（机械电子工程专业论文）基于cclink现场总线的模块式自动化生产教学系统.pdf

堕苎鋈三兰奎兰三兰璧圭兰堡篓兰 摘要 目前在我国现场总线技术已经在工业机械的各个领域中得到应用，而基 于现场总线的培训系统种类较少，进行机电一体化综合训练的模块式自动化 生产教学系统在国内则更缺乏。这也是大学生综合分析与解决问题的能力较 弱的原因之一。所以我们开发了自己的基于现场总线的模块式自动化生产教 学系统。 全文基于对c c l i n k 现场总线通讯链路和串行通讯技术的分析建立了 模块式自动化生产教学系统的通讯网络，为全文进一步分析与讨论提供了基 础与依据。深入研究了p l c 与计算机之间的通讯技术和p l c 与现场总线之 间的密切关系，并基于此理论基础构建了整个p l c 网络监控系统。现场总 线的p l c 网络监控系统的实现主要包括，底层单机控制系统、通信系统、 数据采集的实现方法以及同上位机的链接。并根据以气动技术为基础，尽可 能多的囊括现代工业生产技术的系统要求，进行了机械气动设计、硬件配 置、软件设计和人机界面的设计。简单分析以太网与现场总线互连的趋势。 系统研制成功后进行了完整的实验教学，证明了该系统的可靠性和功能的完 整性。验证了这套教学系统拥有良好的教学效果。 模块式自动化生产教学系统实际上就是一条柔性自动化生产线。本文通 过构建现场总线控制系统方案模块式自动化生产教学系统的例子，充分 显示了具备双向串行多节点数字通讯的c c l i n k 现场总线控制系统，相对 传统的中央控制网络系统和集散控制系统，表现出良好的全面性和高度的可 靠性。 关键词现场总线；p l c ：模块式自动化生产教学系统；以太网 坠至鉴三些奎兰三兰堡当兰簦篁兰 a b s t r a c t t h ef i e l d b u sh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d so fm e c h a n i c a li n d u s t r y i nc h i n an o w a d a y s h o w e v e r , t h e r ea r en o tm a n yt r a i n i n gs y s t e m sb a s e do nt h e f i e l d b u sa v a i l a b l e ，a n dt h em o d u l et e a c h i n gs y s t e mf o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o n w h i c hc a no f f e rap r o p e re l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i n gt e a c h i n gi sa l s ov e r y l a c k i n gi nc h i n a t h e r e f o r ei ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o ps u c has y s t e m i nt h i st h e s i s ，ac o m m u n i c a t i o nn e to fm o d u l et e a c h i n gs y s t e mf o ra u t o m a t i c p r o d u c t i o ni sb u i l tu p t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo f c c l i n ka n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e t w e e np l ca n dc o m p u t e ra n da f f i n i t yo fp l ca n df i e l db u sa r ed e e p l y a n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s ef o rb u i l d i n gaw h o l ep l cn e t w o r k t h e p l cn e t w o r ks y s t e mo ff i e l d b u si n c l u d e sg r o u n ds t a n d a l o n ec o n t r o ls y s t e m ， c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d a t ac o l l e c t i n ga n dl i n ks y s t e mw i t ht h eh i 曲e rc o m p u t e r t h ew h o l es y s t e md e s i g n e dh a si n t e g r a t e dt h es t a t eo fa r ti n d u s t r yt e c h n o l o g i e s a sm o r ea sp o s s i b l e ，w h e r et h ep n e u m a t i ct e c h n o l o g yi st a k e na sab a s ea n dt h e o t h e r s ，i n c l u d i n gp r o g r e s sc o l l e c t i v i t yp l a n ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，s o f t w a r e d e s i g na n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n a r ec a r r i e do u t f u r t h e r m o r e ，t h e i n t e r l i n k a g eo fe t h e r n e ta n df i e l d b u si sd i s c u s s e d t h i st e a c h i n gs y s t e mh a sb e e n t e s t e di nau n i v e r s i t y , w h i c hh a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n dm e e t st h e f u n c t i o n st h a tr e q u e s t e d m o d u l et e a c h i n gs y s t e mf o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o ni saf l e x i b l ea u t o m a t i o n p r o d u c tl i n ei nf a c t b yt h ec o n s t r u c t i o no ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mp r o j e c ta n d t h r o u g ha ne x a m p l eo fm o d u l et e a c h i n gs y s t e mf o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o nb a s e d o nc c l i n k ，t h i st h e s i sh a ss h o w nt h a tc c l i n ki sc o n v e n i e n ta n de f f e c t i v e c o n t r a s t i n gt ot r a d i t i o n a lc c s ( c e n t e rc o n t r o ls y s t e m ) a n dd c s ( d i s t r i b u t i n g c o n t r o ls y s t e m ) k e y w o r d sf i e l d b u s ，p l c ，m o d u l et e a c h i n gs y s t e mf o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o n ， e t h e m e t ! 室玺鋈三些奎兰三耋丝圭兰竺篁兰 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 本课题来源于深圳职业技术学院。随着工业生产现代化的发展，机电一体 化技术的集成应用正起着越来越重要的作用。融合气动技术、传感器技术、 p l c 技术、现场总线网络通讯技术等众多学科于一身的机电一体化技术，已广 泛应用于冶金、能源、化工、食品、电子等各个领域，并已经成为当今工业自 动化的重要组成部分。作为一个职业培训为主的学院，深圳职业技术学院深 感责任重大，培养适应现代工业企业需求的具有综合技术能力的人才势在必 行，为了达到培养机电一体化综合技术人才的要求，学院组织研制了“基于现 场总线的模块式自动化生产教学系统”。 所设计系统应该可以完成下列综合训练： ( 1 ) 传感器技术培训系统所使用的传感器数量多达四十多个，有电容式 的、电感式的、光电式的以及电磁式，光纤式的，有接触式、非接触式。每一 个都有着各自的特性、发挥着不同的作用，使系统得以可靠工作。学员可通过 了解工作中各类传感器的工作特性来加强对这些传感器的感性认识，熟悉各类 传感器的适用范围及选用方法。 ( 2 1 气动技术培训该系统中使用了大量的气动元件，涵盖了现代气动控制 技术的所有常用元件及相关技术等。其中仅机械手就提供了完全不同的两种形 式，以满足学员的训i 练需求。每台小车都留有一定空间，供使用者根据要求增 加气动元件，以便其能完成纯气动控制、电气动控制、p l c 气动控制及网络气 动控制。 ( 3 ) p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 技术培媚该系统所提供的三套工 作站各自都有一套p l c 控制器，这使得三个工作单元可完全独立的进行控 制，使二十几个学生可以同时进行学习，而且每个学生都有动手机会。在该设 备上学院不但可以学习p l c 的各种控制技术，而且可以学习p l c 的现场网络 控制技术( 现场总线控制技术) 。 ( 4 ) 电气控制系统培训教学系统的三个工作站其电控部分全部按照工业标 准和习惯进行设计，并且以附件方式提供全部设计图纸和说明书。学员在该设 备上可学习电路原理图分析、p l c 各i 0 地址查对和新设备电路连线分析方 法。 ( 5 ) 机械系统安装调试培训教学系统上的三个工作站可以让各组学员将机 械部分全部的或部分的拆去，再按要求将起重新组装，并且调试至系统可正 常、可靠地工作。这对提高在校学生动手能力有极大帮助。 ( 6 ) 系统维护和故障检测技术培调系统各工作站的气、电、传感器、控制 器等可全部拆分，由学员组装。其中可以设置各种故障，供学生分析、判断。 以使学员熟悉机电一体化设备的日常维护以及系统常见故障分析、排除的方 法。 ( 7 ) 现场网络总线c c l i n k ( 或现场总线p r o f i b u s ) 培训系统可安装三菱公 司的c c l i n k 或西门子公司的p r o f i b u s 现场总线，系统可提供现场网络的 硬件联接、主从通信，c c l i n k 组态软件应用等方面的培训。 ( 8 ) 人机界面技术培训系统可根据用户需求配置组态软件控制，本系统可 提供三菱公司的g o t 硬件联接、软件编程及调试等培训。 1 2 基于现场总线的模块式自动化生产教学系统国内外概况 目前在我国气动自动化技术已经在工业机械的各个领域中得到广泛应用， 有关的培训设备如气动教学试验台也有很多种类，但大多数都是纯气动控制， 或单台p l c 控制整个试验台，通讯技术很少应用其中。国外这方面的教学设 备涵盖面非常之广，但造价也比较高，国内的大多数学校承担不起。德国 f e s t o 公司最早开发这种设备，其系统报价3 8 0 万；新加坡理工学院研制的 机电一体化设备报价2 5 万新加坡币，折合人民币1 0 0 多万；天津龙舟科技仪 器有限公司的培训设备也要合人民币7 8 万元。 基于现场总线的模块式自动化生产教学系统由多功能实验台、m p s 物流自 动生产线、p l c 控制系统和现场总线网络管理系统组成。整个系统集气动技 术、传感器技术、电子电气技术、p l c 技术、总线技术、装配技术、传动技 术、机械技术等为一体，学生不仅可以进行各单科知识的学习和实践，而且还 可以进行机电一体化系统的综合训练，它是连接理论知识与生产实际的桥梁。 ( 1 ) 多功能实验台 多功能实验台是基于现场总线的模块式自动化生产教学 系统的重要组成部分，完成机电一体化系统的基础训练。该实验台可以进行气 动基本回路、机械传动、p l c 控制等实验项目。 ( 2 ) m p s 物流自动生产线m p s ( m o d u l a rp r o d u c t i o n ss y s t e m ) 是德国f e s t o 公司结合现代工业企业特点开发研制的模拟自动化生产加工单元。它采用模块 化结构，将气动技术、电气电子、传感器技术、装配技术、机械技术、现场总 线技术综合于一体。选取不同的单元可以组成自己的模拟生产加工系统，最大 可以构成具有9 个单元的m p s 系统。我们选取了由送料、检测、加工装配3 个单元组成的m p s 系统。整条自动线基本涵概了加工一个工件的全部过程， 体现了自动化生产线上物流的概念。 ( 3 ) p l c 控制系统和现场总线网络管理系统多功能实验台和m p s 物流自 动生产线都是由可编程控制器( p l c ) 进行控制的。为了适应自动线的要求，同 时又能展示当今自动化控制技术，以及更好地服务于教学和科研，我们把整条 自动线的控制系统安装在应用于工业现场的控制柜中，并通过现场总线将信号 线和动力线连接到m p s 的各个单元或多功能实验台的接口上。 1 3 现场总线技术 1 3 1 现场总线技术的发展及特点 随着计算机技术、微电子技术以及通信技术的飞速发展，工业自动化控制 系统在发生不断的变革 2 。在进入八十年代以后，现场总线( f i e l db u s ) 技术最早 在欧洲出现。根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总 线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信 网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线 就是将数字通信总线一直延伸到现场仪表，使许多现场仪表，如：变遴器、调 节阀、记录仪、显示器、p l c 及其它自动化设备等可通过一条总线进行双向、 多点、多种信息的数字通信，从而取代目前使用的4 - - 0 2 0 m a 单变量、单向模拟 传输方式 3 】。它具有以下特点【4 】= ( 1 ) 现场总线可以降低传输过程中的噪声干扰，从而提高仪表的精度( 从 o 5 提高到o 1 ) 。 ( 2 ) 用4 - 2 0 m a 模拟信号通信的单向传输，只能进行控制室和现场仪表之间 的点对点通信：而现场总线通信是数字化的信号传输，无论是现场底层传感 器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站以及高速网之间的信 息交换，全部使用数字信号。 ( 3 ) 现场总线可以满足多变量仪表和传输管理、组态、自诊断等信息的要 求。现场总线把i o 及控制功能分散到现场智能仪表中，它们独立完成测量、 校正、调节、诊断等功能，同时用网络协议把他们连接在一起，统筹工作。任 芝尘堡三些奎茎三童堡当兰堡丝墨 何节点出现故障只能影响本身而不会危及全局，这种彻底的分散控制体系使系 统更加可靠。 ( 4 ) 现场总线技术及标准是全开放式的。从总线标准、产品检测到信息发布 都是公开的，面向所有的产品制造商和用户( 目前由于已经确定的标准有多 种，所以严格来说是对遵循某种协议的开放) 。通信网络可以和其它系统或高 速网络相连接，用户可共享网络资源。 ( 5 ) 由于现场总线技术采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行 通信。根据控制系统中节点的空间分布情况采用多种网络拓扑结构。这种多样 性给自动化系统的施工提供了方便。 ( 6 ) 现场总线仪表不再需要上层的a d 、d a 转换部件，降低组建系统费 用。 ( 7 ) 现场总线仪表节省传输电缆，降低组建系统和工程布线的费用。 ( 8 ) 现场总线仪表实现远程在线组态，运行时的故障自诊断和预测性维。 1 3 2c c l i n k 的优点 由于有许多组织、公司、国家提出各自的现场总线标准，造成目前多种现 场总线标准并存的情况【5 1 。各家公司和各组织开发了许多种用于工业现场仪表 和控制室之间的数字通信协议。现在有一定市场的总线约有四十几种。这些总 线标准根据各自的市场定位，在协议的复杂程度，报文长度，通信速率，容错 性，总线的访问仲裁等方面有比较大的差距。有些协议基本上是瞄准同一应用 市场的，如p r o f i b u s p a ，f f ，w o r df i p ；其中有些总线协议是某公司的专利， 如l o n w o r k s ；而有些是开放性的协议，如f f ，p n e t 等【6 。应用比较广泛的 现场总线标准有c c + l i n k 、p r o f i b u s 、c a n 、c o n t r 0 1 n e t 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、w o r df i p 、f f 和h a r t 等。 本文作者对各种总线做了对比后，选用了三菱的c c l i n k 现场总线，其优 点如下： ( 1 ) 高速度大容量的数据传送速度可设定介于1 5 6 k b p s 到1 0 m b p s 间可选 择的5 种通信速度之一。总长度由最大通信速度决定。 ( 2 ) 拓扑结构有多点接入、t 型分支、星型结构3 种型号的电缆及连接器 可以支持将c c l i n k 元件接入任何机器和系统。 ( 3 ) c c l i n k 使分布控制成为现实c c l i n k 同样用于低价的中间控制层网 络。所有的本地站和智能站可以访问循环数据，但不可改变这些数据，如到达 何节点出现故障只能影响本身丽不会危及全局，这种彻底的分散控制体系使系 统更加可靠。 ( 4 ) 现场总线技术及标准是全开放式的。从总线标准、产品检测到信息发布 都是公开的，面向所有的产品制造商和用户( 目前由于已经确定的标准有多 种，所以严格来说是对遵循某种协议的开放) 。通信网络可以和其它系统或高 速网络相连接，用户可共享网络盗源。 ( 5 ) 由于现场总线技术采用数字通信方式，冈此可以采用多种传输介质进行 通信。根据控制系统中节点的空间分布情况采用多种网络拓扑结构。这种多样 性给自动化系统的施工提供了方便。 ( 6 ) 现场总线仪表不再需要上层的a d 、d a 转换部件，降低组建系统费 用。 ( 7 ) 现场总线仪表节省传输电缆，降低组建系统和工程布线的费用。 ( 8 ) 现场总线仪表实现远程在线组态，运行时的故障皂诊断和预测性维， 1 3 2c c 。l i n k 的优点 由于有许多组织、公司、国家提出各自的现场总线标准，造成目前多种现 场总线标准并存的情况 5 】。各家公司和各组织开发了许多种用于工业现场仪表 和控制室之间的数字通信协议。现在有一定市场的总线约有四f 几种。这些总 线标准根据各自的市场定位，在协议的复杂程度，报文长度，通信速率，容错 性，总线的访问仲裁等方面有比较太的差距，有些协议基本上是瞄准同。应用 市场的，如p r o f i b u s p a ，f f ，w o r df m ；其中有些总线协议是某公司的专利， 如l o n w o r k s ；而有些是开放性的协议。如f f p - n e t 等州。应用比较广琵的 现场总线标准有c c ，l i n k 、p r o f m u s 、c a n 、c o n t r o l - n e t 、d e v i c e n e l 、i o n w o r k s 、w o r d f l p 、f f 和h a i 玎等。 本文作者对各种总线做了对比后，选用了三菱的c c l i n k 现场总线，其优 点如下： ( 1 ) 高速度大容量的数据传送速度可设定介于1 5 6 k b p s 到1 0 m b p s 间可选 择的5 种通信速度之一。总长度由最大通信速度决定。 f 2 ) 拓扑结构有多点接入、t 型分支、星型结构3 种型号韵电缆及连接器 可以吏持将c c l i n k 元件接八任何机器和系统。 ( 3 ) c c n n k 使分布控制成为现实c c u 1 1 k 同样用于低价的中阳j 控制层网 络。所有的本地站和智能站可以访问循环数据，但不可改变这些数据，如到达 络。所有的本地站和智能站可以访问循环数据，但不可改变这些数据，如到达 从站或来自从站的r x 、r y 、r w r 、r w w 。如果使用这些循环数据，可以保证 高速的应答和稳定的刷新时间，使中间控制通信、中央控制系统变成现实。有 些应用中要求有控制层和元件层2 种网络，这样的系统可以仅仅只用c c l i n k 。由于c c l i 咄每个站有固定的循环数据的范围，可能使循环数据受到限 制。 ( 4 ) 自动刷新功能、预约站功能以p l c 作为c c l i n k 的主站为例，由主 站模块管理整个网络的运行和数据刷新，主站模块与p l c 的c p u 的数据刷新 可在主站参数中设置刷新参数，便可以将所有的网络通信数据和网络系统监视 数据自动刷新到p l c 的c p u 中，不需要编写刷新程序，简化编程指令，减少 程序运行步骤，缩短扫描周期，保证系统运行实时性。预约站功能在系统的可 扩展性上显示出极大的优越性，也给我们系统开发提供很大的方便。预约站功 能指c c l i n k 在网络组态时，可以将现在不挂上网络而计划将来挂接到c c u n k 的设备，在网络组态时事先将这些设备的系统信息f 站类型、占用数据 量、站号等) 在主站中登录，而且可以将相关程序编写好，这些预约站挂接到 网络中后，便可以自动投入运行，不需要重新进行网络组态 7 】。而且在预约站 没有挂接到网络中时c c l i n k 同样可以正常运行。 ( 5 ) 完善的r a s 功能r a s 是r e l i a b i l i t y ( 可靠性) 、a v a i l a b i l i t y ( 有效性) 、 s e r v i c e a b i l i t y ( n o i 维护性) 的缩写【8 】。备用主站功能、在线更换功能、通信自动恢 复功能、网络监视功能、网络诊断功能提供了一个可以信赖的网络系统，帮助 用户在最短时间内恢复网络系统。 ( 6 ) 优异抗噪性能和兼容性为了保证多厂家网络的良好的兼容性，一致性 测试是非常重要的。通常只是对接口部分进行测试。而且，c c l i n k 的一致性 测试程序包含了噪音测试。因此，所有c c l i i | k 兼容产品具有高水平的抗噪性 能。目前看来，能做到这一点的只有c c l i n k 。除了产品本身具有卓越的抗噪 性能以外，光缆中继器给网络系统提供了更加可靠、更加稳定的抗噪能力。至 今还未收到过关于噪音引起系统工作不正常的报告。 ( 7 ) 互操作性和即插即用以模拟量i o 映射表为例，在映射表中位数据 r x 0 被定义为“读准备好信号”，字数据r w r o 被定义为模拟量数据。由不同 的a 公司和b 公司生产的同样类型的产品，在数据的配置上是完全一样的， 用户根本不需要考虑在编程和使用上a 公司与b 公司的不同，程序基本不用 修改。可实现“即插即用”连接设备。 ( 8 ) 瞬时传送功能c c l i n k 的通信形式可分为2 种方式：循环通讯和瞬时 传送。循环通讯意味着不停地进行数据交换。各种类型的数据交换即远程输入 a t 一。 里筌鎏王兰全茎三：璧圭：竺兰兰 r x ，远程输出r y 和远程寄存器r w r 、r w w 。一个子站可传递的数据容量依 赖于所占据的虚拟站数。占据一个子站意味着适合3 2 位r x 和或r y ，并以 每四个字进行重定向。如果一个装置占据两个虚拟站，那么它的数据容量就扩 大了一倍。除了循环通信，c c l i n k 还提供主站、本地站及智能装置站之间传 递信息的瞬时传送功能 。瞬时传送需要由专用指令来完成。瞬时传送不会影 响循环通信的时间。 本文考虑到学生做实训要求接触知识多样性，设备拆装要有灵活性，同时 具有非常高的安全性，抗磨损，易维修。所以采用c c l i n k 实现各模块之间的 通讯，使该系统能为学员解决不能在实际生产线上操作训练的问题，为指导者 及学员提供了一套符合实际情况的模拟教学环境。指导者可阱对学员进行从设 计，组装，编成，调试，到检查问题和维修等系列课题的不同层次的培训。 1 4 主要的研究的内容 系统中使用了最新的工业自动化技术现场总线技术。利用现场总线的 优势结合工业上己经成熟的p l c 和串行通讯技术设计出完整的底层通讯系统 ( 利用n ：n 网络) ，并且编制人机界面，实现单台控制或多台联控。可对自动化 设备维修工、机械维修工、电工、气动控制工业控制工培训，过程可以从基础 的简单操作和控制逐步扩展到对复杂操作的控制，具有非常强的灵活性。实现 对学员进行从设计，组装，编程，调试到检查问题和维修等一系列课题的不同 层次的培训。主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 分析现场总线技术同以往控制技术比较的优点，深入了解了c c 。l i n k 现 场总线的特点及其的应用领域。 ( 2 ) 研究利用r s 2 3 2 c 串行通讯连接计算机和p l c 的方式及其数据传输方 法。分析了p l c 同现场总线之间紧密联系关系。 ( 3 ) 根据实际的教学要求完成整个系统的机械布局和气动逻辑关系，为气动 基本回路和机械传动等项目培训提供了良好的平台。 ( 4 ) 构造教学系统的现场总线的控制网络系统，其工作包括两个方面：将现 场总线技术集成到教学系统当中，主要是系统的硬件配置设计；系统的监控系 统的设计。 f 5 ) 对监控系统进行了实际测试。 ( 6 ) 对教学系统进行实验教学测试。 堕堡鎏三些奎耋三兰竺圭耋垡篁三 第2 章基于c c l i n k 现场总线的控制网络系统 2 1 可编程控制器的优势 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 的概念、特征最初由美国通 用汽车公司液压工程部于1 9 6 8 年提出，三十多年来得到很大的发展，已经成 为一种新型工业控制装置，在工业上应用广泛f 1o 】。而且市场需求量一直在按照 每年百分之十五的比率上升。形成这一局面有其深刻的原因。 ( 1 ) p l c 集三电于一体所谓三电是指电控、电仪、电传。在实际工作中， 常常要求这三种控制系统并存在一起，但却各不相干1 1 1 】。这主要是因为这三种 控制装置相差太远，无法兼容。而p l c 是在控制装置一级实现三电一体，一 台控制装置既有逻辑控制功能，又有过程控制功能，还有运动控制功能。它灵 活机动，三电一体集成度高，适合于各种规模的自动化系统。 ( 2 ) p l c 网络的| 生能价格比高p l c 网络经过多年的发展，已经成为具有 3 - 4 级的多级分布实网0 2 。加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流 程显示、动态画面显示、各类报表制作的多种功能的系统，在m a _ p 规约的带 动下，可以方便地与其它网络互联。所有这一切使得p l c 网络成为c i m s 系 统非常重要地组成部分之- - ”】。 ( 3 ) p l c 的可靠性高p l c 是一种具有很高可靠性的控制装置，它与可编 程序调节器、d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 系统同被列为“不损坏仪表1 4 1 。 机电一体化气动教学系统是一套模拟实际工业生产中大量复杂的生产与控 制过程的机电一体化教学培训装置。由于本系统的控制对象很多，每一个工作 站都有五个以上的被控气缸，还有若干电气设备，如传感器、步进电机等，所 以不考虑采用全气动控制，以简化控制系统。这里气动p l c 电控的优势很明 显，它有模拟量和开关量输入和输出，逻辑运算、定时、计数、顺序控制、人 机交互，记录和显示功能等等，都符合机电一体化气动教学系统的要求。所以 采用p l c 为该教学系统的基本控制单元，并根据实际情况进行扩展。 2 2 串行通信技术r s 一2 3 2 c 和r s 4 2 2 4 8 5 r s 2 3 2 c 是1 9 6 9 年由e i a 公布的串行通讯接口，r s 是英文“推荐标准” 璺尘篓三些銮耋三耋堡圭兰堡堡兰 一词的缩写，2 3 2 是标识号，c 表示此标准修改的次数，e i ar s 标准所包括的 范围远远超过了通信和计算机。最初发展r s 2 3 2 c 标准是为了促进数据通信在 公共电话网上的应用，当时电话网的连接终端和计算机，除了真正的远程连接 以外，不再使用电话网和调制解调器 1 5 1 。它是- 9 * 标准全双工连接。r s 一2 3 2 c 是目前使用最广泛的串行通信接口标准。其电气接口是单端的、双极性电源供 电电路。用于最远传输距离1 5 m ，最高速率2 0 k p s 的串行二进制数据交换。 e i a 的r s 4 4 9 标准定义了r s 一2 3 2 c 中所没有的1 0 种电路功能，规定用 3 7 脚的连接器。r s 4 2 2 a 是r s 一4 4 9 标准的子集，而目前广泛应用的r s 4 8 5 串行总线接口是r s 4 2 2 的变型。r s 4 8 5 于r s 一4 2 2 的不同之处在于：r s 4 2 2 是全双工，而r s 4 8 5 是半双工的；r s 4 2 2 采用两队平衡差分信号线，r s 一4 8 5 只需要其中的对。r s 4 8 5 对于多站互连是十分方便的。在点对点远程通信 时，其电路连线方式如图2 - 1 所示： t x d i i 使能 焦雎 t x d 图2 一lr s - 4 2 2 4 8 5 互连方案 f i g 2 - 1r s l 4 2 2 ，4 8 5i n t e r l i n k a g es c h e m e 这个电路也可以构成r s 一4 2 2 电气接口( 如虚线所示) ，也可以构成r s 一4 8 5 电气接口( 如实线所示1 。r s 一4 8 5 允许在同一对传输线上最多带3 2 个驱动器和 接收器，其传输率最大为1 0 m b p s ，通讯距离可为几十米到上千米。r s 一4 8 5 具 有抑制共模干扰的能力1 6 】，其接收器具有高度灵敏性，能检测低达2 0 0 m v 的 输入信号，可以高速远距离传送，同时可以节省大量的信号线，用于多站互连 十分方便。因而许多智能仪表、p l c 均配有r s 一4 8 5 总线接口。c c l i n k 主要 是应用r s 一2 3 2 c 和r s 4 8 5 ，另外在实际中使用涉及的问题会在后面本课题具 体使用时详细讲述。 2 3 c c l i n k 开放网络总体方案 2 3 1c c 。l i n k 网络结构 在第一章中已经论述过c c l i n k 现场总线的优点。下面给出c c l i n k 的站 类型和数据结构以及网络结构。c c ，l i n k 有4 种类型的站：主站、本地站、智 能站、远程站。c c l i n k 站的类型的划分与站所能处理的数据类型密切相关， c c l i n k 处理的数据类型有：r x 、r y 、r w w 、r w r 、监控数据、信息数据等 等【1 “。c c l i n k 系统可以连接多种站类型的复合方式，以及连接单一站类型的 多种方式，即一个c c l i n k 系统下挂站的类型没有限制。c c l i n k 的网络结构 如图2 ，2 所示。 图2 - 2 一般的c c - l i n k 的网络结构 f i g2 - 2g e n e r i cc c l i r l kn e t w o r k 如表2 1 和2 - 2 所示c c l i n k 整个一层网络可由1 个主站和6 4 个子站组 成。网络中的主站由三菱电机f x 系列以上的p l c 或计算机担当，子站可以是 远程i o 模块、特殊功能模块、带有c p u 的p l c 本地站、人机界面、变频 器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统等现场仪表设备。 表2 - 1c c l i n k 站的类型 t a b l e2 - 1t h et y p eo f c c - l i n ks t a t i o n 类型描述典型单元数据形式 主站网络的主站控制单元，主站是一个 p l c r x ，r y , r w w , 控制器，每个网络只有一个主站 r w r m e s s a g e 远程i o处理o n o f f 数据，每个网络可以d i 百t a 】 r x r y 有6 4 个远程i o i op n e u m a t i cv a l v e 远程处理o n o f f 数据+ 字数据，每个a n a l o gi o r x r y 网络可以有4 2 个远程设备 设备每个网络可以有4 2 个远程设备t e m pc o n t r o l l e r r w w , r w r 智能设备处理o n o f f 数据+ 字数据+ 信息数 r $ 2 3 2 c i f r x ，r y , r w w , 据，每个网络可以有2 6 个智能设备 r w rm e s s a g e 本地站主站边上的另一个p l c ，l o c a l p l c p l c 是一种智能设备 备用主站是一种智能设备，也是一种l o c a l p l c p l c ；当主站工作时它是一个l o c a l p l c ；当主站出现故障时，它作为 主站r 作；每个网络只有一个备用 主站 表2 2 站处理和数据量的大小及适用的终端 t a b l e2 - 2s t a t i o nm a n a g e ，m a g m t u d ea n dt e r m i n a li np o m t 设备名称描述大小站 大小网络 使用的远程终端 r x 远程输入输入主站本地 3 2 位2 0 4 8 位远程i o 智能设备 站的位数据 主本地站 r y 远程输出从主站本地站 3 2 位2 0 4 8 位远程l j o 智能设备 输出位数据 主本地站 r w r 远程寄存器输入主站本地 4 字节2 5 6 字节远程j o 智能设备 站的字数据 主本地站 r w w远程寄存器 从主站，本地站 4 字节2 5 6 字节远程i o 智能设备 输出字数据 主本地站 信息非刷新数据，大容 智能设备主本地站 量数据 对于模块式自动化生产教学系统来说，每个模块都具有一个完整的控制系 统，每个模块的控制系统相同或相似，这给监控系统的组建带来了极大的方 - - t = ： 篁蛮量三些銮茎三耋堡圭兰堡鎏兰 便。并且由于本系统中各个模块的基本控制单元采用p l c 代替继电器气动控 制系统，对于上层来说相当于起到了隔离的作用，每台p l c 可以单独作业， 同时p l c 通过标准的通讯模块将数据传送到上层。目前p l c 连接的标准通讯 模块一般都是基于r s 一4 8 5 协议的，速度最高可以达到1 0 m ，同时基本可以满 足传输距离的要求。 2 3 2 三菱n ：n 网络概述 n ：n 网络可以达到8 个p l c 网络，在此网络中，数据在确定的刷新范围内 自动在p l c 间进行传送，刷新范围内的设备可由所有的站监视。但是数据写 入和o n o f f 操作只在自己站内有效。n ：n 联网方式比较简单，用单绞线连 接。采用半双工的r s 4 8 5 通讯方式，波特率为3 8 4 0 0 ( b p s ) ，传输距离可以达 到5 0 m ”。联网方式如图所示，本系统分为6 个模块，当模块需要扩展时可以 考虑n ：n 网络。如图2 3 所示。 图2 - 3 n ：n 网络连接图 f i g 2 - 3n ：nn e t w o r kc o n n e c t i o n s 2 4 c c l i n k 通讯链路 2 4 1c c l i n k 通讯原理 c c l i n k 的底层通讯协议遵循r s 一4 8 5 。一般情况下，c c l i n k 主要采用广 播一轮询的方式进行通讯。的方式是：主站将刷新数据( r y r w w ) 发送到所有 从站，与此同时轮询从站l ：从站1 对主站的轮询作出响应( r x r w r ) ，同时将 该响应告知其它从站：然后主站轮询从站2 ( 此时并不发送刷新数据) ，从站2 给出响应，并将该响应告知其它从站；依此类推，循环往复【”】。该方式的数据 传输率非常高。广播一轮询时的数据传输帧格式请参照图2 - 4 左侧图。 ( 1 ) 标准帧格式( 最大9 3 0 字节)( 1 ) 标准帧格式( 悬大9 3 0 字节) fl i !i 1 p f if 1 _ m i 陌at x 晤x j o a t ( 堆大9 1 8 字节)5 罄f p 1 i l i i l 一一l j ( 2 ) 轮询+ 刷新主站( 主站一本地蚰智能设备站 l ；：i | x 憎! r yj 触u 5 j9 1 5i t 虿i i 匿f 量z 辅 ，) i 晕大5 l 掉) 髫1 ( 3 ) 来自从站( 本地智能蛄) 的响应( 刷新数据) ” i ”拌嘴一r y 一，i a 器叫 l l 1 r ：r 1 r1 ； i d a t nc 最大* 佃字节， 旧l r ir 卜| i _ l l j l j f 一一 l 、tj ) ( 2 ) 轮询+ 刷新主站( 主站一本地站智能设备站) 啼郎一卜篇；ml c * 糟一矧 j l l 上：。儿j 一上o ( 3 ) 来自从站( 本地智能站) 的响应( 届目新数据) 州咿”m 峥m 哆m 睁 a ) 广播轮询式数据传输格式b ) 瞬时传输式数据传输格式 图2 - 4 数据传输的帧格式 f i g 2 - 4t h ef r a m ef o r m a to f d a mt r a n s m i s s i o n 除了广播一轮询方式以外，c c l i n k 也支持主站与本地站、智能设备站之 间的瞬时通讯。从主站向从站的瞬时通讯量为1 5 0 字节数据包，由从站向主 站的瞬时通讯量为3 4 字节数据包。瞬时传输时的数据传输帧格式请参照图2 - 4 右侧图，由此可见瞬时传输不会广播轮询的循环扫描时间造成影响。 所有主站和从站之间的通讯进程以及协议都由通讯用l s i - m f p ( m i t s u b i s h i f i e l d n e t w o r k p r o c e s s o r ) 控$ t j 2 0 l ，其硬件的设计结构决定了c c l i n k 的高稳 定的通讯。如图2 - 5 。 鉴查鎏三些兰三兰璺圭耋堡兰兰 图2 - 5 m f p 构成图 f i g 2 - 5m f ps t r u c t u r e 2 4 2c c l i n k 通讯的站台限制 c c l i n k 通讯模块在系统中承担主要的数据传输。如果有底层扩展的话， 底层n ：n 网络中的主站同时连有一块型号为f x 2 n 3 2 c c l 的c c l i n k 通讯模 块，此模块作为二层网络的从站，我们将其记做s u b m a s t e r 。二层网络的主站 是c c l i n k 通讯模块f x 2 n 16 c c l m ，我们将其称作m a s t e r ，每个主站可以连 接6 4 个远程i o 站( 只能处理位信息的远程站) ，远程装罴站( 能处理位信息和 字信息的远程站) 或者本地站( 能与主站和其它本地站通讯并且有c p u 的 站) 【2 ”。但是这也需要满足下列两个条件： ( 1 ) ( 1 a ) + ( 2 b ) + ( 3 e ) + ( 4 x d ) 6 4 a ：占用一个站的模块数；b ：占用2 个站的模块数； c ：占用3 个站的模块数；d ：占用4 个站的模块数。 ( 2 ) ( 1 6 a ) + ( 5 4 b ) + ( 8 8 c ) 2 3 0 4 a ：远程i 0 站的数目6 4 ； b ：远程装置站的数目4 2 ： c ：本地站，备用主站，智能装置站的数目2 6 。 在本系统中，所有的f x 2 n - 3 2 c c l 都作为远程装置站处理，共有3 个 m a s t e r ，每个m a s t e r 可做扩展。 h=】一lu 一 一刚 一。型 一r葱一 哈尔滨工业大学工学颂士学位论义 2 4 3c c l i n k 主站和远程站装置之间的通讯 在前面c c l i n k 的通讯原理中提到过，主站和远程装置站之间采用广播一 轮询的方式实现2 2 1 。如图2 - 6 所示。 p l cc p u 一 s e ty n o 一 s