（材料加工工程专业论文）基于rs485网络的控制系统研究.pdf

两南交通大学硕士研究生举位论文 第1 页 摘要 基予r s 一4 8 5 瓣终静微机控制系统是在对实际系统进行分析的基獭上 应用自动控制技术、计算机技术、网络技术开发的用于加工控制的自动化 控制系绫。整个系统浆梭予r s 一4 8 5 网络体系绩李每，逶过鼹终的传竣，实 。， 现一台计算视同时懿控多个工侔站点的工作状态，每个站点可独立进行工 作，互不干扰。 诗簿援遗过窜符缓誓霸r s 4 8 5 瓣绦连绥，嚣终上援羧1 8 令a d a m 模块，每个模块和个单片机相逡。通过单片机实现对工作过程的数据采 集，并通过网络将数据传送给主机，主机根据梭测的数据作出相应的处理， 势涛控麓指令通过瓣绦传送给单跨褪来实臻对镶个系统熬簸控。 经过实际运用表明，本系统软硬件设计合理，性能稳定，可靠性离， 操作简举。具有广阔的推广应用价俊。 【关键词】( r s ，4 8 矿 a d a m 模块自动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 一一一 a b s t r a c t t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nr s 一4 8 5i s a na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mu s e d f o r p r o c e s s i n g a u t o m a t i o n t h et e s t i n gs y s t e m ，b a s e d o nt h e a n a l y s i so f t h ea c t u a ls y s t e m ，i sd e v e l o p e df r o mt h ea p p l i c a t i o no f a u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dn e t w o r kt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t t h ew h o l es y s t e m ，t h r o u g ht h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，m o n i t o ra n dc o n t r o l m a n yw o r k s t a t i o n ss i m u l t a n e o u s l yc o n t r o l l e db yo n ec o m p u t e rw h e r e a se a c h s t a t i o nc a np e r f o r mt e s t i n gi n d e p e n d e n t l ya n dd o s en o t i n t e r f e r ew i t he a c h o t h e r t h ec o m p u t e ri sc o n n e c t e dt or s 一4 8 5n e t w o r kt h r o u g ht h ec o m p o r t 18 a d a mm o d u l e s ，e a c ho fw h i c hi sc o n n e c t e dt os c m ，a r ec o n n e c t e dt ot h e n e t w o r k t h ep r o c e s so ft e s t i n gi sa c h i e v e da sf o l l o w s ：t h es c mp e r f o r m st h e t a s ko fd a t ac o l l e c t i o nf o rt h ep r o c e s so ft e s t i n g ，t h en e t w o r kt r a n s m i t st h e d a t at ot h ec o m p u t e r ，t h ec o m p u t e rr e a c t sc o r r e s p o n d i n g l yt ot h ed a t aa n d t r a n s m i t sc o n t r o li n s t r u c t i o n st ot h es c mt h r o u g ht h en e t w o r k t h es i t ec o m m i s s i o n i n gs h o w st h a tt h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yt h e r e a s o n a b l ed e s i g n ，s t a b l 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 ds i m p l eo p e r a t i o n f o ri t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n da sar e s u l t ，i th a sg r e a tv a l u eo f a p p l i c a t i o n a n dp o p u l a r i z a t i o n 【k e yw o r d s 】r s 一4 8 5 a d a mm o d u l ea u t o m a t i cc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 计算机技术、自动化技术和通信技术是现代信息科学技术的重要组成 部分，是现代科学技术中的核- i l , 先导技术。计算机控制是计算机技术与自 动控制理论及自动化技术紧密结合并应用于实际的结果。它的应用领域非 常广泛，不但是国防、航天航空、导弹等高精尖学科必不可少的组成部分， 而且在热加工行业、铁路的现代化改造过程当中也发挥着重要作用。 九十年代高性能计算机、网络技术及多媒体技术的发展，使计算机应 用向网络化、综合化、集成化、智能化发展，使自动控制技术更广泛地应 用于工业、交通等各行各业 5 , 6 1 。设计自动化、生产自动化、经营管理自 动化进一步发展和相互渗透与结合，形成管理控制一体化系统。 随着自动控制技术的发展及其在工程中的广泛应用，控制系统越来越 复杂，一个系统往往由分散目标监控系统、数据采集系统、智能仪表等几 部分组成，它们之间存在着长距离通信的问题i 。串行通信作为一种简单、 廉价的通信方式在自动控制工程中广泛应用。正是基于这一背景，r s 一4 8 5 总线型网络控制系统得到了推广与发展。 随着中国加入w t o ，中国正逐渐成为世界加工中一1 2 , ，而热加工作为 一种加工手段，在其中所扮演的角色至关重要。目前我国整个热加工行业 的自动化程度还很低，大多数的设备目前还是采用原始的控制方式，在加 工过程中很多操作由手工完成，工作效率低且生产误差大，人为影响因素 多，严重影响了产品的精度和质量。生产过程中的数据几乎没有记录，即 使有记录，其数据的记录、报送、管理也都是手工填写，纸张化作业，人 工传送的方式，这使得以后数据的检查，存档极不方便。为解决这一问题， 我们提出了研发计算机控制的集中控制系统。要求其可同时监控多个单元 西南交遴夹学磙士磷究生学位谂交 第2 菱 的工作过程，每个单元的工作按“集中控制、独立操作”的方式进行。各 蠡狻立操俸，至不予魏。 基于上述情况，根据圈内现有的条件，针对系统要求为“多单元、远 躐离”这一特点，按照提府生产效率、试验数据准确、系统操作简单的原 鲻设诗了基予r s 一4 8 5 隧终豹徽狡控翻系统。 使用基于r s 一4 8 5 网络的微机控制系统，可实现工作过程的自动化， 降低了操作人奠的劳动强魔；工作过稷结果由计算机自动判断，降低了误 麓及人为予貔因素；工佟过程数据鑫秘傈存在计算秽内，随时可供查诲、 打印，还可以通过网络上传至上级部门，以备检查、存档。所以微机控制 的基予r s 一4 8 5n 络的控制系统具有极大螅开发识究徐蘧。 耀素窝淹夹攀疆士磷究玺鬻位涂交 嚣3 黄 第五章r s 一4 8 5 察行道信 第一节警稽逢信 诗葵搬辅黯壹麓忿爨壤在大蘩暴惩懿签羧方戎，蓑壤麓攀麓嚣爨转送 方式裁蹩捷爆宰嚣瀵痿。r s 一2 3 2 串行遗缤波螽戆使震琶获为蛰逮，蘧蓑 时代的遴步以及硬件开发的集成化、简单化，同属串行通信的r s 一4 8 5 网 缝大萋纛溪予_ i 鼗秘浚孛，囊长鞭鸯、捷噪声戆谯点迄嫠獒褥到邋猛发爱。 侍么器通信? 麓肇瓣说，逶稼裁怒褥个人之麓的海遴，墩可以说蹩鼹 个设备之间的数据交换。人类之间的通信使用诸如电话、书信等工具进行， 掰设备之弱蛹邋整辩麓簌爝邀譬号。簸罄臻戆德号簧遂赣蹩便溺邀嚣麴改 蜜来达爨表示不褥状态鹣疆鹃。黻计算橇为铡，麓电位代表r 一种状态， 箍低电像代表了另一种状怒，在缀合了缀多的电健状态后就形成了魂鞘t 设 餐之阕秘数摄交获i 4 j 。 最简荦的传送方式，就蹩条信号线路采传邀电压的变化丽达到传送 信息的黯的，只要准螽沟邂的双方蜜先定义好什么样的状态代裘侍么榉的 惑憨，郄么通过这一条线藏霹拨莰双方遴荐数据交狡。 在计蘑机内部，所有的数据都是使用位米存储的，每一位都是电位的 一个状态诗簿极中以0 、l 表承) ；嚣舞规魂部健掰组合在一怒戆8 燕代 裘辑缱惩瓣字符、数字及一些符号，爨鼹0 1 0 0 0 0 1 靛霞袭一个字符。一 般来说，必须传递这必数字或符号才能算是数据交换，如粲象上面所讨论 瀚使爱一条线鼹寒赞递蘩惫骜谣，8 个位藕努须焱绫鼹羔浅续变亿8 个状 态方葬怒完成一令字符豹传递。邃释一次其薅遴个位翡方法麓楚率符逶 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 信；换个角度讲，如果我们可以使用多条线路来传递数据，这些位就可以 更快一点传送完毕，并行传输使用了8 条信号线将一个字符全部传送完毕， 其速度理论上是串行通信的8 倍，例如打印机端口就是一个典型的例子。 串行通信以r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 为代表，二者各有其应用领域，使用范 畴也不尽相同，但二者却都属于串行通信的方法，以下介绍这两种方法。 一、 r s 一2 3 2 串行通信端口( s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t ) 在系统控制的范畴中一直 扮演着极其重要的角色，随着技术的发展，在规格上越来越先进，应用也 越来越广泛。串行通信端口( r s 一2 3 2 ) 是计算机上的标准配置，用途上则 以连接调制解调器来传输数据最为常见。 r s 一2 3 2 通信端口是每台计算机上的标准配置，通常有c o m l 与c o m 2 两个端口，均以9 引脚的接头接出。最早的串行端口是专门用来和调制解 调器连接的，因此它的各个引脚的定义也和调制解调器有关，每个引脚有 专门的电气定义。技术发展到今天，很多其它的设备也是通过r s 一2 3 2 和 计算机进行连接，因此只要合理利用各个引脚，计算机就可以方便的和各 个设备进行数据传输或联机控制了。 通常和计算机连接的设备，最简单的通信接口就是r s 一2 3 2 ，不仅操 作简单，而且价格也便宜。在市面上可以见到的数码相机、调制解调器等 很多都是使用r s 一2 3 2 作为与计算机通信的接口。 串行端口的状态或数值是通过一连串的电压变化而得到的，串行芯片 将电压信号作处理后变成了用户可以了解的各个状态或信息。 i t u ( 国际电气通信协会) 咨询机构c c i t t ( 国际通信电话咨询委员会) 公布了r s 一2 3 2 规范，之后该规范由e i a ( 美国电子工业协会) 制定。很多 匿赢窝避犬掌磺惫戮究玺拳霞论文 第5 赛 围家都依此为模板。在r s 一2 3 2 的规范中，电压在+ 3 v “+ 1 5 v 之间为0 ，一 般被熏为“o n ”。泡压程一3 v 一一1 5 v 之麓为l ，一般被麓鸯“o f f ”。 计算机上的r s 一2 3 2 常常被用来与调制解调嚣连接，而脚位的定义也 是依据和调制解调器的交妹连接而制定的。9 支管脚的定义如表2 1 所示 表2 1r s 一2 3 2 管鬓定义 管脚 简写意义 |pin1 c d 载波检查 p i n2r x d 接收字符 p i n3 t x b 传送字符 p i n4d t r 数据端就绪 p i n5 g n d 地线 p i n6d 8 r 数据就绪 p i n7 r 尘s 凝求传送 p i n8c t s 清除传送 p i n9r i 响铃检测 二、r s 一4 8 5 出于串行通信豹筒单易用，在工业上广泛使用串符蘧倍作为数据交换 的手段；可怒工韭环境通常会有噪声千抗传输线路，在用r s 一2 3 2 作传输 时经常会受到外界的电气干扰而使信号发生错误；此外r s 一2 3 2 的最大距 离疰不熬缓冲器鲍壤提下只有i 5 米。为了瑟决上述阉题，r s 一4 8 5 戆逶绩 方式就产生了。 图2 - 1r s - 2 3 2 的信号传输模式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 r s 一2 3 2 的信号传输模式如图2 一l 所示 由图中可知，r s 一2 3 2 的信号标准是参考地线来的，传输端参考接地 端来传送数据；接收端则参考接地端来还原出传输端的信号：在两个接地 端同电位的情况下，传输端与接收端的信号会呈现出相同的结果。如果有 噪声进入到传输线路的话，可能会产生干扰，如图2 2 所示： 图2 - 2 r s 一2 32 信号与噪声 干扰信号在地线和信号上均会产生影响，原始信号在加上于扰信号后 依然传送到接收端；而地线的信号则被地电位给抵消掉了，因此，信号便 发生了扭曲，当然整个信号就不对了。 而r s 一4 8 5 的信号传输方式如图2 3 所示： 图2 - 3 r s 。4 8 5 信号传输模式 r s 一4 8 5 的信号在传送出去之前先分解成正负的两条线路，当到达接 收端后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原来的信号标注为( d t ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 而被分解后的信号分别标注为( d + ) 和( d 一) ，则原始信号与分解后的信 号在传输端传送出去时的运算关系如下： ( d t ) = ( d + ) 一( d 一) 同样地，接收端在接收到信号后，也按上述的关系将信号还原为原来 的样子。而如果线路受到干扰，其情况可能如图2 4 所示： 图2 4r s - 2 3 2 信号与噪声 这时候在两条传输线上的信号也会分别成为( d + ) + n o i s e 和( d 一) + n o i s e ，如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，合成 的方程式如下： ( d t ) = ( d + ) + n o i s e 】一 ( d 一) + n o i s e 此方程式与前一方程式的结果是一样的。 所以使用r s 一4 8 5 网络可以有效地防止噪声干扰，也正因为这种特性， 工业上比较适合使用这种串行传输方式2 1 。 三、工作模式 通信是由双方的数据相互交换所形成，而交换当然是借助一定的线路 来达到。计算机在进行数据的传送和接收时，传输线上的数据流动情况( 也 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 就是线上两端的沟通) 可以分成3 种情况( 如图2 - 5 所示) ；当线上的数 据流动只有一个方向时，称为“单工”，相当于“单行道”；当数据流动的 方向为双向，但同一时间只能一个方向行进，称为“半双工”( h a l f d u p l e x ) ，相当于“调拨车道”；当同时具有两个方向的传输能力时，称为 “全双工”( f u l ld u p l e x ) ，相当于“双向车道”。就串行通信而言，r s2 3 2 使用的是全双工的模式；r s 一4 8 5 则使用半双工。 图2 5 工作模式 r s 一4 8 5 属于半双工，r s 一2 3 2 属于全双工；r s 一2 3 2 之所以能达到全 双工的功能，是因为其引脚在设计上就是接收与传输分属两个不同的引脚 与线路。不同的工作模式可以应用在不同的地方，也各有其优点，一个工 作模式不能够用在所有串行通信的场合。 因此，同时可以利用的传输线路就决定了工作模式。r s 一2 3 2 上拥有 两条特殊的线路，其信号标准电位是参照地线所得到的，分别用于数据的 传送和接收，为全双工的模式，这种参考到地线所得到信号标准电位的传 导方式称为单接点式输入；r s 4 8 5 上的数据线路虽然也有两条，不过这 两条线路却是一个信号标准电位的正负端，真正的信号必须是两条线路相 减所得到的，因此在一个时间点内，只可以有一个方向的数据在传送，也 就形成了半双工的模式，这种不参考地线而由两条信号标准电位相减，从 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 而得到信号标准电位的传导方式称为差动式输入。 r s 一4 8 5 与r s 一2 3 2 的传输模式比较如表2 - 2 所示 表2 2 t l s 一2 32 r s - 48 5 传输模式的比较 标准类别 r s 一23 2r s 一4 8 5 信号模式单点接入差动式 接线方式 9 线3 线2 线 传输距离 1 5 m1 2 0 0 m 传输速率 1 15 2 0 0 b p s 1 0 m b p s 传输类型全双工半双工 第二节分布式监控与a d a m 模块 使- 用各种各样的机器达到自动化是现代工业的大趋势，这些配有各式 各样先进技术的机器，能够在很大程度上减轻人类的负担，并且可以极大 的提高生产力。与此同时，因为采用了机器来帮助人类工作，所以使用者 必须随时都知道现场所发生的一切及其原因，这就是监视。在知道了机器 的相关消息后，使用者还必须针对不同的情况，给出相应的命令，以期达 到系统的要求，这就是控制。将现场结果传回系统控制者，系统控制者再 按照一定的判断法则做出相应的控制输出，这就形成了一个监控系统t ”。 一、分布式监控 在工作过程中，信号通过传感器传到控制室，但是信号不可能传输太 远的距离，一般的传感器信号为电压型，如果传输距离过远，会造成信号 的衰减，如此一来，将得不到正确结果，因此传感器的信号处理工作必须 尽可能在监测点完成，处理后的结果再传回到主监控室( 或主监控机) ， 这种把监控工作分散到各地，而把监控结果集中管理的结构就是分布式监 _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ h _ _ - - * 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 控的概念1 引。如图2 - 6 所示 图2 6 分布式监控 图2 6 在不同的地方装上分布式模块或其它设备，这些模块和设备可 能含有数字输入、输出：模拟输入、输出等功能。每个模块负责日己的一 块区域，实际的物理现象会输入到各个模块中：所有模块再用r s 一4 8 5 网 络连接起来，一起送到主监控机，从而达到分布式监控的目的。 为什么使用的是r s - 4 8 5 ，而不是r s 一2 3 2 呢? 我们从以前两种串行方 式的比较上可以发现，面对噪声较多，传输距离较长的情况时，使用 r s 一4 8 5 要比r s 一2 3 2 好：其次由于串行通信的实现比其它传输接口容易， 因此分布式数据控制系统多采用r s 一4 8 5 作传输接口。 二、a d a m 模块 a d a m 模块是台湾研华公司开发，用于工业控制自动化的系列产品。 通过r s 一4 8 5 网络，以及模块命令的设置可以和计算机进行直接通讯，模 块结构小巧，功能强大。具有较强的灵活适应性2 。 一般，根据信号种类的不同，使用不同信道进入控制器时，大概可分 为数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出、计数频率输入等模块。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 本系统中用到了4 5 2 0 ，4 0 5 0 两种模块，下文做重点介绍。 1 、信号标准转换模块4 5 2 0 不管是r s 一4 8 5 还是r s 一2 3 2 ，都是串行通信的一种，对用户来说， 如果可以使用和r s 一2 3 2 相同的方式在r s 一4 8 5 上通信是比较方便的。由 于r s 一4 8 5 与r s 一2 3 2 所采用的i c 不一样，他们之间的信号标准电位也不 相同，如果使用r s 一2 3 2 来代替r s 一4 8 5 ，就必须将r s 一2 3 2 的标准电位作 一下转换，4 5 2 0 即起这一转换作用。其规格如下： 协议：双线式r s 一4 8 5 协议 连接器：插卡式螺丝固定的接线盒 速度：3 0 0b p s 1 1 52 0 0b p s 范围可调 没有中继器时一个r s 一4 8 5 网络最多允许有2 5 6 个模块 一个r s 一4 8 5 网络在配中继器时最多允许有2 0 4 8 个模块 隔离电压：3 0 0 0 v 需要中继器：40 0 0 英尺或超过2 5 6 个模块 电源要求：+ 1 0 v + 3 0 v d c 耗电量：2 2 w ( m a x ) 2 、数字输入、数字输出模块4 0 5 0 本模块用作数字输入、数字输出用，提供7 信道的数字输入，8 信道 的数字输出。规格中与4 5 2 0 相同的不再重复。4 0 5 0 的波特率范围为3 0 0b p s 3 84 0 0b p s 。其外观如图2 7 所示： 模块各管脚功能说明如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 图2 - 7a d a m 4 0 5 0 结构图 电源：表明了+ v s 和g n d 的两支脚分别是电源正极和接地线，电 源正极必须接上+ 1 0v + 3 0v 之间的电压，使用的理由是模块使用的场 合电压通常会有一些变化，不够稳定，有了较宽的电源使用范围可以保护 模块正常运行。最好是使用独立的+ 2 4 v 电源。 信号传输：d a t a + 和d a t a 一是r s 一4 8 5 网络所使用的数据连接线， 需特别注意的是，所有r s - 4 8 5 网络上的d a t a + 必须接在一起，而d a t a 一 也必须接在一起。否则信号会错乱。 模块初始化：i n i t 管脚用来对模块做初始化作用。当模块必须初 始化或需要调整默认参数时，将i n i t 和g n d 管脚连接在一起就可通过程 序修改参数值。 数字输入：d io d i6 为数字输入端口，0 v + l v 范围之问称为0 ， + 3 5 v + 3 0 v 之间为1 。 数字输出：d o0 - d o7 为数字输出端口。输出电压可自行调整。 本系统中高电平输出为+ 2 4 v 。 三、模块运作方式 黧黧篇篇黼 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 每个分布式模块都与r s 一4 8 5 连接，每个模块内部均可传送、接收数 据。每个模块平时各自独立工作，与其它模块之间没有直接的数据交换， 整个r s 一4 8 5 网络上的模块控制通常是通过一部主控计算机来控制模块。 最常用的系统结构方式也就是图4 - 5 的方式，利用一部计算机、一个 r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 转换模块，就可l 以控制整个r s 一4 8 5 网络上的其它i o 模 块。由于r s 一2 3 2 是计算机上的基本配置，因此这种方式对计算机来说非 常简单，也就被广泛地使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第三章系统总体设计 一、系统分析 目前国内的热加工设备一般的控制方式几乎都为分散式控制系统，即 每个操作者负责一台设备，各设备之间互相独立，彼此之间没有信息交换。 随着我国市场经济步伐的加快，各行业都在要求达到i s o 标准。而要达到 i s o 标准，生产过程中数据的记录和产品质量的判断体系至关重要。目前 在生产现场的数据记录和产品质量的判断方面一条行之有效的途径就是 生产过程的计算机控制。 但由于生产现场的生产设备很多，如果都采用计算机控制，需要的计 算机控制系统很多，这是国内很多企业无法承受的。而集中控制是用一台 微机同时对多台设备进行监控，可以大大降低成本，提高生产效率，计算 机统一管理每个设备的生产数据，确保生产数据的真实、可靠，实现科学 化管理，为提高产品质量，加强质量分析了奠定基础。 本系统设定为一台计算机控制18 个生产设备，其结构布局如图3 1 所示： 图3 一i 根据我国目前的条件，系统设计要达到以下目的： 1 ) 每个设备的控制独立进行，操作灵活、方便； 2 ) 某个台位出现故障时，不能影响其它台位或系统的工作 西素交遴夹学硕士磷究垒学位谂交 筹1 5 舞 3 ) 操作人员在设备上可以监、控生产过程： 4 ) 捺佟人荧哥蓬露方使逮凌生产孛豹产品稼怠、生产避稷售怠及数 据与主机进行通讯： 5 ) 维修及更换方便。 二、国内间行业发展状况 基兹国内缒热热工设备戆擞规控瓤系统可分为单台位式微巍控到系 统和集中式微机控制系统两类。单台饿式微视控制系统在很多生产现场得 到应用，这种控制方式的指导思想是台计算机控制一台设备，计算机完 袋设蚤生产过程静控涮以及生产过程数据懿记录纛警毽，其系缝戆设诗一 般较为简单，容易在各行业推广。其缺点是每台设备需要一台计算机，如 果需要控制的设备数较多的话，其费用很高，且各念计算机之间没有信息 秘交流，对熬令生产工厂( 或辜耀) 熬产菇震羹餐毽蘩韵不大。鲡暴露要 信息的交流，一般是通过i n t e r n e t 或局域网进行，而这两种通讯方式往往 怒生产现场所不具备的。 对蒸热王设备黪集中式微氍控裁系统，晷凑嚣藏海无定型产菇，有部 分厂家对一些特殊环节生产一些专用设备。通过分析它的产品，我们发现 这类设备在使弼过程中存程一些不足。 1 数据采集模式 数据的采集一般通过计算机串口和汁算机板卡两种模式。计算机根据 所聚集进来的数据进行处邂，莠擞出鞠应的控铡。叛卡懿数据采集模式具 有它一定的 尤点。由于板卡与计算机主板总线直接襁连，其a d 转换速度 以及数据传输、数据处理遴度要优于串嗣通讯 3 8 , 3 9 。但其不足之处是其计 篱掇可供努嚣没备零j 矮耱慧线t t o 翻数豢毒限。霾麓国瘸理搿产菇孛，其 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 数据采集大多采用数据采集板卡，由于其i o 口数量的限制，一台计算机 可同时控制的生产对象有限，如果控制对象较多的时候往往需要多台计算 机。而且多台计算机之间还要联成局域网才能实现数据的共享。在一定程 度上造成了使用者的不便和资源的浪费。 2 生产过程中过多的人为干扰因素 在生产过程中，操作人员要将产品型号、产品编号、产品配件种类、 配件编号等产品的基本信息传输给计算机。试验现场计算机中心控制室和 操作台位有一定的距离，最远达到2 0 0m 。目前国内现行产品是操作者通 过对讲机将产品型号、产品编号、产品配件种类、配件编号等产品信息告 诉计算机室的值班员，由值班员将这些信息输入计算机。当生产过程中， 要求现场的操作人员进行操作时，计算机室的值班员又要通过对讲机通知 现场的操作人员进行相关操作。生产控制过程烦琐。而且现场的干扰信号 多，对讲机通话质量不够稳定，如果出现信息的传输错误，很容易造成误 操作。 3 生产现场的操作人员无法监视生产的整个过程 由于操作台只有控制部分没有监视设备，现场的操作人员无法知道生 产的进行状况，无法对生产过程进行很好的判断。 4 系统的线路结构复杂 由于其系统设计是采用星型结构，各台位的数据采集、控制线路都要 通过计算机板卡进入计算机，一般完成整个集中式微机控制系统需要的计 算机和外围设备的连线往往要几百根，使安装、调试以及以后的维护都存 在一定的难度，同时也使得设备的可靠性大大下降。 三、总体方案设计 匿素交港夹学疆：b 磷凳生学位滁毙 黎 7 舞 一一一一 吸取同行业产品的优点，并对尉内目前的实酥生产现场进行分析后， 锌对系凌要求为“多革元、运鼙离”这一特点，按照鬟褰生产效率、生产 过程数据准确、系统操作简单的原则设计了基予r s 一4 8 5 网络的集中式微 机控制系统。设计方案如下： ) n 路傀靛甏：壶撼r s 一4 8 5 髓绦技零，戳a d a m 霹臻控裁模袭为 控制核心，采用总线式网络结构，将l8 个操作台位级联在一起，最后送 入计算枫进行控剃，可大大城步中心控制台与各零螽豹连接线，提嘉系统 可靠性。 2 ) 多路储号检测：为了提高系娩的适应性，尽可能满足髂行业的要 求，系统建立71 1 个模擞埝a 遴遭，在一致绩况“f 莓渍是务行建霹生产 避程信怠采集的需要。臻产过程信息的采集，使得计算橇髓根据采集的信 息剥生产过程进行适时控制，可提高生产效率、掇商产品质量，既保证了 垒产严疆茨照：l = 芝卡裁囊璐工艺遥行，又霹为产熟懿曩量羚簸挺供象据。 3 ) 实蕊人机对话：甜对热加工的生产特点农每个台位。t 设置一台 操作屏，通过操作屏与微机进行通讯。试验人员谯操作屏上可进行产品信 息魏录天、生产工艺瓣逸摄爱生产越稚静整裁。撩作羼在凌验过程孛噩示 生产进程、生产规范，操作者可以通过操作屏进行人机对话，控制生产进 稷。操作屏独立工作，保诞了每个台能操作灵活、独立。 4 ) 计算撬鼹鳋话获制：1 8 令搡俸裔位蓰或总线登霹终系统，壹一台 计算机控制所有台位的生产过程和数据管理，实现谢询、打印及网络传输。 本控制戆统采用诗算枧串臼技术，以工业控制计算视为控制孩心，通 避r s 一4 8 5 总线瘟矮簌联豹方式j 冬各令单元串联麓寨。各单元的搡佟述避 个单片机荣统来完成，单片机通过串行方式将生产过程的适时数据采集 进来，并接定静通讯汝议通过r s 4 8 5 翅终黄邋给主税，主执褥銎信息 焉侔出稻应的簸递，著褥撩裁指令馥健给单片祝系缀。系统遥过控铡扶蠢 莲露交遴犬学硬奎磷究生拳盈谂炎 簿 s 莛 机构的动作浓控制生产的进程。各操作台位通过a d a m 模块的地址号相 送囊。生产过程交诗篝貔搡缀撬孬视稔来进行。控制簿霍撬a d a m 蒺安、 媾片机系统、执行机构控制系统等。 工控机的主程序采用v b 6 0 编写，幽计算机来控制生产豹魁个过程，并 游皋集懿数攥遥行努辑艨褥窭静缮暴傺存在鼗据库中。整个生产过程中计 算机室可实现全自动无人倦守。开放式的v b 6 0 数据库管理系统便于维护 釉蓉理，系统可壹动缳存试验数据，并珂随对调用、查找试验数据，自动 钌窜强表。主橇冒与李阕内的焉玻网戏i n t e r n e t 襁联，壹接将试验肇栗上 传麓上级单位。可随时供上级单位查阅。 爱臻集中式皴撬控制系统将戮翦巍人工宝藏羽生产过程入王控期、生 产过程数器鹃人工记录秘产晶质量的人工判断改为计算视控耩生产遂程， 计苒机采集数据，并根据数据值对产黼质量进行自动判断。 鬻鬻嶷逶夹攀磺童辑究釜攀缓埝文 第篷耄硬释澄计 豢缝疆件帮努熬浚赣+ 霆 蠢鬻绦系缝懿菠谤、瓣鲻。燮这鹚豢襞莰裳鞠 蔽标，蒸祭毓必须其锫黼下功熊： i ) 备捺辫基位遇避袋s 一4 8 5 秘绦舄诗箕税德逡，鍪螽德志瓣必缕耀戛 独立豢巷，笺不予黧。 2 ) 誉蕊勰够采纂黪路模攒燮，并髓够倦燧给计算穰，斑计算税幕撩 粼整个焦产遴程。 3 ) 搽搀螽瓮虿接液童争舞爨辩撩篷赞令，稔搿捩费橇捧黪韵痒栗滗溅 生产过程n ， 4 ) 聪爨凝终又爨霹黢遴遘操终螽簿a 产撼蕊惑，鼓及生产王艺参数 楚，著褥焚传递绘孛毒禳镪室鹭量 黪嘏。 5 ) 撵俸螽可以强示臌在进行的嫩产进程，雌鼹糟关鳓数据信感，艇 蕊爨嚣爨佟天溪酉焱蕊羧整令生产逡糕。 萋予皇述要求，鞭v f 警系凌戆浚i 量胃泼努为三部分： 1 、执稽枧槐蛉设计。 2 、 r s - 4 8 5 霾络藏a d a m 旗魏髓瓣鬻象凌臻褪鬻黧。 3 、 攀片视爱擞拣螽系统懿裰喜卡。 繁繁魏褥壤梅麴没诗 薄热魏王浚簧奎产避糕麓接裁，横搀英冀瓣设舞苓爨，程逢产孛鬟燹 捺灏魏鬈象不霹。辩鬟气诲僳轳辫融辩委控糕辫接魄漉鲢太小，磋摇黧蠖 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 弧焊时需要控制电弧电压和焊接电流的大小，点焊时需要控制压力的大小 以及各个焊接阶段的时间，在热处理时需要控制加热炉的温度和保温时间 等。对不同的生产设备，由于控制对象的多元化，因而要求的执行机构各 不相同。对于集中式微机控制系统而言，研制一个通用化的执行机构难度 很大。 在本系统中，以生产过程的过程控制为对象，提供八位继电器输出控 制信号，通过采集生产中的气体压力值的大小来控制八个继电器的得电与 失电来控制八个电磁气阀的通断，从而达到控制生产过程的目的。 一、压力采集系统的设计 国内目前生产现场气源压力一般在6 5 0k p a 7 5 0k p a 之问，考虑到 现场气源压力的波动，系统采用额定压力为1m p a 的压力传感器。由于现 场气源含有较多的水和油，而水和油的存在，如采用一般的传感器，其寿 命会大大降低，为了提高系统的可靠性，本系统采用隔离型压力传感器( 传 感元件与被测气体通过硅杯隔离) 。传感器系统通过激光调校，传感器精 度达到0 2 级，远高于一般指针压力表的1 级的精度。同时，考虑到现场 的干扰和传输时的损耗，本系统采用电流型传感器，在0 lm p a 的压力 环境下，传感器输出为4 2 0 m a 。 二、气体自动控制系统的设计 气体控制系统原理如图4 一i 所示。在图4 1 中，由八个电磁气阀组成 系统气路控制系统，八个电磁气阀分别控制八个不同的工作过程。电磁气 阀得电，风路开通，执行动作；电磁气阀失电，气路关断，动作复位。每 个阀的排气口装一个金属塞门，塞门的大小按照不同的大小来开孔，阀的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第21 页 导通与关断可模拟控制不同的动作刘象。 图4 1 气体导通控制系统图 风源 图4 - 2a d a m 信号输出原理图 a d a m 模块的数据输出d o 口只有8 个，由于每一时刻系统只能有 一个固定的工作过程，即每一时刻系统只能有一个电磁气阀导通，为充分 有效地利用d o 口，由d 0 6 d 0 8 三个d o 口通过 一个译码器c c 4 0 51 芯片得到7 路信号来控制阀 的通断。其电气原理图如图4 2 所示： c c 4 0 5l 是单8 通道数字控制模拟开关，其结 构图见4 3 。有三个二进制控制输入端a 、b 、c 和i n h 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电 流。当i n h 输入端= “1 ”时所有的通道截止。三 图4 - 34 0 5 1 芯片 位二进制信号选通8 通道中的一通道，可连接该输入端至输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 a 、b 、c 三个数据输入端接收a d a m 模块d 0 6 d 0 8 的输出信号， 由x 0 x 7 数据输出端将译码结果输出。由于系统并不需要i n h 的截止功 能，所以将i n h 端脚直接与g n d 相连，使芯片始终处于译码工作状态。 a d a m 的3 个输出端高低电平的变化可输出8 个信号状态，可以满 足电磁阀工位的变化。这样通过a d a md 0 6 d 0 8 的电平组合就可以圆满 地完成八个控制信号的输出。 考虑到系统的可靠性和系统的标 准化程度，系统内部电磁气阀均采用台 湾a i r t e k 二位五通阀，线包电压 t o c c 4 0 5 d c 2 4 v ，控制功率6 5 w ，对所选用的 电磁气阀，c c 4 0 5 1 无法直接驱动。在 本系统中，对c c 4 0 5 1 的输出信号，通 图4 - 4 功率放大原理图 过一个功率放大环节，然后再驱动电磁气阀。功率放大环节电气原理见如 图4 4 所示： 在图4 - 4 中，由c c 4 0 5 l 输出的1 2 v 的信号通过10 0 q 电阻驱动场效 应管i r f 8 3 0 ，场效应管的输出极控制电磁气阀线包的通断。当c c 4 0 5 1 输 出高电平+ 1 2 v 时，场效应管饱和导通，电磁气阀线包得电；当c c 4 0 5 1 输出处于高阻状态时，场效应管栅极通过5 1 k 电阻接地，场效应管截止， 电磁气阀线包断电。 第二节r s 一4 8 5 网络系统设计 r s 一4 8 5 是一个在工业中广泛使用的通讯协议，尤其适用于工业控制 自动化过程中远距离传输和接收数据6 1 。在许多工业环境中为了使设备简 蟊南交遴夫学硬圭磷究生学位论文 簿2 3 菱 壤、成本低和维护方便，总希望用最少的信号线来究成数据的采集和控制， r s 一4 8 5 翻其有这样翡撬点。r s 一4 8 5 枣纷逶薅广泛澎震予工受控裁中。其 标准是美国电子工业协会e i a 制定的串行物理接口协议。它的u 抗干扰能力 强，传输距离远，传输遵率高。在传输速率为9 6 0 0b i t s 时传输距离可达 1 ，2k m 1 , 2 上，鼗嵩篱簸速率爵达1 0m b i t s ，置只鬻普逶双绞线繇霹，露 一对双绞线可以挂接多达2 5 6 个以上的终端。r s 4 8 5 是一个发展较为成 熟，已广泛使髑的协议，其基本内容识括： 每段簸大长度不怒过1 2 0 0m 高阻抗、抗干扰、差动式传输模式 每段最多可带2 5 6 个模块，超越2 5 6 个模块戏传翰距离大子1 2 0 0 m 刚需要加中继器 带宽可达1 0m b 双绞线缝稳 r s 一4 8 5 网络的设计怒一个较为规范的模式，一般都采用主机c o m 口 与个r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 的转换接头相连，将2 3 2 信号转换为4 8 5 信号， 然嚣在r s 一4 8 5 爨臻上逶援模获。 一、a d a m 模块的选择 在微机集中控制系统中，计算机与外部控制台之间要传递的信息包括 模拟量( 生产过程信息) a i ，数字量输入( 产品基本信息、生产工艺设置) 转 - 数字譬羧趣( 魏行撬鹣控裁整患、生产述抒获态) d o 等。在一羧蘩 况下，模拟髓输入和输出可以考虑采用研华模拟量输入输出模块 a d a m 4 0 1 7 ，a d a m 4 0 1 7 舆有6 路a i 输入和两路a o 输出，在本系统中， 渗及餮豹攘叛囊鸯l l 貉摸羧量辕入，a d a m 4 0 1 7 穰一般德滋下瑟两头藏 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 能满足要求。a d a m 4 0 1 7 为1 6 位双积分型a d 转换器，具有非常高的转 换精度，但由于采用的为双积分型a d 转换，使得转换速度较慢，每秒钟 转换频率小于1 0 h z ，在1 8 个台位同时工作时，对每个台位的每个信号循 环采集一遍需要的时间接近2 0 秒，这一速度不能满足生产过程运行参数 的数据采集要求。 在台湾研华公司的r s 一4 8 5 网络模块a d a m 4 0 0 0 系列中，其数字量模 块的交换速度很快，最高的波特率可以达到3 8 4k h z 。在v b 6 0 程序中， 利用其自带的串口通讯控件，其交换的次数可以达到1 0 0 次s ；如果使用 能够直接对端口操作的程序，则交换的次数可大大提高。 有鉴于此，本系统采用台湾研华公司数字量输入、输出模块 a d a m 4 0 5 0 来完成系统的信息交换。对于系统所要求的模拟量的输入，采 用外围逐次逼近型a d 转换器高速完成所要求的a d 转换，利用外围单 片机控制其a d 转换，通过单片机采集a d 转换结果，并通过单片机对 a d 转换值进行编码，将单片机直接和a d a m 4 0 5 0 进行连接，单片机将 所采集到的a d 转换结果按照控制系统自定义的编码传送至计算机，计算 机通过a d a m 4 0 5 0 输入其编码值，并将其还原为生产过程参数。采用该 方案，能提高系统的a d 转换频率，同时降低设计成本。 二、r s 一4 8 5 网络的设计 采用r s - 4 8 5 网络的一个最大的优点就是一台计算机可以同时控制多 台设备。以本系统为例，在不加中继的情况下，一台计算机可以控制2 5 6 个操作台，这使得生产现场的工业控制成本大大降低。本系统为一台计算 机控制1 8 个工作点的系统，在每个工作点采用一个a d a m 4 0 5 0 ，现场的 通讯距离小于3 0 0m ，且连接的模块数目为1 8 个，因此系统采用1 8 个 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 a d a m 4 0 5 0 级连不加中继。系统网络结构如图4 - 5 所示 计算机h r s 2 3 2 r s 4 8 5 l2 “i 4 0 5 0 模ll 模i 块il 块i 盟 片 机 系 统 堕 片 机 系 统 图4 - 5 系统网络结构图 7 “| | 1 8 # 模| | 模 块| | 块 盟 片 机 系 统 堕 片 机 系 统 三、a d a m 模块的设置 a d a m 模块本身在出厂时都有设置默认值，一般地址号为1 ，采用 “9 6 0 0 ，n ，8 ，l ”的传输格式。它表示所使用的通信端口是以每秒9 6 0 0 位的速度作传输，不作校验位的检查，每个数据单元是8 位，而停止位是 一个位。在实际的应用中肯定要对这些参数进行修改，最主要是对地址号 和波特率的调整。研华公司的a d a m 模块有配套的调试软件，只要按操 作说明将a d a m 模块的i n i t 和g n d 两个管脚短接，就可通过计算机软 件对模块的设置进行修改，将地址号和波特率改为所需的值( 端脚结构分 布见图2 7 ) 。为提高系统的运行效率，本程序的波特率调为3 8 4 0 0b p s ，采 用“3 8 4 0 0 ，n ，8 ，1 ”的传输格式。 四、a d a m 模块与r s 一4 8 5 的连接 从r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 转换模块接口出来的4 8 5 线分别以d a t a + 和 嚣南交遴夫学疆圭磷究垒学位谂文 第2 6 美 d a t a 一相标注( 端脚结构分布见图2 7 ) ，a d a m 模块与r s 一4