【正文】 發(fā)展的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)以及嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中的嵌入式總線橋應(yīng)用于FMS的方案，以達(dá)到改善和提高FMS之目的。 研究?jī)?nèi)容本課題將在充分研究目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)的前提下，結(jié)合目前我國(guó)國(guó)內(nèi)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的研究現(xiàn)狀，提出將Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于FMS的方法，在今后的研究中，將通過研究Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用專用集成芯片開發(fā)基于ProfibusDP協(xié)議的從站，對(duì)從站進(jìn)行軟件與硬件的開發(fā)，通過編寫數(shù)據(jù)庫(kù)文件，實(shí)現(xiàn)與主站的基本數(shù)據(jù)通信。為了使研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本研究將建立在一個(gè)小型柔性制造系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)柔性制造模型中各個(gè)單元的控制與管理，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，為實(shí)際應(yīng)用提供理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。具體內(nèi)容分四個(gè)層次：（1）研究ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線橋的原理及應(yīng)用，構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)站點(diǎn)集成方案 在構(gòu)建系統(tǒng)集成方案過程中，第一個(gè)要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是傳輸方案的選擇及接口的匹配。Profibus提供三種傳輸類型：DP、FMS的RS485傳輸、PA的IEC11582傳輸、光纖傳輸，考慮到光纖傳輸有良好的抗干擾性，本方案選用光纖，但目前現(xiàn)場(chǎng)的大部分設(shè)備接口是RS485，需要解決二者之間的轉(zhuǎn)換。第二個(gè)問題是總線存取協(xié)議，主站和主站之間采用令牌傳送的方式，從站與主站之間采用主從傳送方式。（2）研究ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線橋的通信原理，設(shè)計(jì)主站與從站的硬件結(jié)構(gòu) 在完成集成安裝的基礎(chǔ)上，在ProfibusDP通信方面，關(guān)鍵是設(shè)備通信接口解決方案，在設(shè)計(jì)從站的方案中，一般有三種：一種是直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種方案開發(fā)周期長(zhǎng)，測(cè)試復(fù)雜；第二種是采用從站接口模塊，這種方案靈活性較差；第三種是采用Profibus專用ASIC與單片機(jī)結(jié)合，其中單片機(jī)不參與處理總線協(xié)議，這種方案開發(fā)成本較低，技術(shù)指標(biāo)高。這一部分將對(duì)三種方案進(jìn)行理論與實(shí)踐分析，并最終確定一種最合理的方案，同時(shí)，將進(jìn)一步研究這種方案需要設(shè)計(jì)的外圍電路，并搭建一個(gè)調(diào)試與測(cè)試平臺(tái)需要的Profibus系統(tǒng)，用于以下在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）研究ProfibusDP從站與柔性制造單元的接口及數(shù)據(jù)交換 在以上系統(tǒng)方案與通信原理建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究通信單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口電路與數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端，ProfibusDP一般采用RS485傳輸技術(shù)，為了達(dá)到抗干擾的目的，將進(jìn)一步研究信號(hào)與電源的隔離技術(shù)，如在接口電路上采用光隔離及變壓器隔離技術(shù)等，這是這一部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)格式的定義上也是一個(gè)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。（4）軟件的編制 通過討論分析，軟件應(yīng)包含管理、控制、監(jiān)控、報(bào)警等功能，軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵在于接口的控制。（5）在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用 通過搭建柔性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用前面研究成果構(gòu)建實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證軟硬件研究成果。 重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題（1）構(gòu)建基于ProfibusDP總線的通信與控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以提高其可靠性，保證高速的傳輸性能，使系統(tǒng)的集成能力加強(qiáng)。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線單元與柔性制造單元之間的接口電路設(shè)計(jì)。（3）軟件的編制以及對(duì)各接口的控制與管理。 本課題結(jié)構(gòu)本課題的研究工作主要是研究設(shè)計(jì)一個(gè)適合制造加工車間環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為機(jī)械加工生產(chǎn)管理及維護(hù)人員提供及時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境信息，推動(dòng)柔性制造系統(tǒng)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。本論文各章的基本內(nèi)容如下：第1章是緒論，簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和柔性制造技術(shù)發(fā)展及出現(xiàn)的問題，引出選題依據(jù)及研究?jī)?nèi)容。第2章介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、特點(diǎn)、發(fā)展歷程、協(xié)議模型及技術(shù)體系結(jié)構(gòu)；論述了ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線的基本原理、功能、報(bào)文結(jié)構(gòu)、總線定時(shí)及數(shù)據(jù)庫(kù)文件。第3章論述了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類，介紹了ProfibusDP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理，并對(duì)其從站接口進(jìn)行方案比較、選擇。第4章論述了ProfibusDP從站接口的硬件嵌入式總線橋產(chǎn)品的選用，介紹了其外形、布局圖、插座、接口板連接及開關(guān)。第5章論述了ProfibusDP從站軟件的通信規(guī)約、串口通信程序流程圖及其軟件程序。第6章論述了ProfibusDP從站在柔性制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。介紹了其試驗(yàn)平臺(tái)搭建，系統(tǒng)安裝、軟件調(diào)試、調(diào)試原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。5第2章 構(gòu)建PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線集成方案 現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線定義現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、雙向、智能、多變量、互聯(lián)、多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被稱為自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它起到溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備之間以及與更高級(jí)別的控制管理層之間進(jìn)行聯(lián)系的作用。所以它不僅僅是一個(gè)基層的網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種新型全分布式、開放式的控制系統(tǒng)[13]。 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)中，一般設(shè)備之間采用一對(duì)一的連線，位于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和管理層的控制器之間均采用一對(duì)一的物理連接。而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與此有很大的區(qū)別，由于采用了智能設(shè)備，所以，現(xiàn)場(chǎng)總線可以把控制室的控制模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也具有通信的能力，這樣就徹底實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)分散的控制[1416]。兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖21所示。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)示意圖圖21 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比 Structure contrast in Fieldbus control system and traditional control system 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，控制系統(tǒng)功能直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，而不依賴控制室，實(shí)現(xiàn)徹底的分散性控制。具有以下特點(diǎn)[1718]：(1) 系統(tǒng)的開放性 開放系統(tǒng)是指各不同廠家的通信協(xié)議公開，不同設(shè)備之間能進(jìn)行互連，并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線研究的目的就是要一個(gè)建立統(tǒng)一的基于工廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這個(gè)開放系統(tǒng)可以與任何相同標(biāo)準(zhǔn)的其它智能設(shè)備或系統(tǒng)相連。(2) 互可操作性與互用性 所謂的互可操作性是指，可以實(shí)現(xiàn)互連的設(shè)備、系統(tǒng)之間的信息溝通可實(shí)行一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，而互用性指的是不同生產(chǎn)廠家之間的類似設(shè)備可以進(jìn)行互換互用。(3) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化與功能的自治性 現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)字處理與控制等智能功能分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中進(jìn)行完成，靠現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備就完全可完成諸多自動(dòng)控制的基本功能。(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可完成自動(dòng)控制的諸多基本功能，這樣就從根本上改變了原來DCS集中和分散相結(jié)合而構(gòu)成的集散控制體系，大大提高了可靠性。(5) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，支持同軸電纜、雙絞線、光纜、紅外線、電力、射頻線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)體現(xiàn)出優(yōu)越性，優(yōu)點(diǎn)如下[19]：(1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)不需要單獨(dú)的計(jì)算單元，可以用PC機(jī)作為操作站，這樣可節(jié)省硬件投資。(2) 節(jié)省安裝費(fèi)用 由于接線十分簡(jiǎn)單，這樣既節(jié)省了投資，也減少工作量。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用達(dá)60%以上。(3) 節(jié)省維護(hù)開銷 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷功能，這些診斷信息可送往控制室，在控制室可以查詢相關(guān)信息，以便快速排除故障，縮短維護(hù)時(shí)間。(4) 用戶具有高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) 由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，用戶便可以選不同的廠商的設(shè)備進(jìn)行集成系統(tǒng)，這樣可避免系統(tǒng)集成不兼容的問題，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)掌握在用戶自己手中。(5) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度大大提高，同時(shí)由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能也有所加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，進(jìn)而可提高系統(tǒng)工作的可靠性。 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)概述PROFIBUS符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，IEC61158是一種國(guó)際性開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、開放的標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠商目前都為他們的設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS接口。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可分為PROFIBUS—PA，PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS三個(gè)兼容部分[20]。(1) PROFIBUSPA 主要是應(yīng)用在面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面， 適合于防爆場(chǎng)合，在傳輸方面，電源和通信數(shù)據(jù)全部采用總線并行傳輸。PROFIBUSPA所采用的協(xié)議是擴(kuò)展的PROFIBUSDP。傳輸技術(shù)方面采用的是IEC11582，硬件上采用分段式的耦合器，可以方便地集成到PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)。 (2) PROFIBUSDP PROFIBUSDP的使用取代了模擬信號(hào)線，由于協(xié)議較簡(jiǎn)單，它適用于分布式控制系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用在制造業(yè)中的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)是高速低成，在傳輸速度上，～12Mbps。(3) PROFIBUSFMS 用于解決車間級(jí)的通信任務(wù)，適用于大范圍和較為復(fù)雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUSFMS與PROFIBUSDP在傳輸技術(shù)上是相同的，總線訪問協(xié)議也相同，所以說，兩套系統(tǒng)可在一根電纜上操作。本設(shè)計(jì)將采用PROFIBUSDP總線技術(shù)。 PROFIBUS技術(shù)的主要發(fā)展歷程從80年代就開始，學(xué)者們就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行了研究，國(guó)際上眾多設(shè)備制造商陸續(xù)推出他們各自的總線標(biāo)準(zhǔn)以及總線產(chǎn)品。目前，像這樣的現(xiàn)場(chǎng)總線在全球就有200多種，它們各有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但有個(gè)問題是，他們不能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工委員會(huì)從1984年開始，經(jīng)過長(zhǎng)期的探討，最終形成了國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。標(biāo)準(zhǔn)中，共采用了8種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，而PROFIBUS就是其中第三種。PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它所應(yīng)用的領(lǐng)域包括樓宇智能化、過程自動(dòng)化、加工制造等行業(yè)，它是目前廣泛應(yīng)用的一種非常成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在自身的產(chǎn)品上提供PROFIBUS接口。到目前為止，在世界范圍內(nèi)，已安裝運(yùn)行的帶有PROFIBUS總線的設(shè)備超過1000萬。我國(guó)的中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)成立于1997年6月，并建立了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品演示及認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，其主要的職責(zé)是推廣PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用研究，同時(shí)開展我國(guó)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品認(rèn)證工作。 PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線可以將設(shè)備從底級(jí)到中間執(zhí)行級(jí)分散開來。由于通信協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，所以不需要復(fù)雜的接口就可以實(shí)現(xiàn)。如果拿ISO/OSI協(xié)議模型進(jìn)行比較，PROFIBUS協(xié)議包含第7層，如圖22所示[21]。 53河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文7應(yīng)用層6表達(dá)層5會(huì)話層4傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層ISO/OSI模型應(yīng)用過程用戶層7應(yīng)用層網(wǎng) 絡(luò) 管 理636層未用5432數(shù)據(jù)鏈路層1物理層PROFIBUS協(xié)議模型圖22 PROFIBUS與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系 The relationship of PROFIBUS agreement and ISO/OS model agreement。 PROFIBUS技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖23 PROFIBUS體系結(jié)構(gòu) PROFIBUS architecture PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線有特定的硬件結(jié)構(gòu)，專用的通信報(bào)文結(jié)構(gòu)以及預(yù)先規(guī)定的總線定時(shí)。下面就這幾個(gè)方面分別敘述[2232]。 PROFIBUSDP的概念DP的英文是Decentralized Periphery，即分散化外圍設(shè)備。PROFIBUSDP主要是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，它響應(yīng)的時(shí)間從幾微秒到幾百毫秒，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個(gè)報(bào)文多達(dá)144個(gè)字節(jié)，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。PROFIBUSDP可以廣泛地應(yīng)用于電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，低壓電控配電成套設(shè)備，數(shù)控加工設(shè)備，樓宇自動(dòng)化等。PROFIBUSDP協(xié)議是專為自動(dòng)化工廠中的分布式I/O設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所要求的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的。典型的DP配置為單主站結(jié)構(gòu)，DP主站和DP從站之間的通信是遵從主從原則的。也就是說當(dāng)主站需要時(shí)，DP從站僅僅可以變的主動(dòng)一些，DP主站和從站之間的用戶數(shù)據(jù)可以進(jìn)行連續(xù)不斷的交換，而不需管用戶的數(shù)據(jù)怎樣。 PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線的基本原理及基本功能(1) 傳輸技術(shù) 采用RS485傳輸技術(shù)，傳輸介質(zhì)可以選擇雙絞線電纜或屏蔽雙絞線電纜，也可以選擇光纜進(jìn)行傳輸，～12Mbps。一般不超過1200m。(2) 設(shè)備類型 在PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)中，有兩種設(shè)備：主站和從站。主站也有兩種類型：第一類DP主站(DPM1)采用如PLC、PC等設(shè)備的中央可編程控制器；第二類DP主站(DPM2)為可編程、組態(tài)的設(shè)備。(3) 總線結(jié)構(gòu)及其通信 PROFIBUS—DP支持單主站與多主站兩種系統(tǒng)。單主站系統(tǒng)只有一個(gè)活動(dòng)主站，多主站系統(tǒng)是指在總線上連有多個(gè)主站。任何一個(gè)主站都可以讀取DP從站上輸入/輸出的信息，但有一個(gè)限制：只有一個(gè)DP主站允許對(duì)從站寫數(shù)據(jù)。圖24為PROFIBUSDP系統(tǒng)。若干個(gè)DP主可以用讀功能訪問一個(gè)DP從PROFIBUSDP多主系統(tǒng)的組成：多個(gè)主設(shè)備（1類or 2類）1到最多124個(gè)DP從在同一個(gè)總線上最多126個(gè)設(shè)備圖24 PROFIBUSDP多主系統(tǒng) The multimaster PROFIBUSDP systems 本章小結(jié)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被稱為自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它不僅僅是一個(gè)基層的網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種新型全分布式、開放式的控制系統(tǒng)，PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是目前廣泛應(yīng)用的一種非常成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在自身的產(chǎn)品上提供PROFIBUS接口。本章首先介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)特