【正文】 摘 要現(xiàn)場總線技術在柔性制造中的應用研究現(xiàn)場總線技術是現(xiàn)代企業(yè)綜合自動化領域研究、應用、發(fā)展的一項新技術，它可以將控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡集成，信息交換的范圍從現(xiàn)場設備、制作車間逐步覆蓋到整個工廠甚至企業(yè)集團。它的出現(xiàn)使自動化領域產(chǎn)生了一場深刻變革，對其他相關領域也產(chǎn)生著深遠影響。本文對目前國內(nèi)外PROFIBUS現(xiàn)場總線的技術研究現(xiàn)狀進行了分析，并在研究傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡存在的缺點基礎上，提出了將嵌入式總線橋技術應用于機加工的柔性制造系統(tǒng)的新方案。通過PROFIBUSDP現(xiàn)場總線技術研究，開發(fā)了基于PROFIBUSDP總線協(xié)議的智能從站，并對智能從站進行軟件及硬件系統(tǒng)開發(fā)，使其具有基本的數(shù)字輸入、輸出、數(shù)顯等功能，實現(xiàn)了從站與PROFIBUSDP主站進行數(shù)據(jù)通信的基本功能，為該技術在柔性制造領域的應用提供了重要依據(jù)。通過本文的研究得出，將PROFIBUSDP現(xiàn)場總線技術應用于機加工的柔性制造系統(tǒng)，可充分發(fā)揮PROFIBUSDP的各種優(yōu)點，并能克服傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)中采用485總線技術的缺陷，對柔性制造技術中通信的改善和提高起到了積極的作用。PROFIBUSDP智能從站的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)對我國PROFIBUS技術深入研究及實際應用起到積極的促進作用。關鍵詞 柔性制造系統(tǒng)；現(xiàn)場總線；PROFIBUSDP；嵌入式總線橋；智能從站IAbstractStudy on Application of Fieldbus in Flexible Manufacturing SystemThe fieldbus is a new technology of research, applications, development of a modern enterprise integrated automation, and it can integrated the control system and munication network and the exchange of information ranging from devices, production workshop and gradually cover the entire plant or enterprise group. It appears that the automation field produces a profound change in other related field, and has a profound influence.In this paper, the author analyzes the status of studying on the technology of the present domestic PROFIBUS in fieldbus, on the basis of shorting for studying the traditional flexible manufacturing system, and proposes a new plan which applies bus bridge embeded into flexible manufacturing system. Through researching PROFIBUSDP fieldbus technology, the author develops the intelligence PROFIBUSDP slave station, and design the software and hardware by it, make it have the functions of digital input, output and digital display basically, realize the tele with PROFIBUSDP main station in data. For this technology in the field of flexible manufacturing application it provides an important basis.According to the paper, applying the PROFIBUSDP fieldbus to flexible manufacturing system, it exerts all kinds of advantages of PROFIBUSDP, and outes the defects of traditional flexible manufacturing system with taking 485 technology. It has positive influence to improve and enhance the flexible manufacturing technology in tele. The PROFIBUSDP intelligence slave station both in software and hardware plays a positive role in promoting forward domestic PROFIBUS technology research and practical application.Key words： flexible manufacturing system, fieldbus, PROFIBUSDP, bus bridge embeded, intelligence slave stationII目 錄目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒 論 1 現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生與發(fā)展 1 柔性制造發(fā)展現(xiàn)狀 2 柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展 2 柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的問題 2 選題依據(jù)及研究內(nèi)容 3 選題依據(jù) 3 研究內(nèi)容 3 重點解決的關鍵問題 4 本課題結構 4第2章 構建PROFIBUSDP現(xiàn)場總線集成方案 6 現(xiàn)場總線 6 現(xiàn)場總線定義 6 現(xiàn)場總線的結構特點 6 現(xiàn)場總線的技術特點 6 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 7 PROFIBUS現(xiàn)場總線的技術概述 7 PROFIBUS技術的主要發(fā)展歷程 8 PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關系 8 PROFIBUS技術體系結構 9 PROFIBUSDP現(xiàn)場總線 9 PROFIBUSDP的概念 10 PROFIBUSDP現(xiàn)場總線的基本原理及基本功能 10 本章小結 11第3章 PROFIBUS－DP從站總線橋技術解決方案 12 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 12 嵌入式系統(tǒng)的定義 12 嵌入式系統(tǒng)的特點 12 嵌入式系統(tǒng)的分類 12 PROFIBUSDP從站接口協(xié)議轉換原理 13 PROFIBUSDP智能從站方案比較 13 單片機+軟件的解決方案 13 使用PROFIBUS通信專用ASIC方案 14 應用總線橋技術的解決方案 15 方案確定 15 本章小結 15第4章 PROFIBUSDP從站硬件選用 17 總線橋特點及選用 17 嵌入式PROFIBUS總線橋OEM產(chǎn)品比較選擇 17 PBOEM2SE技術原理 17 PBOEM2SE技術指標 18 PBOEM2SE外形及布局圖 19 J116針接插件管腳定義說明 19 SE狀態(tài)表 20 J210針接插件管腳定義說明 20 PROFIBUS孔(famel)D型插座與接口板連接方式 21 D型插座的PROFIBUS信號定義 21 連接方式0—PBD型插座 22 外接口轉接板與OEM2SE模塊連接 22 PBOEM2SE接口板功能選擇開關SW1 24 本章小結 24第5章 PROFIBUSDP從站軟件設計 25 通信規(guī)約 25 用戶模板串口通信程序流程圖 26 軟件程序編制：GSD 27 本章小結 32第6章 PROFIBUSDP在柔性制造實驗系統(tǒng)中的應用 33 FMS柔性制造實驗平臺搭建 33 FMS柔性制造實驗平臺基本功能要求 33 系統(tǒng)硬件的搭建 33 FMS柔性制造實驗系統(tǒng)通信系統(tǒng)構建 34 系統(tǒng)的安裝及軟件調(diào)試 34 軟件、硬件的安裝 34 系統(tǒng)調(diào)試 35 調(diào)試系統(tǒng)原理圖 39 實驗結果分析 41 對數(shù)控程序進行集中管理情況測試 41 機床參數(shù)的遠程管理測試 41 機床加工狀態(tài)的遠程監(jiān)控 42 機床加工信息的實時采集 42 本章小結 44結 論 45參考文獻 46攻讀碩士學位期間所發(fā)表的論文 49致 謝 50個人簡歷 51V河北科技大學碩士學位論文第1章 緒 論 現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)場總線技術是順應企業(yè)綜合自動化需求而發(fā)展起來的新技術，是控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡的集成，信息交換的范圍已從現(xiàn)場設備、制作車間逐步覆蓋了工廠到企業(yè)集團[1～4]。第一代過程控制體系結構是20世紀50年代前的基地式的氣動儀表控制系統(tǒng)。第二代過程控制體系結構發(fā)展為使用模擬信號。第三代過程控制體系結構開始出現(xiàn)用數(shù)字信號代替模擬信號，中心控制采用一臺計算機或單片機，以取代控制系統(tǒng)中大部分儀表盤，這種控制系統(tǒng)有很多缺點，比如模擬信號數(shù)字化是在計算機端完成，使得信號在傳輸過程中受到各類干擾，使得系統(tǒng)在抗干擾方面的設計和實現(xiàn)十分困難，此外，計算機一旦出現(xiàn)故障，便會造成整個系統(tǒng)的癱瘓[5]。20世紀80年代開始出現(xiàn)第四代過程控制體系結構，該結構采用嵌入式技術：在現(xiàn)場儀器設備中嵌入微處理器，使現(xiàn)場設備具備了智能化特點，多臺分散在現(xiàn)場微處理器，利用數(shù)據(jù)總線連接在一起，避免了集中式控制系統(tǒng)整體癱瘓的缺點[6]。但是它也存在著一些缺點，如系統(tǒng)不開放、可擴展性不強、可靠性低、集成能力不強等。隨著集成電路的發(fā)展，許多現(xiàn)場設備內(nèi)置微控制器，有智能化的功能，可以實現(xiàn)線性化等功能，設計中，可以在這些設備的基礎上增加一數(shù)據(jù)接口。這樣，在現(xiàn)場設備級傳遞的是數(shù)字信號。這種通信網(wǎng)絡它克服了集散控制系統(tǒng)(DCS)存在的問題，真正實現(xiàn)了分布式控制，具有高度的靈活性和開放性。在現(xiàn)代制造業(yè)中的集成制造系統(tǒng)(CIMS)一般是由和現(xiàn)場設備級、車間監(jiān)控級和工廠管理級等構成的一個多層的大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)[7]，如圖11所示。圖11 總線系統(tǒng)分層控制圖 Layer control sketch of systembus是實現(xiàn)工廠自動化及計算機集成制造系統(tǒng)的基礎。它們底層設備控制、通信、狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備運行主要由現(xiàn)場設備級、車間監(jiān)控級完成；同時也接受管理層下達的生產(chǎn)管理命令并執(zhí)行[8,9]。 柔性制造發(fā)展現(xiàn)狀 柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展隨著產(chǎn)品復雜程度的不斷增加以及產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，在生產(chǎn)過程中必須提高產(chǎn)品制造的柔性以提高生產(chǎn)效率，采用柔性制造的概念可以縮短生產(chǎn)周期，降低能耗，降低生產(chǎn)成本，獲得更好的經(jīng)濟效益。柔性制造系統(tǒng)便是在由此應運而生的[10]。在柔性制造系統(tǒng)領域，西歐、美國和日本走在世界的前列，而美國是最早的國家，起初是由自動生產(chǎn)線改建，用數(shù)控機床代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床再加上數(shù)字控制系統(tǒng)，便構成FMS，在美國，F(xiàn)MS單元得到了快速的發(fā)展，到90年代，柔性制造單元已超過了1萬套。日本與德國在這方面也得到了很好的發(fā)展。1994年初，世界各國已投入運行的柔性制造系大概有3000多條，日本占世界首位，擁有2100多條。當前著名的FMS生產(chǎn)廠家有：日本的LIJ崎、日立精機、法那科、豐田工機；美國的Keameyamp。Trecker, Ingersoll Milling, Cincinnati Milacron, , Bendax Sundstund； Werneramp。Kolb, Burkhardtamp。 Weber, SIEMENS , HullerHilley以及Scharman等[11]。我國發(fā)展的較晚，1986年10月我國第一條FMS投入運行， 863計劃啟動之后，促進了我國FMS技術的發(fā)展，自行開發(fā)和引進了一些系統(tǒng)，至1995年建成約34套柔性制造系統(tǒng)，與歐美、日本相比差距很大，圖12為典型的FMS示意圖。圖12 典型的FMS示意圖 Sketch of typical FMS 柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的問題柔性制造系統(tǒng)發(fā)展雖然日漸成熟，但在網(wǎng)絡信息化、控制模式等方面還有許多待改進的地方，早期，在柔性制造系統(tǒng)的控制方式中，多采用集中控制模式：所有的現(xiàn)場設備都由中央計算機進行控制。這種控制模式使得系統(tǒng)軟件很龐大，所有的功能都要有中心實時去處理，導致計算機運行速度下降，進而可靠性降低。有一個突出的問題是：管理層的網(wǎng)絡技術發(fā)展相當迅速，而車間級和設備級的網(wǎng)絡傳輸技術相對落后，這樣就使得設備級成為了“信息孤島”?，F(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)解決了柔性制造系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的這些問題。早期的柔性制造系統(tǒng)中，信息的傳遞較多的是采用RS23I/O接口、MAP網(wǎng)絡方式或DCS方式，前兩種方式的傳輸速度太低，已經(jīng)無法滿足FMS的要求，對于后兩種方式，MAP不具備實時特性。DCS相對來說是不錯的解決方案，但與現(xiàn)場總線相比，現(xiàn)場總線有更明顯的優(yōu)勢。隨著微控芯片工業(yè)生產(chǎn)中的應用，出現(xiàn)了大量的智能設備，如溫度變送器等，不但具有PID控制和運算功能，還具有輸出特性補償、自診斷、自校驗等功能，這使得FMS的控制結構開始由集中控制的方式向分布式控制模式發(fā)展，而現(xiàn)場總線技術正是這種方式的主要技術。 選題依據(jù)及研究內(nèi)容 選題依據(jù)本課題是基于數(shù)控生產(chǎn)性實訓中心開展的PROFIBUS現(xiàn)場總線應用技術的研究。通過分析柔性制造系統(tǒng)