。 这种全集成的自动化将公司的供应链、企业生产现场和管理层无缝的整合在一 起，实现了企业信息系统的横向和纵向集成，对提高投资回报率并降低运营成 本起决定性作用“。 1 1 2 全集成自动化的网络结构 在全集成的网络自动化中，企业的通信网络可以划分为三个层次”：企 业级、车间级、现场级，如图i i 所示。 ( 1 ) 企业级通信网络 企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数 据，通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。 ( 2 ) 车间级通信网络 车间级通信网络介于企业级和现场级之间。它的主要任务是解决车间内各 个需要协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度看，要求通信网络 能够高速传送大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。对车间 级网络，主要的解决方案是工业以太网。 ( 3 ) 现场级通信网络 现场级通信网络出于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备， 包括i 0 设备、传感器、变送器、变频与驱动装置等。由于连接的设备千变万 化，因此所使用的通信方式也比较复杂。而且由于现场级通信网络直接连接现 场的设备，网络上传递的主要是控制信号。因此，对网络的实时性和确定性有 很高的要求。对于现场级通信网络，现场总线是主要的解决方案。现场总线是 目前自动化领域的新技术，正表现出强大的生命力。 图1 1 企业通信网络的三层结构 1 2 柔性制造系统( f m s ) 1 2 1 f m s 的概念 对于制造型企业来说，处于最底层的现场级自动化系统是工厂全集成自动 化不可缺少的重要部分，它主要完成底层设备单机控制、连线控制、通信连网、 在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、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，向工厂级系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生 产管理及调度命令并执行之。因此，现场级自动化系统是实现工厂全集成自动 化及c i m s 系统的基础。本文将以柔性制造系统为主要研究对象，深入探讨了底 层的自动化网络技术。 作为c i m s 系统的子系统，f m s ( 柔性制造系统) 是典型的制造自动化系统。 f m s 是由数控加工设备、物料贮运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系 统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调 整，适用于多品种、中小批量生产”1 。 1 2 2 硎s 的一般组成 典型的柔性制造系统由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控制系统 组成。为了实现制造系统的柔性，f m s 必须包括下列组成部分”。 ( 1 ) 加工系统 柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定，主要有加工中心、车削 中心或计算机数控( c n c ) 车、铣、磨、齿轮加工机床等，用以自动地完成多种工 序的加工。 ( 2 ) 物料系统 在f m s 中工件、工具流统称为物流，物料系统用以实现工件及工装夹具的 自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作，包括各种传送 带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。 物流系统一般由三个部分组成： 1 ) 输送系统：建立各加工设备之间的自动化联系。 2 ) 贮存系统：具有自动存取机能，用以调节加工节拍的差异。 3 ) 操作系统：建立加工系统同物流系统和贮存系统之间的自动化联系。 ( 3 ) 计算机信息控制系统 计算机信息控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息，输出控制c n c 机 床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级( 设备级、工作站级、单元 级) 分布式计算机控制系统，其中单元级控制系统( 单元控制器) 是柔性制造系统的 核心。 ( 4 ) 系统软件 系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、 控制及优化工作，包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、 系统管理和监控软件。 根据机床和搬运系统的相互关系，柔性制造系统有直线型、循环型、网络 型和单元型等布局形式。其中直线型加工顺序不能改变，易于管理，多用于加 工工件品种少、柔性要求小的制造系统。单元型柔性较大，易于扩展，但调度 作业的程序设计比较复杂。 1 2 3b - i i s 的特点 f m s 的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相 适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制， 故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产( 即具有“柔性”) ， 并能及时地改变产品以满足市场需求。 f m s 兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。 f m s 的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验 等。8 0 年代中期投入使用的f m s ，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。 采用f m s 的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零 件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资 金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减 少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜2 4 小时的连续“无人化生产”： 提高产品质量的一致性“。 f m s 有两个主要特点，即柔性和自动化。f m s 与传统的单一品种自动生产线 ( 相对而言，可称之为刚性自动生产线，如由机械式、液压式自动机床或组合 机床等构成的自动生产线) 的不同之处主要在于它具有柔性”。 1 3 数控技术 1 3 1 国内外数控技术的现状和发展 在装备制造业中，数控系统作为数控机床的配套产品有着举足轻重的作 用。数控系统的发展经历了从硬件数控、封闭式数控到现在的开放式数控，但 是目前市场上的数控系统大多数是封闭式数控系统，网络通信能力很弱，而且 互不兼容，这种专用封闭的体系结构的数控系统严重的限制了数控技术的应用 范围，阻碍了数控技术的进一步发展。为解决传统的数控系统封闭性和数控应 用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 如同本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) ，美国的 n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t i o f l m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧共体的 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已经成 为数控系统的未来之路。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的 网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实 现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著 名数控机床和数控系统制造公司都在近几年推出了相关的新概念和样机，如在 e m 0 2 0 0 1 展中，西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称o m e ) ；日本大限( o k u m a ) 机床公司展出“i t p l a z a ( 信 息技术广场，简称i t 广场) ：日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的 “c y b e r p r o d u e t i o nc e n t e r ( 智能生产控制中心，简称c p c ) ；等，反映了数控机 床加工向网络化方向发展的趋势1 ”。 1 3 2 两络数控的提出 虽然数控技术的出现对制造业产生了深远的影响，大大提高了制造水平， 但是人们发现单纯提高单机的自动化水平，很难将自动化的优势完全发挥出来， 使得先进设备不能够有效利用，造成很大的浪费。而自动化系统与管理信息系 统的割裂也成为企业效率难以提高的瓶颈所在。工厂中大多数任务都需要多台 设备合作完成，同时要涉及到很多人，不但人与人之间需要协作，机器与机器 之间也需要协作，这样才能充分发挥人的智慧和机器效能，从而提高企业的效 益。为了提高资源的利用率，更有效地实旄各种先进制造技术和理念，机床作 为制造业中的基本单元就必须具备优秀的联网能力。从而实现从设计到加工， 从生产到管理的连续集成。因此建立新型的网络数控是经济发展的迫切需要。 随着敏捷制造和绿色制造等先进制造生产模式在加工制造和生产实际中的 应用，底层制造单元的生产组织方式发生了根本性的变革：以往单一、分离的 数控加工单元因其功能局限性、生产的封闭性已不能满足现代生产需求，研究 网络互联背景下的数控系统，为先进生产模式提供最底层的支持，已成为制造 单元发展的必然结果。网络数控的基本思想是以先进技术为支撑，通过网络将 车间设备、资源加以集成，最终形成一个开放的、具有一定功能的网络数控制 造单元。网络数控是一项复杂的系统集成工程，通过集成实现产品从设计到加 工，从管理到生产全部过程的网络化。网络数控的系统集成以产品设计到制造 的全过程为对象，通过有效的集成将散布在产品设计，制造等领域的计算机应 用“自动化孤岛”统一地、协调地联系起来，加速设计到制造的进程”1 。 1 3 3 网络数控与柔性制造系统 数控系统是柔性制造系统的一个子系统，是柔性制造系统的重要组成部分， 数控系统的功能和性能将直接影响柔性制造系统的性能。在柔性制造系统中， 数控系统必须是网络数控系统，这样才能实现和其他子系统的协调工作。而目 前的数控系统网络功能还不强，不能完全满足柔性制造系统等先进制造技术对 数控系统的要求，因此支持各种先进制造技术的网络数控系统将是未来发展的 一大方向。为了使网络数控更好的集成在制造自动化系统中，网络数控的设计 不应该单纯的从数控系统本身去考虑，还应该站在系统的角度，从信息集成的 角度去考虑，本文将以柔性制造系统为背景，站在系统信息集成的角度去考虑 网络数控系统的设计。 1 4 课题的来源、主要内容及研究意义 本课题来源于合肥工业大学c i m s 所承担的合肥工业大学实验室建设项目 一柔性制造系统的改造和合肥市重点科研项目一车间异构数控机床网络 d n c 集成系统开发及应用。 现场总线技术是一种新型的计算机控制技术，由于其高度的开放性和信息 集成能力，目前在许多行业都取得了广泛的应用，被认为是2 1 世纪的主流控制 技术，也是目前自动化领域研究的热点。在制造业信息化大力发展的今天，研 究现场总线技术在制造业的应用意义重大。在制造业中数控系统作为最基本的 制造控制单元其信息集成能力还远远不足以支持各种先进制造技术，所以数控 系统的开放化和网络化是目前数控系统研究的一大主流，而现场总线的出现将 会给网络数控的发展带来全新的机遇，基于现场总线的数控系统不但可以增强 其网络功能同时还能提高其开放程度。柔性制造系统的概念在上个世纪6 0 年代 提出以来发展迅速，但是由于设计和制造成本等原因未能大量应用。目前网络 数控的发展和现场总线技术的不断成熟给柔性制造系统带来了又一次发展的契 机。我们从系统集成的高度来考虑网络数控，站在柔性制造系统的角度利用成 熟的现场总线技术来开发网络数控和柔性制造系统，不但可以缩短开发周期， 增强产品竞争力，还可以提高系统的开放性，可以更容易的实现系统的集成和 扩展，同时系统的可靠性、稳定性、可维护性也将大大提高。 第二章基于现场总线的柔性制造系统 2 1 现场总线概述 信息技术的飞速发展引发了自动化领域的深刻变革，逐步形成了网络化的、 全开放的自动控制系统体系结构，而现场总线正是这场变革中的重要技术。作 为工厂数字通信网络的基础，现场总线沟通了生产过程现场及控制设备之间及 其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个底层网络( i n f r a n e t ) ，而且 还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以计算机、数字通讯、智能传感、 控制等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技 术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革，被认为是继气动 仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集 散控制系统i ) c s 后的新一代控制系统“。国际上许多有实力和影响的公司都先 后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。 2 1 1 现场总线的概念及特点 1 、现场总线的概念 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制 装置系统之间的一种串行数字式多点双向通信的数据总线。或者，现场总线是 以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接 实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统“。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有 了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多 个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场 的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数 据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 2 、现场总线控制系统的技术特点“1 “。 ( 1 ) 增强了底层设备的信息集成能力 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及 c i m s 系统的信息集成要求。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功 能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的些基本功能， 并可随时诊断设备的运行状态。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代 4 - 2 0 m a 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制， 还可完成远程参数化工作。 ( 2 ) 开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互连为系统并实现 信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 这里的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。一 个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连 接。不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设 备具有很好的可集成性。开放式系统允许其它厂商将自己专长的控制技术，如 控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面 向行业特点的监控系统。 ( 3 ) 降低了系统及工程成本 现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了 现有d c s 集中与分散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。对大范围、 大规模i o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、t o 模块及电缆敷设工程费 用，降低了系统及工程成本。同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护 工作量。 ( 4 ) 系统可靠性高、可维护性好 现场总线是专为在现场环境而设计的，具有较强的抗干扰能力的自动化监 控系统，它采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对于大规模i o 系统来 说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故 障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工 作，也增强了系统的可维护性。此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因 而还具有设计简单，易于重构等优点。 ( 5 ) 用户有高度的系统集成主动权 用户可自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协 议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。这也 是开放性的一种表现。 2 1 2 现场总线标准 现场总线技术得以实现的个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制 造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品， 系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问 题。但是就目前的情况来看，多种总线标准共存已经是不争的事实。目前国际 上公认的现场总线可以归类为四个标准族：一个是用于工业控制系统的 i e c 6 1 1 5 8 标准，它包含t s 6 1 1 5 8 、c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 、p r o f i b u s 、 p n e t 、f fh s e 、s w i f t n e t 、w o r l d f i p 、i n i e r b u s 、f fh 1 、p r o f i n e t ( 2 0 0 3 年4 月通过) 等1 0 种现场总线；另一个是用于低压开关设备与控制设备、控制 器与电气设备接口的i e c 6 2 0 2 6 标准，它包括d e v i c e n e t 、a s i 、s d s 、s e r i p l e x 在内的四种现场总线；还有一个是用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准 i s o l l 8 9 8 ，它指定c a n 总线为其标准。还有另外一种是目前用于数字伺服和传 动数据通信的唯一国际标准s e r c o s 总线。 虽然最完美的结果是国际上只有一种现场总线，但是不可能用一种现场总 线标准面对种类繁多的自动化行业和各种各样的应用需求，自动化技术对通信 网络的要求不同于计算机，没有脱离行业的自动化。某一种现场总线标准在某 些领域中是适用的、具有高性能价格比，超出这些领域可能就不是最优的，甚 至是不适用的。试图用一种现场总线标准去覆盖所有应用领域范围的想法和做 法是不现实的。所以为特定的应用选择合适的现场总线是非常重要的。 2 1 3 几种有影响的现场总线“4 ”。 l o n w o r k s 现场总线全称为l o n w o r k sn e t w o r k s ，即分布式智能控制网络技 术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前l o n g w o r k s 应 用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、s c a d a 系统等。国 内主要应用于楼宇自动化方面。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，属于工业现场总线的 范畴。c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。它在汽车领 域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、 b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s - r o y c e ( 劳斯莱斯) 等都采用了c a n 总线来 实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。 s w i f t n e t 现场总线由美国s h i ps t a r 协会主持制定，得到美国波音公司的 支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线， 协议仅包括物理层和数据链路层。 d e v i e e n e t 是由a 1 l e n b r a d l e y 公司( r o c k w e l l 自动化) 开发的一种基于 c a n 的开放的现场总线标准。d e v i c e n e t 作为一种高性能的协议，目前在美国和 亚洲的市场上处于领导地位，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。 d e v i c e n e t 是现场总线中技术最成熟的一种，由于d e v i c e n e t 的出现比p r o f i b u s 要晚，现在的供货商数在众多总线中次于p r o f i b u s ，但是d e v i c e n e t 目前占有 世界两个最大市场美国和日本5 0 以上的份额。另外d e v i c e n e t 在国内取得了 国家标准g b t1 8 8 5 8 2 - 2 0 0 2 。 s e r c o s 总线技术是当今世界唯一的开放式、数字化、国际标准的运动控制 总线。它除了具有高性能特点外，还能处理带扩展数据项的高级运行方式一过 程命令，支持大量的参数诊断。 1 9 9 4 年由i s p 基金会和w o r l df i p ( 北美) 两大集团合并成立f f 基金会， 其宗旨在于开发出符合i e c 和i s o 标准的、唯一的国际现场总线( f u n d a t i o n f i e l d b u s ) 。低速总线( h 1 ) 协议已于1 9 9 6 年发表。1 9 9 7 年5 月建立了中国现 9 场总线( f f ) 专业委员会，并筹建f f 现场总线产品认证中心。f f 现场总线的 应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等 行业。 p r o f i b u s 现场总线是国际上具有较大影响的总线标准之一，1 9 9 6 年3 月 1 5 日被批准为欧洲标准，即d i n5 0 1 7 0v 2 。p r o f i b u s 产品在世界市场上已被 普遍接受，市场份额占欧洲首位。目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过2 0 0 0 种， 分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。德国西门子公司是p r o f i b u s 产品的主要供 应商。p r o f i b u s 主要应用领域有：制造业自动化、过程控制自动化、电力自 动化、楼宇自动化、铁路交通信号系统。 p r o f i b u s 有全球最多的供货厂商数，国内第一个取得了行业标准 j b 1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1 ，国内生产p r o f i b u s 产品的厂商有十多家，国内有能够进行 国际认证的实验室。以上表明p r o f i b u s 在国内已经得到了很好的发展，目前在 国内市场占有率也是最高的。可以预见在未来几年内，p r o f i b u s 还将在国内占 主导地位。 2 2 柔性制造系统的控制和管理系统 2 2 1 f m s 控制与管理系统的基本功能及数据模型随拖1 铂 f m s 的控制与管理系统实质上是实现f m s 加工过程、物料流动过程的控 制、协调、调度、监测和管理的信息流系统。它由计算机、工业控制机、可编 程序控制器、通信网络、数据库和相应的控制与管理软件等组成，它是f m s 的 神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽带。 ( 1 ) 数据分配功能向f m s 内的各种设备发送数据，如工艺流程、工时标 准、生产调度计划、数控加工程序、设备控制程序、工件检验程序等。 ( 2 ) 控制与协调功能 控制系统内各设备的运行并协调各设备间的各种活 动，使物料分配与输送能及时满足加工设备对被加工工件的需求，工件加工质 量满足设计要求。 ( 3 ) 决策与优化功能 根据当前生产任务和系统内的资源状况，决策生产 方案，优化资源分配，使各设备达到最佳使用状态，保证任务的按时、按质完 成和以最少的投入获得最大的利润。 ( 4 ) 操作支持功能通过系统的人机交互界面，使操作者对系统进行操作、 监视、控制和数据输入，在系统发生故障后使系统具有通过人工介入而实现再 启动和继续运行。 为了实现这些功能，f m s 必须使它各子系统之间的信息有效合理地流动， 所谓信息的流动，实质上就是数据的流动。f m s 中共有三种不同类型的数据： 基本数据、控制数据和状态数据。 基本数据：包括f m s 有关配置的原始参数和物料的基本数据，如加工设备 l o 的类型、编号、规格、能力及数量；刀、夹具的几何尺寸、类型、耐用度、精 度和相互匹配的对象等。这些数据是在构建f m s 时建立的，并随着f m s 的使 用和扩展而不断修改和补充。 控制数据：包括有关f m s 的加工任务和有关工艺数据，如加工对象、批量、 期限等组织控制数据；工艺规程、使用机床、刀具、夹具、量具、工件安装、 精度信息及设备控制程序等工艺控制数据。这些数据是运行f m s 时建立的。 状态数据：包括f m s 的资源利用与系统工作状态数据，如加工设备和运储 设备的运行时间、停机时间、故障记录、刀夹具使用状态、刀夹具的地址、刀 具使用时间和磨破损状况等设备状态数据：毛坯与在制工件的工位、加工时间、 存放时间、输送时间以及成品数、废品数等工况统计数据。这些数据主要是在 f m s 的运行过程中采集的。 在f m s 的运行过程中，上述数据主要以三种形式相互联系，即数据联系、 决策联系和组织联系。 数据联系：当不同功能模块或不同任务需要同一种数据或者有相同的数据 关系时，产生数据联系。如编制作业计划、制定工艺规程及安装工件时，都需 要基本数据。这就需要把各种必需的数据文件存放在一个相关的数据库中，通 过计算机网络实现数据资源的共享，并保证各功能模块能及时迅速地交换信息。 决策联系：当各功能模块对各自问题的决策相互有影响时，产生决策联系。 如工件路径与混流批量等生产过程优化，就不仅是一种数据联系，更重要的是 逻辑和智能的联系。通常借助于仿真模块来实现这种联系。 组织联系：f m s 在运行过程中，需要具有实时动态性和灵活性的组织联系 来实现不同时间。不同地点各设备动作和物料流动的协调，这种联系是在f m s 的递阶结构的基础上，通过动态协调和实时调度等功能模块来实现。 从信息集成的观点来说， f m s 就是在计算机的管理下，通过数据联系、 决策联系和组织联系，把制造过程的信息流连成一个有反馈信息的调节回路， 从而实现自动控制过程的优化。 2 2 2f m s 的控制系统设计方案 柔性制造系统的控制系统是其核心部分，目前国内外对柔性制造系统的研 究基本上都集中在调度方法、工艺配置、系统仿真等方面，对其控制系统关注 较少。本论文重点讨论柔性制造系统的控制管理系统，柔性制造系统控制系统 的核心功能是协调系统内各组成部分的运行，传统的柔性制造系统基本上都是 由p l e 或工业控制计算机来集中控制的。 合肥工业大学机械与汽车工程学院现有一套柔性制造系统用来教学演示和 科研，这套系统包括一台上位计算机，一台主控p l e ，一台数控车床，一台数控 铣床，两台机械手，一条输送链和一个小仓库，原系统布局如图2 1 所示。整 个柔性制造系统的协调控制由一台下位p l c 和一台上位p c 机来完成，系统中各 个设备的控制信号全部通过一对一的方式连接到p l c 中，上位p c 机作为系统的 人机界面进行系统的监控，同时p c 还通过r s 2 3 2 串口对数控机床和机械手进行 程序的双向传输。原系统的控制方式如图2 2 所示。 正 图2 1f m s 系统布局图 图2 2 传统f m s 的控制方式 在这种控制方式下，柔性制造系统中各个设备的控制信号都是通过一对一 的连接并行接入主控p l c ，整个系统呈星型拓扑。系统中数控机床和机械手的程 序传输通过r s 2 3 2 串口由上位计算机控制。上位计算机实现系统配置，调度， 监控等功能。 这种传统的控制