基于模块化生产线的总线网络系统设计

时间:2016年05月11日

摘  要:本文主要探讨基于模块化生产线的总线网络系统设计,即在多台PC机、一条MPS生产线以及多台PLC的系统环境下,实现对MPS的资源共享和优化管理,保证每一台PC机都有机会与各台PLC联机通讯。本系统利用RS-232C总线与单片机组成总线网络系统,在总线网络中以单片机作为控制站,通过RS-232C总线、总线适配电路,再配以相应的软件程序,实现对MPS的控制系统资源——PLC进行管理与优化配置。本设计成果的意义在于最大限度的利用MPS教学培训系统的资源,充分提高实验设备的利用率、可操作性,以便在有限的时间内取得最佳的教学效果。

 

关键词:模块化生产线; 资源共享; RS-232C总线

1 引言

  在工业控制领域,传统的现场控制方式已经越来越不能满足工业自动化的要求,这种控制方式不但耗时、费力而且很不完善。工业自动化控制系统发展到今天,随着通讯技术的不断提高,摆脱了以传统的现场控制方式为主体的控制方式,出现了利用上位机通过现场总线通信来控制生产线的全新模式。本设计中的控制系统是针对FESTO公司生产的模块化加工生产系统设计的现场总线网络控制系统。

  德国FESTO公司的MPS(Modular Production System)模块化生产加工教学与培训系统,是一个完整的面向自动化控制技术的培训系统,它由多个模块组成,是一个完全开放型的操作系统,操作人员可根据不同的需要进行各种模块的组合、扩展和控制。MPS系统很接近实际工业生产系统,因此基于MPS系统的培训在大学工科教学中是很有实际意义的。

  但MPS教学培训系统价格昂贵、数量有限,为了最大限度的利用MPS教学培训系统的资源,充分提高实验设备的利用率,并在有限的时间内取得最佳的教学效果,因此需要设计一套完善的资源分配与管理系统,通过资源的优化配置实现资源共享、分时选用等要求。本文对实现资源共享的总线网络系统的结构、功能以及软硬件设计内容进行了描述。

2 总体方案设计

  德国FESTO公司的MPS模块化自动加工生产线是一套模拟加工生产线教学与培训设备,可以由西门子公司的S7-300型可编程控制器——PLC作为控制系统,对整个自动加工生产线进行过程控制。

  总线网络系统设计所要解决的核心问题是:对控制MPS自动生产线的可编程控制器———PLC实现资源共享。所谓资源共享用一句简单的话来描述就是“多选一”和“一选多”。“多选一”就是指多台PC机可以分时与同一台PLC进行通讯,实现多台PC机对MPS生产线的某一个工作站进行控制;而“一选多”就是指某一台PC机能够分别与多台PLC进行通讯,实现一台PC机对MPS生产线的多个工作站进行控制。

  在进行总线网络系统设计时,首先要确定硬件设计方案,也就是把总线网络系统中的硬件环境设备——多台PC机和多台PLC,通过硬件电路设计有序的连接在一起,再配合一些必要的其他设备实现资源共享和分配管理工作。为了实现多台PC机对PLC资源共享,本设计提出了一种以一台单片机为控制站的总线网络设计方案。这一总线网络设计方案是由多台PC机,一台AT89C51单片机,通过RS232总线和总线适配电路实现对PLC的资源共享。

  要通过总线网络实现资源共享,除了完善的硬件环境外,还必须开发相应的通讯程序与之匹配。通讯程序设计分为两个部分:一是单片机的通讯程序设计,二是PC机的通讯程序设计。单片机通讯程序是利用汇编语言编写的源程序,它的主要功能是轮询各PC机,以便接收PC机发出的联机申请,并根据申请内容发送联机许可信号。PC机通讯程序是应用现成的编程软件来设计的,它的主要功能是发送联机申请并接受联机许可信号。这些通讯程序不是独立的,它需要与总线网络的硬件适配电路相配合,两者只有共同作用才能够实现资源共享和优化管理。

3 总线网络的硬件设计

  总线网络的硬件设计就是要设计能够实现资源共享和分配管理的总线适配电路。总线适配电路由两部分电路组成,一部分是单片机轮询电路,另一部分是资源共享电路。总线适配器电路所要完成的主要工作是:由作为控制站AT89C51单片机采用轮询的方法,通过RS-232C总线接收各PC机发出的联机申请信号和联机机号等信息,单片机经程序分析后向该PC机发出允许联机信号,并发出指令接通PC机所要连接的PLC的控制信号线,接下来就可以把在PC机已编好的程序通过总线RS-232C下传到PLC,实现PLC的资源共享。

  3.1 单片机轮询电路设计

  单片机要轮询各PC机发出的联机申请,就是要实现PC机与单片机之间的通讯,在实现PC机与单片机之间的通讯时,通常采用标准串行总线通信接口RS-232C。RS-232C是在异步串行通讯中应用最广的标准总线。PC机与单片机最简单的连接是零调制三线经济型,这是进行全双工通信所必须的最少线路。PC机与单片机、PLC通过9芯标准插座连接。本设计的单片机轮询电路由CD4052芯片和MAX232芯片组成。CD4052芯片是双路、四通道模拟多路转换器,一片CD4052芯片可实现对四台PC机进行轮询。MAX232是实现把RS-232C电平转换为TTL电平的电平转换专用集成芯片。单片机轮询电路原理如图1所示。

 

基于模块化生产线的总线网络系统设计
图1 单片机轮询电路原理图

 

  3.2 资源共享电路设计

  资源共享电路设计是要实现“多选一”和“一选多”的功能。即多台PC机可以分时与同一台PLC进行通讯,而某一台PC机能够分别与多台PLC进行通讯。本设计采用以RS-232C总线和多位数据选择器为核心的集成电路方案。该集成电路通过设计成行列结构形式的开关网络电路来实现资源共享。PC机与PLC的通讯也采用标准串行总线通信接口RS-232C,用最简单的三线连接方式,因此本设计选用CD4053芯片作为数据选择开关。CD4053芯片是三路、双通道模拟多路转换器。以四台PC机共享五台PLC为例,开关网络电路需要四乘五总共二十个数据选择开关,即要用二十个CD4053芯片排列成四行五列(或五行四列)的行列结构形式,构成资源共享电路,电路原理如图2所示。

 

基于模块化生产线的总线网络系统设计
图2 资源共享电路原理图

 

  基于模块化生产线的总线网络系统设计  控制信号线
  基于模块化生产线的总线网络系统设计  RS-232C总线

  当单片机轮询到某一台PC机要与某一台PLC联机通讯时,由单片机给与之相连的相应的CD4053芯片控制信号线发出控制信号,使该芯片的开关通道接通,实现某一台PC机与某一台PLC联机通讯。

4 总线网络的通讯软件设计

  4.1 PC机通讯程序的设计

  PC机通讯程序是要实现PC机发送联机申请信号,并可接收单片机发回的联机许可信号等。为此要设计一个如图3所示的控制面板。

 

基于模块化生产线的总线网络系统设计
图3 控制面板示意图

 

  在总线网络系统通讯中,是采用询问与应答的方式进行通信联络。为保证通信的可靠性及信息传递的准确性,故为通信中主要的命令字制定了一个简单的通讯协议。PC机通信软

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