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正文內(nèi)容

工程碩士學位現(xiàn)場總線技術在柔性制造中的應用研究畢業(yè)論文-文庫吧

2025-06-09 14:57 本頁面


【正文】 發(fā)展的特點、現(xiàn)場總線技術發(fā)展的特點和優(yōu)點以及嵌入式系統(tǒng)的特點,提出了將現(xiàn)場總線技術中的嵌入式總線橋應用于FMS的方案,以達到改善和提高FMS之目的。 研究內(nèi)容本課題將在充分研究目前國內(nèi)傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)的前提下,結(jié)合目前我國國內(nèi)Profibus現(xiàn)場總線的研究現(xiàn)狀,提出將Profibus現(xiàn)場總線技術應用于FMS的方法,在今后的研究中,將通過研究Profibus現(xiàn)場總線技術,利用專用集成芯片開發(fā)基于ProfibusDP協(xié)議的從站,對從站進行軟件與硬件的開發(fā),通過編寫數(shù)據(jù)庫文件,實現(xiàn)與主站的基本數(shù)據(jù)通信。為了使研究具有實際應用價值,本研究將建立在一個小型柔性制造系統(tǒng)模型基礎上,通過對柔性制造模型中各個單元的控制與管理,驗證系統(tǒng)的性能,為實際應用提供理論與現(xiàn)實依據(jù)。具體內(nèi)容分四個層次:(1)研究ProfibusDP現(xiàn)場總線橋的原理及應用,構建柔性制造系統(tǒng)站點集成方案 在構建系統(tǒng)集成方案過程中,第一個要解決的關鍵技術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)場的大部分設備接口是RS485,需要解決二者之間的轉(zhuǎn)換。第二個問題是總線存取協(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)場總線橋的通信原理,設計主站與從站的硬件結(jié)構 在完成集成安裝的基礎上,在ProfibusDP通信方面,關鍵是設備通信接口解決方案,在設計從站的方案中,一般有三種:一種是直接用單片機實現(xiàn),這種方案開發(fā)周期長,測試復雜;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與單片機結(jié)合,其中單片機不參與處理總線協(xié)議,這種方案開發(fā)成本較低,技術指標高。這一部分將對三種方案進行理論與實踐分析,并最終確定一種最合理的方案,同時,將進一步研究這種方案需要設計的外圍電路,并搭建一個調(diào)試與測試平臺需要的Profibus系統(tǒng),用于以下在柔性制造系統(tǒng)中的應用。(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上,進一步研究通信單元與現(xiàn)場設備的接口電路與數(shù)據(jù)交換技術。在現(xiàn)場設備端,ProfibusDP一般采用RS485傳輸技術,為了達到抗干擾的目的,將進一步研究信號與電源的隔離技術,如在接口電路上采用光隔離及變壓器隔離技術等,這是這一部分設計的關鍵。在數(shù)據(jù)格式的定義上也是一個重點研究的內(nèi)容。(4)軟件的編制 通過討論分析,軟件應包含管理、控制、監(jiān)控、報警等功能,軟件設計的技術關鍵在于接口的控制。(5)在實驗系統(tǒng)中的應用 通過搭建柔性實驗平臺,應用前面研究成果構建實驗通信系統(tǒng),進行系統(tǒng)調(diào)試實驗和實驗結(jié)果分析,驗證軟硬件研究成果。 重點解決的關鍵問題(1)構建基于ProfibusDP總線的通信與控制的網(wǎng)絡系統(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。(2)現(xiàn)場總線單元與柔性制造單元之間的接口電路設計。(3)軟件的編制以及對各接口的控制與管理。 本課題結(jié)構本課題的研究工作主要是研究設計一個適合制造加工車間環(huán)境的實時數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)測系統(tǒng),為機械加工生產(chǎn)管理及維護人員提供及時準確的環(huán)境信息,推動柔性制造系統(tǒng)向自動化、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,簡要介紹了現(xiàn)場總線技術和柔性制造技術發(fā)展及出現(xiàn)的問題,引出選題依據(jù)及研究內(nèi)容。第2章介紹了現(xiàn)場總線的概念、特點、發(fā)展歷程、協(xié)議模型及技術體系結(jié)構;論述了ProfibusDP現(xiàn)場總線的基本原理、功能、報文結(jié)構、總線定時及數(shù)據(jù)庫文件。第3章論述了嵌入式系統(tǒng)的特點、分類,介紹了ProfibusDP從站接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理,并對其從站接口進行方案比較、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。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從站在柔性制造實驗系統(tǒng)的應用。介紹了其試驗平臺搭建,系統(tǒng)安裝、軟件調(diào)試、調(diào)試原理及實驗結(jié)果分析。5第2章 構建PROFIBUSDP現(xiàn)場總線集成方案 現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線定義現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(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)、多點的通信網(wǎng)絡,是自動化領域發(fā)展的熱點之一,被稱為自動化領域內(nèi)的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡的基礎,它起到溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場的控制設備之間以及與更高級別的控制管理層之間進行聯(lián)系的作用。所以它不僅僅是一個基層的網(wǎng)絡,而且還是一種新型全分布式、開放式的控制系統(tǒng)[13]。 現(xiàn)場總線的結(jié)構特點現(xiàn)場總線系統(tǒng)遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構形式。在傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)中,一般設備之間采用一對一的連線,位于現(xiàn)場的設備和管理層的控制器之間均采用一對一的物理連接。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)與此有很大的區(qū)別,由于采用了智能設備,所以,現(xiàn)場總線可以把控制室的控制模塊置入現(xiàn)場設備中,同時現(xiàn)場設備也具有通信的能力,這樣就徹底實現(xiàn)了現(xiàn)場分散的控制[1416]。兩種結(jié)構對比,如圖21所示。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)示意圖圖21 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構對比 Structure contrast in Fieldbus control system and traditional control system 現(xiàn)場總線的技術特點現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場設備,控制系統(tǒng)功能直接在現(xiàn)場完成,而不依賴控制室,實現(xiàn)徹底的分散性控制。具有以下特點[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,不同設備之間能進行互連,并實現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場總線研究的目的就是要一個建立統(tǒng)一的基于工廠現(xiàn)場級網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。這個開放系統(tǒng)可以與任何相同標準的其它智能設備或系統(tǒng)相連。(2) 互可操作性與互用性 所謂的互可操作性是指,可以實現(xiàn)互連的設備、系統(tǒng)之間的信息溝通可實行一點對一點、一點對多點的通信,而互用性指的是不同生產(chǎn)廠家之間的類似設備可以進行互換互用。(3) 現(xiàn)場設備智能化與功能的自治性 現(xiàn)場總線將數(shù)字處理與控制等智能功能分散到各個現(xiàn)場的設備中進行完成,靠現(xiàn)場的設備就完全可完成諸多自動控制的基本功能。(4) 系統(tǒng)結(jié)構的高度分散性 現(xiàn)場設備可完成自動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)合而構成的集散控制體系,大大提高了可靠性。(5) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性 現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設備前端,支持同軸電纜、雙絞線、光纜、紅外線、電力、射頻線等,具有較強的抗干擾能力。 現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線結(jié)構的簡化,使控制系統(tǒng)體現(xiàn)出優(yōu)越性,優(yōu)點如下[19]:(1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 現(xiàn)場總線系統(tǒng)不需要單獨的計算單元,可以用PC機作為操作站,這樣可節(jié)省硬件投資。(2) 節(jié)省安裝費用 由于接線十分簡單,這樣既節(jié)省了投資,也減少工作量。據(jù)有關試驗的測算資料,可節(jié)約安裝費用達60%以上。(3) 節(jié)省維護開銷 現(xiàn)場控制設備具有自診斷功能,這些診斷信息可送往控制室,在控制室可以查詢相關信息,以便快速排除故障,縮短維護時間。(4) 用戶具有高度系統(tǒng)集成主動權 由于采用現(xiàn)場總線技術,用戶便可以選不同的廠商的設備進行集成系統(tǒng),這樣可避免系統(tǒng)集成不兼容的問題,使系統(tǒng)集成過程中的主動權掌握在用戶自己手中。(5) 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 現(xiàn)場總線設備在測量與控制的準確度大大提高,同時由于系統(tǒng)的結(jié)構簡化,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能也有所加強,減少了信號的往返傳輸,進而可提高系統(tǒng)工作的可靠性。 PROFIBUS現(xiàn)場總線的技術概述PROFIBUS符合國際標準IEC61158,IEC61158是一種國際性開放式的現(xiàn)場總線標準,它具有獨特的技術特點、開放的標準。自動化設備生產(chǎn)廠商目前都為他們的設備提供標準的PROFIBUS接口。PROFIBUS根據(jù)應用特點可分為PROFIBUS—PA,PROFIBUS—DP,PROFIBUS—FMS三個兼容部分[20]。(1) PROFIBUSPA 主要是應用在面向過程自動化系統(tǒng)的設計方面, 適合于防爆場合,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)議是擴展的PROFIBUSDP。傳輸技術方面采用的是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。 (2) PROFIBUSDP PROFIBUSDP的使用取代了模擬信號線,由于協(xié)議較簡單,它適用于分布式控制系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)傳輸,主要應用在制造業(yè)中的現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡,特點是高速低成,在傳輸速度上,~12Mbps。(3) PROFIBUSFMS 用于解決車間級的通信任務,適用于大范圍和較為復雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUSFMS與PROFIBUSDP在傳輸技術上是相同的,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。本設計將采用PROFIBUSDP總線技術。 PROFIBUS技術的主要發(fā)展歷程從80年代就開始,學者們就對現(xiàn)場總線技術進行了研究,國際上眾多設備制造商陸續(xù)推出他們各自的總線標準以及總線產(chǎn)品。目前,像這樣的現(xiàn)場總線在全球就有200多種,它們各有各自的優(yōu)勢和特點,但有個問題是,他們不能形成統(tǒng)一的標準,國際電工委員會從1984年開始,經(jīng)過長期的探討,最終形成了國際現(xiàn)場總線標準IEC61158。標準中,共采用了8種現(xiàn)場總線技術,而PROFIBUS就是其中第三種。PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場總線國際標準,它所應用的領域包括樓宇智能化、過程自動化、加工制造等行業(yè),它是目前廣泛應用的一種非常成熟的現(xiàn)場總線,設備生產(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),已安裝運行的帶有PROFIBUS總線的設備超過1000萬。我國的中國現(xiàn)場總線專業(yè)委員會成立于1997年6月,并建立了PROFIBUS現(xiàn)場總線產(chǎn)品演示及認證實驗室,其主要的職責是推廣PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的應用研究,同時開展我國PROFIBUS現(xiàn)場總線產(chǎn)品認證工作。 PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關系PROFIBUS現(xiàn)場總線可以將設備從底級到中間執(zhí)行級分散開來。由于通信協(xié)議進行了優(yōu)化,所以不需要復雜的接口就可以實現(xiàn)。如果拿ISO/OSI協(xié)議模型進行比較,PROFIBUS協(xié)議包含第7層,如圖22所示[21]。 53河北科技大學碩士學位論文7應用層6表達層5會話層4傳輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層ISO/OSI模型應用過程用戶層7應用層網(wǎng) 絡 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)議模型的關系 The relationship of PROFIBUS agreement and ISO/OS model agreement。 PROFIBUS技術體系結(jié)構圖23 PROFIBUS體系結(jié)構 PROFIBUS architecture PROFIBUSDP現(xiàn)場總線PROFIBUSDP現(xiàn)場總線有特定的硬件結(jié)構,專用的通信報文結(jié)構以及預先規(guī)定的總線定時。下面就這幾個方面分別敘述[2232]。 PROFIBUSDP的概念DP的英文是Decentralized Periphery,即分散化外圍設備。PROFIBUSDP主要是應用于現(xiàn)場設備級,它響應的時間從幾微秒到幾百毫秒,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個報文多達144個字節(jié),傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。PROFIBUSDP可以廣泛地應用于電氣傳動領域,低壓電控配電成套設備,數(shù)控加工設備,樓宇自動化等。PROFIBUSDP協(xié)議是專為自動化工廠中的分布式I/O設備和現(xiàn)場設備所要求的高速數(shù)據(jù)通信而設計的。典型的DP配置為單主站結(jié)構,DP主站和DP從站之間的通信是遵從主從原則的。也就是說當主站需要時,DP從站僅僅可以變的主動一些,DP主站和從站之間的用戶數(shù)據(jù)可以進行連續(xù)不斷的交換,而不需管用戶的數(shù)據(jù)怎樣。 PROFIBUSDP現(xiàn)場總線的基本原理及基本功能(1) 傳輸技術 采用RS485傳輸技術,傳輸介質(zhì)可以選擇雙絞線電纜或屏蔽雙絞線電纜,也可以選擇光纜進行傳輸,~12Mbps。一般不超過1200m。(2) 設備類型 在PROFIBUS—DP網(wǎng)絡中,有兩種設備: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)的設備。(3) 總線結(jié)構及其通信 PROFIBUS—DP支持單主站與多主站兩種系統(tǒng)。單主站系統(tǒng)只有一個活動主站,多主站系統(tǒng)是指在總線上連有多個主站。任何一個主站都可以讀取DP從站上輸入/輸出的信息,但有一個限制:只有一個DP主站允許對從站寫數(shù)據(jù)。圖24為PROFIBUSDP系統(tǒng)。若干個DP主可以用讀功能訪問一個DP從PROFIBUSDP多主系統(tǒng)的組成:多個主設備(1類or 2類)1到最多124個DP從在同一個總線上最多126個設備圖24 PROFIBUSDP多主系統(tǒng) The multimaster PROFIBUSDP systems 本章小結(jié)現(xiàn)場總線技術是自動化領域發(fā)展的熱點之一,被稱為自動化領域內(nèi)的局域網(wǎng)。作為工業(yè)通信網(wǎng)絡的基礎,它不僅僅是一個基層的網(wǎng)絡,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)場總線國際標準,它是目前廣泛應用的一種非常成熟的現(xiàn)場總線,設備生產(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)場總線的結(jié)構特點、技術特
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