摘 要：本文主要探討基于模塊化生產(chǎn)線的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即在多臺PC機(jī)、一條MPS生產(chǎn)線以及多臺PLC的系統(tǒng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對MPS的資源共享和優(yōu)化管理，保證每一臺PC機(jī)都有機(jī)會(huì)與各臺PLC聯(lián)機(jī)通訊。本系統(tǒng)利用RS-232C總線與單片機(jī)組成總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在總線網(wǎng)絡(luò)中以單片機(jī)作為控制站，通過RS-232C總線、總線適配電路，再配以相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)對MPS的控制系統(tǒng)資源——PLC進(jìn)行管理與優(yōu)化配置。本設(shè)計(jì)成果的意義在于最大限度的利用MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的資源，充分提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率、可操作性，以便在有限的時(shí)間內(nèi)取得最佳的教學(xué)效果。 關(guān)鍵詞：模塊化生產(chǎn)線; 資源共享; RS-232C總線 1 引言 　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式已經(jīng)越來越不能滿足工業(yè)自動(dòng)化的要求，這種控制方式不但耗時(shí)、費(fèi)力而且很不完善。工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展到今天，隨著通訊技術(shù)的不斷提高，擺脫了以傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式為主體的控制方式，出現(xiàn)了利用上位機(jī)通過現(xiàn)場總線通信來控制生產(chǎn)線的全新模式。本設(shè)計(jì)中的控制系統(tǒng)是針對FESTO公司生產(chǎn)的模塊化加工生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 　　德國FESTO公司的MPS（Modular Production System）模塊化生產(chǎn)加工教學(xué)與培訓(xùn)系統(tǒng)，是一個(gè)完整的面向自動(dòng)化控制技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)，它由多個(gè)模塊組成，是一個(gè)完全開放型的操作系統(tǒng)，操作人員可根據(jù)不同的需要進(jìn)行各種模塊的組合、擴(kuò)展和控制。MPS系統(tǒng)很接近實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，因此基于MPS系統(tǒng)的培訓(xùn)在大學(xué)工科教學(xué)中是很有實(shí)際意義的。 　　但MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)價(jià)格昂貴、數(shù)量有限，為了最大限度的利用MPS教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的資源，充分提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，并在有限的時(shí)間內(nèi)取得最佳的教學(xué)效果，因此需要設(shè)計(jì)一套完善的資源分配與管理系統(tǒng)，通過資源的優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)資源共享、分時(shí)選用等要求。本文對實(shí)現(xiàn)資源共享的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及軟硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了描述。 2 總體方案設(shè)計(jì) 　　德國FESTO公司的MPS模塊化自動(dòng)加工生產(chǎn)線是一套模擬加工生產(chǎn)線教學(xué)與培訓(xùn)設(shè)備，可以由西門子公司的S7-300型可編程控制器——PLC作為控制系統(tǒng)，對整個(gè)自動(dòng)加工生產(chǎn)線進(jìn)行過程控制。 　　總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要解決的核心問題是：對控制MPS自動(dòng)生產(chǎn)線的可編程控制器———PLC實(shí)現(xiàn)資源共享。所謂資源共享用一句簡單的話來描述就是“多選一”和“一選多”�！岸噙x一”就是指多臺PC機(jī)可以分時(shí)與同一臺PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)多臺PC機(jī)對MPS生產(chǎn)線的某一個(gè)工作站進(jìn)行控制;而“一選多”就是指某一臺PC機(jī)能夠分別與多臺PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)一臺PC機(jī)對MPS生產(chǎn)線的多個(gè)工作站進(jìn)行控制。 　　在進(jìn)行總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定硬件設(shè)計(jì)方案，也就是把總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的硬件環(huán)境設(shè)備——多臺PC機(jī)和多臺PLC，通過硬件電路設(shè)計(jì)有序的連接在一起，再配合一些必要的其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)資源共享和分配管理工作。為了實(shí)現(xiàn)多臺PC機(jī)對PLC資源共享，本設(shè)計(jì)提出了一種以一臺單片機(jī)為控制站的總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。這一總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案是由多臺PC機(jī)，一臺AT89C51單片機(jī)，通過RS232總線和總線適配電路實(shí)現(xiàn)對PLC的資源共享。 　　要通過總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享,除了完善的硬件環(huán)境外,還必須開發(fā)相應(yīng)的通訊程序與之匹配。通訊程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一是單片機(jī)的通訊程序設(shè)計(jì)，二是PC機(jī)的通訊程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)通訊程序是利用匯編語言編寫的源程序，它的主要功能是輪詢各PC機(jī)，以便接收PC機(jī)發(fā)出的聯(lián)機(jī)申請，并根據(jù)申請內(nèi)容發(fā)送聯(lián)機(jī)許可信號。PC機(jī)通訊程序是應(yīng)用現(xiàn)成的編程軟件來設(shè)計(jì)的，它的主要功能是發(fā)送聯(lián)機(jī)申請并接受聯(lián)機(jī)許可信號。這些通訊程序不是獨(dú)立的，它需要與總線網(wǎng)絡(luò)的硬件適配電路相配合，兩者只有共同作用才能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和優(yōu)化管理。 3 總線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì) 　　總線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和分配管理的總線適配電路。總線適配電路由兩部分電路組成，一部分是單片機(jī)輪詢電路，另一部分是資源共享電路�？偩�適配器電路所要完成的主要工作是：由作為控制站AT89C51單片機(jī)采用輪詢的方法，通過RS-232C總線接收各PC機(jī)發(fā)出的聯(lián)機(jī)申請信號和聯(lián)機(jī)機(jī)號等信息，單片機(jī)經(jīng)程序分析后向該P(yáng)C機(jī)發(fā)出允許聯(lián)機(jī)信號，并發(fā)出指令接通PC機(jī)所要連接的PLC的控制信號線，接下來就可以把在PC機(jī)已編好的程序通過總線RS-232C下傳到PLC，實(shí)現(xiàn)PLC的資源共享。 　　3.1 單片機(jī)輪詢電路設(shè)計(jì) 　　單片機(jī)要輪詢各PC機(jī)發(fā)出的聯(lián)機(jī)申請，就是要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊，在實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信接口RS-232C。RS-232C是在異步串行通訊中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。PC機(jī)與單片機(jī)最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型，這是進(jìn)行全雙工通信所必須的最少線路。PC機(jī)與單片機(jī)、PLC通過9芯標(biāo)準(zhǔn)插座連接。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)輪詢電路由CD4052芯片和MAX232芯片組成。CD4052芯片是雙路、四通道模擬多路轉(zhuǎn)換器，一片CD4052芯片可實(shí)現(xiàn)對四臺PC機(jī)進(jìn)行輪詢。MAX232是實(shí)現(xiàn)把RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平的電平轉(zhuǎn)換專用集成芯片。單片機(jī)輪詢電路原理如圖1所示。 [align=center] 圖1 單片機(jī)輪詢電路原理圖[/align] 　　3.2 資源共享電路設(shè)計(jì) 　　資源共享電路設(shè)計(jì)是要實(shí)現(xiàn)“多選一”和“一選多”的功能。即多臺PC機(jī)可以分時(shí)與同一臺PLC進(jìn)行通訊，而某一臺PC機(jī)能夠分別與多臺PLC進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)采用以RS-232C總線和多位數(shù)據(jù)選擇器為核心的集成電路方案。該集成電路通過設(shè)計(jì)成行列結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路來實(shí)現(xiàn)資源共享。PC機(jī)與PLC的通訊也采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信接口RS-232C，用最簡單的三線連接方式，因此本設(shè)計(jì)選用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關(guān)。CD4053芯片是三路、雙通道模擬多路轉(zhuǎn)換器。以四臺PC機(jī)共享五臺PLC為例，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路需要四乘五總共二十個(gè)數(shù)據(jù)選擇開關(guān)，即要用二十個(gè)CD4053芯片排列成四行五列（或五行四列）的行列結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成資源共享電路，電路原理如圖2所示。 [align=center] 圖2 資源共享電路原理圖[/align] 　　 控制信號線 　　 RS-232C總線 　　當(dāng)單片機(jī)輪詢到某一臺PC機(jī)要與某一臺PLC聯(lián)機(jī)通訊時(shí)，由單片機(jī)給與之相連的相應(yīng)的CD4053芯片控制信號線發(fā)出控制信號，使該芯片的開關(guān)通道接通，實(shí)現(xiàn)某一臺PC機(jī)與某一臺PLC聯(lián)機(jī)通訊。 4 總線網(wǎng)絡(luò)的通訊軟件設(shè)計(jì) 　　4.1 PC機(jī)通訊程序的設(shè)計(jì) 　　PC機(jī)通訊程序是要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)發(fā)送聯(lián)機(jī)申請信號，并可接收單片機(jī)發(fā)回的聯(lián)機(jī)許可信號等。為此要設(shè)計(jì)一個(gè)如圖3所示的控制面板。 [align=center] 圖3 控制面板示意圖[/align] 　　在總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊中，是采用詢問與應(yīng)答的方式進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。為保證通信的可靠性及信息傳遞的準(zhǔn)確性，故為通信中主要的命令字制定了一個(gè)簡單的通訊協(xié)議。PC機(jī)通信軟件和單片機(jī)軟件命令字約定如下： 　　該命令字有八位數(shù)據(jù)組成，其中最高兩位為命令字，最低三位為PLC機(jī)號，中間三位為PC機(jī)機(jī)號。 　　00XX XXXX 為PC機(jī)退出聯(lián)機(jī)命令字; 　　01XX XXXX 為PC機(jī)申請聯(lián)機(jī)命令字; 　　10XX XXXX 為單片機(jī)允許聯(lián)機(jī)命令字; 　　11XX XXXX 為資源占用命令字。 　　PC機(jī)通訊程序完成的功能是當(dāng)PC機(jī)要與某臺PLC的進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，先在控制面板的對話框中輸入由兩位申請聯(lián)機(jī)命令字、三位PC機(jī)機(jī)號和三位PLC機(jī)號組成的字符串，點(diǎn)擊確定按鍵，此時(shí)PC機(jī)通訊程序?qū)⑦@八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機(jī)的串行口;當(dāng)該臺PLC沒有被占用時(shí)，接收單片機(jī)發(fā)回的聯(lián)機(jī)允許信號，并點(diǎn)亮控制面板上的綠色指示燈;一旦該臺PLC已被占用，則接收單片機(jī)發(fā)回資源占用信號，并點(diǎn)亮控制面板上的黃色指示燈;當(dāng)PC機(jī)與某臺PLC的聯(lián)機(jī)調(diào)試完成，則在控制面板的對話框中輸入由兩位退出聯(lián)機(jī)命令字、三位PC機(jī)機(jī)號和三位PLC機(jī)號組成的字符串，點(diǎn)擊確定按鍵，此時(shí)PC機(jī)通訊程序?qū)⑦@八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機(jī)的串行口，并關(guān)斷控制面板上的指示燈。點(diǎn)擊退出按鍵，則退出通訊程序。 　　PC機(jī)通訊程序是應(yīng)用VB編程軟件來設(shè)計(jì)的�？丶﨧SComm可設(shè)置串行通訊的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通訊的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的十位串口通訊，包括八位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)位、一個(gè)起始位和一個(gè)停止位。 　　4.2 單片機(jī)通訊程序的設(shè)計(jì) 　　在單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程中，每次通信是由相應(yīng)的PC機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀，單片機(jī)通訊程序完成的功能是通過串行口輪詢接收PC機(jī)發(fā)出的命令字符，并對此字符進(jìn)行分析判斷，以確定哪臺PC機(jī)與哪臺PLC聯(lián)機(jī)，當(dāng)該臺PLC沒有被占用時(shí)，再由軟件發(fā)出聯(lián)機(jī)控制信號給兩者對應(yīng)的開關(guān)芯片，使該芯片導(dǎo)通，則使該臺PC機(jī)與所選定PLC的進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，并給PC機(jī)發(fā)回允許聯(lián)機(jī)信號。一旦該臺PLC已被占用，則給PC機(jī)發(fā)回資源占用信號，暫緩聯(lián)機(jī)。當(dāng)PC機(jī)結(jié)束與PLC的通訊后，向單片機(jī)發(fā)送退出信號，單片機(jī)接到該信號后斷開開關(guān)芯片，繼續(xù)輪詢。 　　AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串行通信是采用工作方式1，波特率9600b/s，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式。定時(shí)器T1選用工作方式2，初值為FDH，晶振頻率11.0592HZ。 5 結(jié)束語 　　本文從最大限度地發(fā)揮MPS生產(chǎn)線的價(jià)值的角度出發(fā)，本著優(yōu)化資源管理與配置的思想，圍繞MPS生產(chǎn)線開展的大量、基礎(chǔ)性的且有使用價(jià)值的設(shè)計(jì)工作。本設(shè)計(jì)不僅可以充分利用MPS教學(xué)培訓(xùn)資源，使MPS生產(chǎn)線的工作效率得到提高，還可以實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，并可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對于學(xué)生認(rèn)識了解現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的知識，增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力都是非常有益的。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關(guān)，設(shè)計(jì)了行列結(jié)構(gòu)形式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路來實(shí)現(xiàn)資源共享。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 李全利，仲偉峰，徐軍.單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社,2006 　　[2] 劉增輝.模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版，2005. 　　[3] 夏繼強(qiáng)，孫進(jìn).基于現(xiàn)場總線的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006,10-1:293-295。