（计算机应用技术专业论文）基于profibusdp的网络数控系统的研究与应用.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于p r o f i b u s d p 的网络数控系统的设计与开发 摘要 数控技术是制造业自动化的关键，但是在传统的制造模式下，数控设备往往独立运行， 机床之间没有协作，而产品的生产总是包括众多的工序，需要经过众多数控加工设备，产 品需要在数台数控设备之间传递，设备间没有组网时就需要工人来协作各个设备，由一个 工人控制多台加工设备十分困难，如果各台机床放置在不同的地方，工人需要不断的走动 来控制多台机床，劳动强度大、效率低且可靠性差，极大地限制了制造业的自动化进程， 亟需通过网络把分布在工厂不同地方的数控加工设备连接起来，远程控制数台机床的加工 和协作，最终实现现场无人值守的生产模式。 为此针对数控系统联网的需求，本文作了如下的研究工作： 1 深入分析网络数控系统的多种联网方式和网络类型，选定p r o f i b u s d p 总线这种在 工业现场级网络中广泛采用的高实时性、高可靠性专用网络，将其引入到基于“p c + 运动 控制器 的开放式数控系统中。 2 p r o f i b u s 网络在其它的自动化领域中虽已广泛应用，但在网络数控系统应用中还处 于雏形阶段。由于p r o f i b u s d p 网络并非是一种专为数控系统而设计的专用网络，本文针 对其本身的通讯特点对其进一步设计和补充，提出了一套网络数控系统通讯方案，使其能 满足数控系统的应用需求。 3 实现了一套基于p r o f i b u s d p 的网络数控系统，满足激光雕刻机、机械臂和立体仓 库设备需要的多任务控制和相互协作。同时，为了使操作者能够实时直观地看到从站设备 的运动和状态，引入远程视频监控系统，构成一个柔性制造系统模型，完成工件原材料从 取货、加工到存货的制造过程的控制。 4 最后，对全文进行总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：p r o f i b u s d p ，网络数控系统，制造自动化，远程视频监控 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fan e t w o r k n u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s - d p a b s t r a c t c n ct e c h n o l o g yi st h ek e yo fm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n i nt r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n g m o d e ，c n ce q u i p m e n t so f t e no p e r a t ei n d e p e n d e n t l yw i t h o u ta n yc o l l a b o r a t i o n t h ep r o d u c t i o n o f t e ni n c l u d e sl o t so fp r o c e s s e s ，s ot h ep r o d u c t sn e e dt og ot h r o u g hn u m e r o u sc n ce q u i p m e n t s o p e r a t o r sa r er e q u i r e dt oc o l l a b o r a t eb e t w e e nt h e m ，n o tt om e n t i o nc o n t r o l l i n gm u l t i p l e e q u i p m e n t sb yo n eo p e r a t o r i ft h em a c h i n e sw e r ep l a c e da td i f f e r e n tp l a c e s ，o p e r a t o r sn e e dt o w a l kc o n s t a n t l yt oc o n t r o lt h e m t h ei n t e n s i v ew o r k , l o we f f i c i e n c ya n dp o o rr e l i a b i l i t yg r e a t l y l i m i t e dt h ea u t o m a t i o no fm a n u f a c t u r i n g i ti s n e c e s s a r yt oc o n n e c tt h ec n cd e v i c e si n t oa n e t w o r k , r e m o t e l yc o n t r o lt h e i rp r o c e s s i n ga n dc o l l a b o r a t i o n , a n du l t i m a t e l ya c h i e v et h ef u l l a u t o m a t i o np r o d u c t i o nm o d e f o l l o w i n gw o r ki sd o n et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc n cs y s t e m s ： 1 a n a l y s eav a r i e t yo fn e t w o r kt y p e sa n dn e t w o r k i n gw a y s ，s e l e c tp r o f i b u s - d pa so u r m e a s u r e ，w h i c hh a sh i g hr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n di s 、 ，i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r i a ln e t w o r k w ei n t r o d u c ei ti n t oa no p e nc n c s y s t e mb a s e do n 。p c + m o v i n gc o n t r o l l e r 2 p r o f i b u si si ni t se m b r y o n i cs t a g ei nt h ea p p l i c a t i o no fc n c s y s t e mt h o u g hi th a sb e e n w i d e l yu s e di no t h e ra r e a so fa u t o m a t i o n p r o f i b u s d pi sn o ts p e c i f l c a lf o rac n cs y s t e m ，s ow e p r o p o s ef u r t h e rd e s i g na n dt r a n s f o r m a t i o nb a s e do ni t so w nc h a r a c t e r i s t i c s as e to fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ti sd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc n c s y s t e ma p p l i c a t i o n 3 an e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep r o f i b u s - d pi sd e v e l o p e dt oc o n t r o lt h e l a s e re n g r a v i n gm a c h i n e ，r o b o ta n na n dw a r e h o u s ee q u i p m e n t , w h i c hn e e d sm u t u a lm i s s i o n c o n t r o la n dc o o p e r a t i o nc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，r e m o t ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d t oe n a b l et h eo p e r a t o rt os e er e a l - t i m ev i d e oo fr e m o t ee q u i p m e n ta n di t sm o v i n g ，t h e y c o n s t i t u t eam o d e lo ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，w h i c hc o m p l e t e st h e p r o c e s s i n go f f e t c h i n gt h er a wm a t e r i a l sf r o mw a r e h o u s e ，p r o c e s s i n go nt h e mb yt h ec n ce q u i p m e n t s ，a n d r e s t o r i n gt h e mb a c kt ot h ew a r e h o u s e 4 f i n a l l y , s u m m a r i z et h ep a p e ra n dp u tf o r w a r ds o m ef u r t h e rs t u d yp r o s p e c t k e y w o r d s ：p r o f i b u s - d p , n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n , r e m o t ev i d e om o n i t o r i n g i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 玺邑日期：p 叼年j 月) 日 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，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。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：；茸邑日期：m 9 年r 月 ，日 导师签名乏皇夕了厶 日期： 年 i 月) 日 浙江工业大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 早期的开放式数控系统基本没有联网能力。在传统的本地制造模式下，数控加工设备 往往需要由操作工人完成上下料、加工文件载入、各项加工参数的设置、开始停止加工等 各步工序才能完成加工周期，由一个工人控制多台加工设备十分困难，如果各台机床放置 在不同的地方，工人需要不断的走动和更换位置来控制多台机床，劳动强度非常大、效率 低且可靠性不高。随着生产规模的扩大，数控机床的数量不断增加，通过网络由主监控计 算机远程控制数台机床加工已经成了节约人力资源开支、提高生产效率和自动化程度、优 化企业资源配置、实现企业快速响应的有效手段；同时随着科技实力的不断提升，安全生 产要求也在不断提高，人们希望能在一些如煤矿开采、深海勘探、激光加工等比较危险的 环境中提高自动化生产能力，最终实现现场无人化、远程控制生产的模式。要实现数控设 备的网络化远程控制，就必须通过一种网络来连接各台数控设备、传递数控命令、实时发 送、及时反馈，构成一个网络数控系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种适用于工业现场控制的计算机专用网络系统，它通过一条通 信电缆可将控制设备与生产现场的智能终端进行连接，使企业信息的控制一直延伸到生产 现场。现场总线采用全数字式通信，具有开放式、全分布、可互操作性等特点，形成从测控 设备到操控计算机的全数字通信网络。国内的现场总线大部分都是p r o f i b u s 总线， p r o f i b u s - d p 是一种经过优化的高速通信连接，实时性强，可靠性好，在工业加工现场应用 十分广泛，能够满足工业现场实时传递、可靠传输、及时反馈、安全生产的各种要求，因 此本课题采用p r o f i b u s - d p 网络系统来构建网络控制系统，模拟工业加工现场。引入新型 的基于p r o f i b u s 的网络化制造模式之后，各台加工设备不论放置在何处，都可以通过 p r o f i b u s 网线将设备连接到主站服务器端，工人需要完成的众多工序中的绝大部分都可以 在主站服务器端完成，极大地降低操作工人的劳动强度，减小工人因工序复杂和不断变换 加工设备而产生错误的概率，使得工人通过主站能够很容易地控制多台加工设备。网络数 控系统能够实现由主监控计算机远程控制数台设备的加工及协作，能够节约人力资源开 支、提高生产效率和自动化程度、优化企业资源配置、实现企业快速响应；另外通过引入 一l 一 浙江工业大学硕士学位论文 p r o f i b u s 网络，操作员可远程控制加工过程，使操作员远离某些危险的加工现场，如煤矿 开采、深海勘探、激光加工等比较危险的环境中，提高自动化生产能力，最终实现现场无 人值守的生产模式，提高生产安全性，保证工人的生命安全，把工人从繁重的劳动中解脱 出来。在工业现代化程度不断提高的现在和未来具有十分重要的研究价值。 1 2 网络数控系统及其研究现状 自从1 9 5 2 年由麻省理工学院研制出世界上的第一台数控机床以来，数控系统得到了 很大的发展，其中较有代表性的有美国的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r 下一代控制 器) 和o m a c 1 ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 计划，欧盟的o s a c a 2 ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ec 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 ) 计划，和日本的o s e c 3 ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划，f a n u c 、i n d r a m a t 、r o b e r tb o s c h 、s i e m e n s 等公司生产了 众多的商用c n c 系统【4 】。近1 0 年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机被应用到各个 领域之中，在制造领域出现了c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c n c ( 计算机数控) 等众多计算机辅助技术【5 1 。 数控系统的核心技术是运动控制技术。运动控制器作为运动控制的核心部件，是以中 央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号元件，以电机动力装置和执行单元为控制对象的 一种控制装置。随着技术的进步，运动控制器已经发展到了基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。开放式运动控制器系统的研究开始于1 9 8 7 年，目 前通用运动控制器主要包括【6 】： 1 ) 以单片机或微处理器为核心的运动控制器。这类运动控制器主要应用于一些低速 点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制及单轴简单运动的场合。 2 ) 以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器。这类运动控制器结构比较简 单，通常只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式，不能满足多轴协调运动和高速轨迹插 补控制的要求。 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。这类开放 式运动控制器以d s p 和f p g a 芯片作为运动控制器的核心，以p c 机作为信息处理平台， 通过将运动控制器以插卡形式嵌入p c 机实现将p c 机的强大的信息处理能力和开放式的特 点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合，使得控制系统具有更强的信息处理能 力、更准确的运动轨迹控制能力、更高的开放程度和通用性。 此外，还有一些在w i n d o w s 平台和其它操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核 浙江工业大学硕士学位论文 开发所需要的控制功能的软件型开放式运动控制系统，如文献【7 】中介绍的。 网络数控系统( n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 是随着网络技术的发展出现的新技 术应用。常见的网络数控系统是建立在在通用数控系统的基础之上，主要有以下三种联网 方式【阳： 1 ) 通过串行通信接口联网 早期的数控机床一般只配备了r s 2 3 2 串口，通过串口实现加工程序和参数的传递。这 类数控系统一般通过串口转接口将数控机床转接入局域网，然后由监控计算机通过串口和 数控系统通信，实现数控程序的分配：同时通过局域网和其他计算机通信，实现生产调度。 如张良等 9 1 利用串口服务器将具备标准串口通讯的数控设备连入d n c 网络，实现对数控机 床的分布式控制和集中管理。 2 ) 通过以太网联网 以太网( e t h e n e t ) 为代表的局域网技术己十分成熟，除了在办公自动化领域得到广泛使 用之外，在工业控制领域也有不少应用。如任强等【1 0 1 采用基于m f c 的w m d o w ss o c k e t 网 络编程技术开发基于w i n d o w s 平台的开放式数控系统网络监控软件。此外，还有研究者尝 试将以太网应用到工厂自动化系统( f a c t o r ya u t o m a t i o ns y s t e m s ) 的底层设备层，由于以 太网上实时性协议的匮乏，也有研究者如s v i t t u r i 1 1 】把专用网络中的p r o f i b u s d p 协议引入 到以太网中，达到一定的实时性能。德国西门子公司2 0 0 1 年发布了一种新的以太网通讯 协议规范p r o f i n e t 1 2 1 。p r o f m e t 的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的t c p i p 数据。 3 ) 通过现场总线网络联网 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种适用于工业现场控制的计算机专用网络系统。它通过一条 通信电缆将控制设备与生产现场的智能终端连接起来，使企业信息的控制一直延伸到生产 现场。现场总线采用全数字式通信，具有开放式、全分布、可互操作性等特点，形成从测 控设备到控制计算机的全数字通信网络。 通过串口进行的联网方式通讯速度比较慢，一般只有9 6 0 0 b i t s ，该方式适合于将早期 的一些数控机床产品连入网内，进行有限的通讯和控制，不太适合现在要求传送大量数控 代码和实时信息的新机床；以太网是为了传送大批量数据文件而设计的，在将来或许也会 成为工厂自动化中的一种重要网络，但是在目前状况下，以太网的实时性和可靠性仍不够 高，并不适用于现场级的控制网络，而比较适合于完成传输信息量大、实时性要求一般的 企业生产计划、调度管理、c a d c a m 数据传输、远程监控等任务。现场总线实时性强， 浙江工业大学硕士学位论文 可靠性好，在工业加工现场应用十分广泛，能够满足工业现场加工实时可靠传递数据、实 时反馈、安全生产的各种要求。随着各种网络的发展，也有些应用将两种或三种网络互联 起来，如文献 1 3 】中提出了一种将p r o f i b u s 网络和a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步 传输网络) 通过透明桥接互联起来的方法，用于解决p r o f i b u s 应用到远距离c i m ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机集成制造) 环境时单个分段距离有限，需要多分段的局限。 1 2 1国外网络数控系统研究现状 在网络数控系统的研究上，世界上一些著名的数控系统公司都相继推出了具有网络集 成能力和一定智能化水平的控制系统，通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远 程加工程序传输、远程诊断和远程维修等服务，并提高机床生产率。如日本大隈( o k n m a ) 机床公司的 i tp l a z a ( 信息技术广场，简称i t 广场 ) 、日本m a z a k ( 1 j j 崎) 公司的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ( 智能生产控制中心，简称c p c ) 、g ef a n u c 公司的“o p e nf a c t o r yc n c ”( 开 放工厂c n c ) 以及s i e m e n s 公司的“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) 等。 1 2 2 国内网络数控系统发展现状 经过”九五、十五”国家科技攻关与”8 6 3 ”数控产业化项目0 4 1 ，我国形成了数控车床、 数控铣床和加工中心的产业化基地，所生产的普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面 已具备了较强的市场竞争力。但在高档数控机床方面与国外相比还属技术跟踪阶段。大中 型加工中心的主要技术指标、效率、精度和可靠性方面均有一定的差距。 在网络数控系统的研究上，1 9 9 9 年华中数控股份有限公司率先在北京国际机床博览会 上推出了网络数控系统原型机，实现了通过i n t r a n e t 远程控制异地数控机床；同年北京航 空航天大学与北京市机电研究院合作，展出了基于p c 计算机和光纤数字通讯伺服技术 ( s e i 配o s ) 的开放式数控系统，通过光纤同时控制1 - - - 8 台机床上的5 0 个伺服进给轴和 伺服主轴。现在国内能够自主研发开放式运动控制器的有深圳摩信科技有限公司、深圳固 高科技有限公司和电子科技大学联合长沙力鼎科技等。近年来，随着运动控制技术的不断 进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业 领域接受。一些高等院校、研究所也参与到开发以运动控制器为核心的开放式运动控制系 统中来。 1 3 现场总线及其研究现状 现场总线控制系统技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的崭新的工业控制技 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 术，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，是一种 串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线控制系统( f c s ) 的出现引起了传统的p l c 和d c s 控制系统基本结构的革命性变化。 1 3 1 传统控制系统与现场总线控制系统 在传统的控制系统中，控制器与现场设备之间靠i o 连线连接，传送4 - - - ，2 0 m a 模拟量 信号或2 4 v d c 等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大 量的数据如设备参数及故障纪录等数据很难得到；除现场设备均靠标准4 - - - 2 0 m a 2 4 v d c 连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换 性，因此可集成性差。对于大范围的分布式系统，大量的i o 电缆的铺设施工，不仅增加 成本，也增加了系统的不可靠性。 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可 使用一条通信电缆将现场设备( 智能化、带有通信接口) 连接起来，用数字化通信代替4 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 采用基于现场总线的自动化监控及信息集成系统具有以下优点【1 5 - 1 9 】： 1 ) 增强了现场级信息集成能力 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。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 ) 开放式、互操作性、互换性、可集成性 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。系统为开放式，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 ) 系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统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。 4 ) 降低了系统及工程成本 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、i o 模块及电缆敷设工 一5 一 浙江工业大学硕士学位论文 程费用，降低了系统及工程成本。 1 3 2 现场总线种类 目前，国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。由于各方的利益相争，现场总 线始终未能达成全球唯一的标准，在1 9 9 9 年年底，经过有关各方的共同努力和协商妥协， 经过修改后加入c o n t r o ln e t 等8 种协议的i e c 6 1 1 5 8 国际标准已经正式获得通过【2 0 】，分别 是c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 、p r o f i b u s ( 德国s i e m e n s 公司支持) 、p - n e t ( 丹 麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、h s e ( 美国f i s h e rr o s e m o u n t 公司支持) 、 s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) 、w o r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) 和i n t e r b u s ( 德国p h o e n i x c o n t a c t 公司支持) ，各种总线在传输媒介、最大速度、冲突处理技术方面均有所不同。 在发达国家，现场总线技术从2 0 世纪8 0 年代开始出现并逐步推广到现在，已经被工 业控制领域广泛应用。2 0 0 2 年欧洲有4 0 的自动化工程项目采用了现场总线控制系统。 在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，比如几乎所有外资汽车生产企业 都有使用现场总线的生产线。啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量 使用现场总线【2 1 1 ，一些市政工程也开始使用现场总线。在中国，2 0 世纪9 0 年中后期引入 现场总线，至今在技术概念上已被广泛接受，用户群和使用面迅速增加和扩大，许多自动 化项目把现场总线控制作为选择方案之一，还有不少本土化的现场总线产品出现，并迅速 得以产业化。 目前国内的现场总线大部分都是p r o f i b u s 总线，应用主要集中在冶金、电力、水处理、 乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及o e m 用户等各个行业 2 2 - 2 5 1 ，同时还有道路无人 监控、楼宇自动化、智能家居、无线等新技术领域，也有学者将p r o f i b u s 应用到无线移动 环境下的实时通讯中去【2 6 】，很多高校【2 7 1 【2 8 】作为产业创新的先头基地也在积极地开展与 p r o f i b u s 相关的研究。 2 0 0 6 年1 1 月，全国工业过程测量和控制标准化技术委员会和中国机电一体化技术应 用协会在北京联合举行了“国家标准g b t2 0 5 4 0 - - - 2 0 0 6p r o f i b u s 规范”和“国家标准化指 导性技术文件g b z2 0 5 4 1 - - 2 0 0 6p r o f i n e t 规范”的新闻发布会，p r o f i b u s 成为中国第 一个工业通讯领域现场总线技术国家标准。 1 3 3p r o f i b u s 总线及其研究现状 p r o f i b u s 是1 9 8 7 年德国联邦科技部集中了1 3 家公司的5 个研究所的力量，按i s o o s i 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 参考模型制订的现场总线的德国国家标准，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。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他 领域自动化。其主要支持者是德国西门子公司，并于1 9 9 1 年4 月在德国国家标准d i n l 9 2 4 5 中发表，正式成为德国标准。之后于1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的第2 卷。 1 9 9 9 年经过该阵营的不懈努力，p r o f i b u s 又作为i e c 6 1 1 5 8 标准的一部分成了国际性的标准。 p r o f i b u s 协议由三个兼容部分组成 2 9 铡，即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 ) 、 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 ) 、p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。p r o f i b u s - d p 是一种经过优化的高速和廉价的通信连接，是专门为自动控制系统与分散的i o 设备之间进 行通信而设计的。p r o f i b u s p a ( 过程自动化) ，专门为过程自动化而设计的现场总线，可使 传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。p r o f i b u s - f m s ( 现场总线消息规 范) 用来解决车间级通用性通信任务。 1 4 论文的主要工作与结构 本课题构建了一套基于p r o f i b u s d p 的网络数控软硬件系统来连接激光雕刻机、机械 臂、立体仓库等数控设备，通过对网络数控系统的实时性、可靠性、效率、安全性等各方 面的研究来探究网络数控系统给传统本地化制造模式带来的巨大的变革。论文结构如下： 第l 章绪论。首先介绍了课题背景和研究意义，通过查阅大量文献资料，总结网络 数控系统和p r o f i b u s d p 现场总线的发展过程和研究现状，提出本论文的研究课题基于 p r o f i b u s o d p 的网络数控系统的研究与应用。 第2 章基于p r o f i b u s d p 的网络数控系统硬件。首先对网络数控系统中的设备激光雕 刻机、机械臂、立体仓库、运动控制系统、p r o f i b u s - d p 网络通讯系统、远程视频监控系统 组成进行了描述，引入p r o f i b u s d p 现场总线网络将独立的数控设备联网起来相互协作、 统一管理，依照生产现场常见的自动化制造模式，构筑基于p r o f i b u s d p 总线的网络数控 系统，并利用p c 机和以太网平台建立了远程视频监控系统来完善网络数控系统的功能。 第3 章基于p r o f i b u s d p 的网络数控系统软件设计。提出了一套基于p r o f i b u s d p 网 络、可以应用于远程数控系统的通讯方案，利用多个线程实现网络数控系统在网络通讯、 运动控制、状态显示和伺服控制等方面的多任务需求，并利用多线程同步技术控制系统对 网络通讯控制器和运动控制器的互斥访问，利用事件对象和事件触发机制控制多线程之间 的协作，并达到数控系统需要的高实时性和有序控制性要求。最后通过网络延时实验和网 络负载实验来测试该网络数控系统的性能。 浙江工业大学硕士学位论文 第4 章p r o f i b u s d p 网络控制系统的应用。实现了一套基于p r o f i b u s d p 的网络数控系 统，其中包括激光雕刻机控制系统、机械臂控制系统、立体仓库控制系统，分别用于远程 控制激光雕刻机的加工、机械臂上下料和立体仓库的存储工作以及各个设备之间的协作。 研究并实现了基于p r o f i b u s d p 网络和以太网双网的实时反馈监测系统和远程视频监视系 统，用来实时监测从站各数控设备的状态和加工情况。 第5 章总结本文工作，展望网络数控系统发展。 浙江】：业大学硕士学位论文 第2 章基于p r o f i b u s d p 的网络数控系统硬件 2 1 引言 网络数控系统的联网可以通过串口通讯方式、以太网方式和现场总线等各种方式实 现，由于串口通讯方式和以太网本身的局限限制了应用，现场总线比较适合于网络数控系 统的应用需求。现场总线中又包括了上百种协议规范其中c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、 f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、h s e 、s w i f tn e t 、w o d d f i p 和i n t e r b u s 等8 种现场总线是1 e c 6 1 1 5 8 国际标准指定的协议规范。各种总线在传输媒介、虽大速度、冲突处理技术方面均有不同。 p r o f i b 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，具有很高的实时 性和可靠性，可以满足工厂自动化底层设备层的要求，广泛应用于制造业自动化、流程工 业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域中。因此，本课题采用p r o f i b u s - d p 网络作为激 光雕刻机、机械臂、立体仓库的联网方式。 图2 - i 网络数控系统构架图 9 浙江工业大学硕士学位论文 本课题中的网络数控系统是在浙江工业大学机电学院教育部重点实验室先进制造技 术与装备实验室中构建的，包括了激光雕刻机、机械臂、立体仓库等数控设备；p r o f i b u s d p 网卡、以太网卡、屏蔽双绞线等网络设备；光电编码器、光学限位传感器等反馈器件和视 频采集和传输系统。整个系统的网络构架如图2 1 所示，系统由p r o f i b u s d p 网络和以太网 两层网络进行连接，p r o f i b u s d p 网络主要用于实时性、可靠性要求较高的数控指令和传感 器反馈参数的传递，以太网主要用于数控加工文件的传递和远程监控视频信号的传输。 课题中构建了包含激光雕刻机网络控制系统、机械臂网络控制系统、立体仓库网络控 制系统和远程视频监控系统的网络数控系统，如图2 2 所示。该系统构造了一个模拟工业 生产的柔性制造生产线，立体仓库通过仓库小车将原材料送至交换台，通过传送带将材料 送至激光雕刻机附近，利用机械臂将材料放置到激光雕刻机加工平台，待激光加工完成后， 机械臂又将成品从激光雕刻机上取下放置到传送带上，传至立体仓库后又通过仓库小车， 将成品入库。 图2 - 2p r o f i b u s d p 系统模块图 2 2 数控系统硬件架构 本课题中的激光雕刻机、机械臂和立体仓库，均是以运动控制器为控制核心，以p c 机作为信息处理平台的系统，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，这样将p c 机的信息处理 能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理 能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。 一l o 浙江工业大学硕士学位论文 2 , 21 数控系统硬件结构 如图2 - 3 所示一般的数控系统都采用图中所示的控制结构，系统通过安装在p c 机 上的运动控制器经过端口扩展板和伺服驱动器之后向电机发送脉冲信号来控制电机的转 动电机又通过齿轮或者滚珠丝杠等传动设备将电机的转动运动转变为控制轴的转动或者 直线运动，同时运动控制卡上一般还配备了专用的输入口和通用的输入输出口，专用的输 入i o 口包括控制轴限位信号、控制轴原点信号等，通用的i o 输入口可以连接外部开关量 电压，通过查询1 0 输入点的数值可以获知外部丌关量的状态，通用的1 0 输出口可以提供 + 1 2 v + 2 4 v 的电压，可以连接一些通过开关量电压控制的数控装置，比如机械臂的抓手、 檄光的开关等等通过控制i o 输出点的值来控制外部开关量的开闭状态。 圈2 - 3 数控系统连线图 2 22 数控平台 数控平台则会根据不同的应用需求而由不同的机械装置组成。本课题中的激光雕刻机 平台、机械臂和立体仓库装置也各有不同。 激光雕刻机平台如图2 _ 4 所示，一个c o ，激光发生器安装在切割台的背后，通过两个 有特定安装角度的反射镜将激光反射到平台工作区域中来，再通过第三个反射镜把原本平 行于工作台平面的激光垂直投射入工作台平面，虽后通过一个聚焦镜片将入射的激光束聚 焦到一点，集中激光能量并提高激光加工精度。第三个反射镜和聚焦镜头安装在x y 工作 l l 浙江工业大学硕士学位论文 架上，可以随着x 、y 轴的运动在整个工作平台上进行运动，系统再通过控制第三个轴的 信号控制激光的开关，进行材料的切割和雕刻控制。 图2 - 4 激光雕刻机工作平台图 机械臂则由三个转动关节、一个上升下降关节和一个手爪构成，分别由伺服电机和开 关电压来控制，是一个模拟人体手臂的机器人，将会在后续章节中进一步介绍。 立体仓储系统是实现制造自动化和物流自动化系统的必备子系统。由货架、堆垛机、 交换台组成。 2 2 3 伺服驱动器和电机 伺服驱动箱是连接运动控制卡和数控平台的重要设备，它的内部一般安装了直流或者 交流伺服驱动器，如图2 5 所示。 伺服驱动器可以将从运动控制卡发送下来的指令转变成模拟电压或者数字脉冲信号 发送给电机，电机又通过丝杠或者齿轮等传动设备带动负载轴的运动；伺服驱动箱中一般 还安装了运动控制卡附带的接线端子板，可以将从数控设备终端传感设备获取到的设备状 态信号传递给运动控制卡，如光电限位控制开关、光电式电机编码器( 图2 4 中电机后半 部分) 等。 浙江工业大学硕士学位论文 幽2 - 5 交流伺服驱动器和电机 2 24 运动控制卡 本课凰中的激光雕刻机上安装了固高公司生产的o e 3 0 0 s v 激光运动控制卡，机械臂 和立体仓库系统中安装了g t - 4 0 0 - s g 运动控制卡，运动控制卡的外观如图2 6 所示。运动 控制卡核心由d s p 和f p g a 组成，可实现多轴协调运动和高速的点位运动，适用于机器人、 数控机床、印刷机械、装配生产线和激光加工设备等。 图2 - 6 运动控制卡外观 运动控制卡安装在工业控制p c 机的标准p c i 插槽中，外接专用的接线端子板，用于 运动控制轴、激光开关的信号输出和手动运动控制信号、专用信号的输入等，如图2 7 所 示。c n 5 、c n 6 两个控制轴接口分别连接了x 、y 两个轴方向的伺服驱动器，用于控制x y 两轴的运动，使激光头可以在整个工作平台上移动；c n 8 控制接口连接，激光发生器， 用于控制激光的能量大小和激光的开关；c n l 3 通用1 0 输入接口连接激光控制台的手动运 动控制信号线用于手动控制激光轴的位置；c n l 2 专用i o 输入接口连接其他的限位和 h o m e 专用信号线。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 7 运动控制卡扩展板接口图 2 3p r o f i b u s d p 网络通讯系统 为把相互独立的数控设备联系起来，相互协作、统一管理，引入了p r o f i b u s d p 网络 通讯系统，将激光雕刻机、机械臂和立体仓库三个设备连接到一起。p r o f i b u s d p 网络由安 装在工控机上的m a s t e r 主卡和安装在从站数控设备上位工控机上的s l a v e r 从卡作为联网设 备组网而成。 2 3 1网络数控系统中的p r o f i b u s 站点 p r o f i b u s d p 各站点如图2 8 所示，由一个p r o f i b u s 主站控制端和激光雕刻机、机械臂、 立体仓库三个p r o f i b u s 从站组成。 p r o f i b u s 主站端是一台配备了p r o f i b u s - d p 主卡的工业控制p c 机，p r o f i b u s 从站端工 业控制p c 机上不仅安装了用于通讯的p r o f i b u s d p 从卡，而且还安装了控制数控设备的运 动控制卡，同时由于系统中还有一套远程视频监控系统，因此p r o f i b u s 主站端和从站端工 控机上还安装有用于以太网通讯的网卡，由于一块视频采集卡可以处理多路输入视频信 号，因此仅在一个从站安装了视频采集卡。 浙江l