【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