摘 要：本文主要探討基于模塊化生產線的總線網絡系統(tǒng)設計，即在多臺PC機、一條MPS生產線以及多臺PLC的系統(tǒng)環(huán)境下，實現(xiàn)對MPS的資源共享和優(yōu)化管理，保證每一臺PC機都有機會與各臺PLC聯(lián)機通訊。本系統(tǒng)利用RS-232C總線與單片機組成總線網絡系統(tǒng)，在總線網絡中以單片機作為控制站，通過RS-232C總線、總線適配電路，再配以相應的軟件程序，實現(xiàn)對MPS的控制系統(tǒng)資源——PLC進行管理與優(yōu)化配置。本設計成果的意義在于最大限度的利用MPS教學培訓系統(tǒng)的資源，充分提高實驗設備的利用率、可操作性，以便在有限的時間內取得最佳的教學效果。 關鍵詞：模塊化生產線; 資源共享; RS-232C總線 1 引言 　　在工業(yè)控制領域，傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式已經越來越不能滿足工業(yè)自動化的要求，這種控制方式不但耗時、費力而且很不完善。工業(yè)自動化控制系統(tǒng)發(fā)展到今天，隨著通訊技術的不斷提高，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)了利用上位機通過現(xiàn)場總線通信來控制生產線的全新模式。本設計中的控制系統(tǒng)是針對FESTO公司生產的模塊化加工生產系統(tǒng)設計的現(xiàn)場總線網絡控制系統(tǒng)。 　　德國FESTO公司的MPS（Modular Production System）模塊化生產加工教學與培訓系統(tǒng)，是一個完整的面向自動化控制技術的培訓系統(tǒng)，它由多個模塊組成，是一個完全開放型的操作系統(tǒng)，操作人員可根據(jù)不同的需要進行各種模塊的組合、擴展和控制。MPS系統(tǒng)很接近實際工業(yè)生產系統(tǒng)，因此基于MPS系統(tǒng)的培訓在大學工科教學中是很有實際意義的。 　　但MPS教學培訓系統(tǒng)價格昂貴、數(shù)量有限，為了最大限度的利用MPS教學培訓系統(tǒng)的資源，充分提高實驗設備的利用率，并在有限的時間內取得最佳的教學效果，因此需要設計一套完善的資源分配與管理系統(tǒng)，通過資源的優(yōu)化配置實現(xiàn)資源共享、分時選用等要求。本文對實現(xiàn)資源共享的總線網絡系統(tǒng)的結構、功能以及軟硬件設計內容進行了描述。 2 總體方案設計 　　德國FESTO公司的MPS模塊化自動加工生產線是一套模擬加工生產線教學與培訓設備，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)，對整個自動加工生產線進行過程控制。 　　總線網絡系統(tǒng)設計所要解決的核心問題是：對控制MPS自動生產線的可編程控制器———PLC實現(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機可以分時與同一臺PLC進行通訊，實現(xiàn)多臺PC機對MPS生產線的某一個工作站進行控制;而“一選多”就是指某一臺PC機能夠分別與多臺PLC進行通訊，實現(xiàn)一臺PC機對MPS生產線的多個工作站進行控制。 　　在進行總線網絡系統(tǒng)設計時，首先要確定硬件設計方案，也就是把總線網絡系統(tǒng)中的硬件環(huán)境設備——多臺PC機和多臺PLC，通過硬件電路設計有序的連接在一起，再配合一些必要的其他設備實現(xiàn)資源共享和分配管理工作。為了實現(xiàn)多臺PC機對PLC資源共享，本設計提出了一種以一臺單片機為控制站的總線網絡設計方案。這一總線網絡設計方案是由多臺PC機，一臺AT89C51單片機，通過RS232總線和總線適配電路實現(xiàn)對PLC的資源共享。 　　要通過總線網絡實現(xiàn)資源共享,除了完善的硬件環(huán)境外,還必須開發(fā)相應的通訊程序與之匹配。通訊程序設計分為兩個部分：一是單片機的通訊程序設計，二是PC機的通訊程序設計。單片機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，以便接收PC機發(fā)出的聯(lián)機申請，并根據(jù)申請內容發(fā)送聯(lián)機許可信號。PC機通訊程序是應用現(xiàn)成的編程軟件來設計的，它的主要功能是發(fā)送聯(lián)機申請并接受聯(lián)機許可信號。這些通訊程序不是獨立的，它需要與總線網絡的硬件適配電路相配合，兩者只有共同作用才能夠實現(xiàn)資源共享和優(yōu)化管理。 3 總線網絡的硬件設計 　　總線網絡的硬件設計就是要設計能夠實現(xiàn)資源共享和分配管理的總線適配電路?？偩€適配電路由兩部分電路組成，一部分是單片機輪詢電路，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單片機采用輪詢的方法，通過RS-232C總線接收各PC機發(fā)出的聯(lián)機申請信號和聯(lián)機機號等信息，單片機經程序分析后向該PC機發(fā)出允許聯(lián)機信號，并發(fā)出指令接通PC機所要連接的PLC的控制信號線，接下來就可以把在PC機已編好的程序通過總線RS-232C下傳到PLC，實現(xiàn)PLC的資源共享。 　　3.1 單片機輪詢電路設計 　　單片機要輪詢各PC機發(fā)出的聯(lián)機申請，就是要實現(xiàn)PC機與單片機之間的通訊，在實現(xiàn)PC機與單片機之間的通訊時，通常采用標準串行總線通信接口RS-232C。RS-232C是在異步串行通訊中應用最廣的標準總線。PC機與單片機最簡單的連接是零調制三線經濟型，這是進行全雙工通信所必須的最少線路。PC機與單片機、PLC通過9芯標準插座連接。本設計的單片機輪詢電路由CD4052芯片和MAX232芯片組成。CD4052芯片是雙路、四通道模擬多路轉換器，一片CD4052芯片可實現(xiàn)對四臺PC機進行輪詢。MAX232是實現(xiàn)把RS-232C電平轉換為TTL電平的電平轉換專用集成芯片。單片機輪詢電路原理如圖1所示。 [align=center] 圖1 單片機輪詢電路原理圖[/align] 　　3.2 資源共享電路設計 　　資源共享電路設計是要實現(xiàn)“多選一”和“一選多”的功能。即多臺PC機可以分時與同一臺PLC進行通訊，而某一臺PC機能夠分別與多臺PLC進行通訊。本設計采用以RS-232C總線和多位數(shù)據(jù)選擇器為核心的集成電路方案。該集成電路通過設計成行列結構形式的開關網絡電路來實現(xiàn)資源共享。PC機與PLC的通訊也采用標準串行總線通信接口RS-232C，用最簡單的三線連接方式，因此本設計選用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關。CD4053芯片是三路、雙通道模擬多路轉換器。以四臺PC機共享五臺PLC為例，開關網絡電路需要四乘五總共二十個數(shù)據(jù)選擇開關，即要用二十個CD4053芯片排列成四行五列（或五行四列）的行列結構形式，構成資源共享電路，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 　　當單片機輪詢到某一臺PC機要與某一臺PLC聯(lián)機通訊時，由單片機給與之相連的相應的CD4053芯片控制信號線發(fā)出控制信號，使該芯片的開關通道接通，實現(xiàn)某一臺PC機與某一臺PLC聯(lián)機通訊。 4 總線網絡的通訊軟件設計 　　4.1 PC機通訊程序的設計 　　PC機通訊程序是要實現(xiàn)PC機發(fā)送聯(lián)機申請信號，并可接收單片機發(fā)回的聯(lián)機許可信號等。為此要設計一個如圖3所示的控制面板。 [align=center] 圖3 控制面板示意圖[/align] 　　在總線網絡系統(tǒng)通訊中，是采用詢問與應答的方式進行通信聯(lián)絡。為保證通信的可靠性及信息傳遞的準確性，故為通信中主要的命令字制定了一個簡單的通訊協(xié)議。PC機通信軟件和單片機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機號，中間三位為PC機機號。 　　00XX XXXX 為PC機退出聯(lián)機命令字; 　　01XX XXXX 為PC機申請聯(lián)機命令字; 　　10XX XXXX 為單片機允許聯(lián)機命令字; 　　11XX XXXX 為資源占用命令字。 　　PC機通訊程序完成的功能是當PC機要與某臺PLC的進行聯(lián)機調試時，先在控制面板的對話框中輸入由兩位申請聯(lián)機命令字、三位PC機機號和三位PLC機號組成的字符串，點擊確定按鍵，此時PC機通訊程序將這八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機的串行口;當該臺PLC沒有被占用時，接收單片機發(fā)回的聯(lián)機允許信號，并點亮控制面板上的綠色指示燈;一旦該臺PLC已被占用，則接收單片機發(fā)回資源占用信號，并點亮控制面板上的黃色指示燈;當PC機與某臺PLC的聯(lián)機調試完成，則在控制面板的對話框中輸入由兩位退出聯(lián)機命令字、三位PC機機號和三位PLC機號組成的字符串，點擊確定按鍵，此時PC機通訊程序將這八位字符串通過RS-232C總線發(fā)送給單片機的串行口，并關斷控制面板上的指示燈。點擊退出按鍵，則退出通訊程序。 　　PC機通訊程序是應用VB編程軟件來設計的。控件MSComm可設置串行通訊的數(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)議進行設置。它是一個標準的十位串口通訊，包括八位標準數(shù)據(jù)位、一個起始位和一個停止位。 　　4.2 單片機通訊程序的設計 　　在單片機與PC機進行數(shù)據(jù)通信的過程中，每次通信是由相應的PC機發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀，單片機通訊程序完成的功能是通過串行口輪詢接收PC機發(fā)出的命令字符，并對此字符進行分析判斷，以確定哪臺PC機與哪臺PLC聯(lián)機，當該臺PLC沒有被占用時，再由軟件發(fā)出聯(lián)機控制信號給兩者對應的開關芯片，使該芯片導通，則使該臺PC機與所選定PLC的進行聯(lián)機調試，并給PC機發(fā)回允許聯(lián)機信號。一旦該臺PLC已被占用，則給PC機發(fā)回資源占用信號，暫緩聯(lián)機。當PC機結束與PLC的通訊后，向單片機發(fā)送退出信號，單片機接到該信號后斷開開關芯片，繼續(xù)輪詢。 　　AT89C51單片機內部有一個可編程的全雙工串行通信接口，可以同時進行數(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，單片機接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式。定時器T1選用工作方式2，初值為FDH，晶振頻率11.0592HZ。 5 結束語 　　本文從最大限度地發(fā)揮MPS生產線的價值的角度出發(fā)，本著優(yōu)化資源管理與配置的思想，圍繞MPS生產線開展的大量、基礎性的且有使用價值的設計工作。本設計不僅可以充分利用MPS教學培訓資源，使MPS生產線的工作效率得到提高，還可以實現(xiàn)輔助教學，實現(xiàn)了實驗室管理的智能化、網絡化，并可以激發(fā)學生學習興趣，對于學生認識了解現(xiàn)代工業(yè)自動化技術領域的知識，增強他們的實踐能力都是非常有益的。 　　本文作者創(chuàng)新點：采用CD4053芯片作為數(shù)據(jù)選擇開關，設計了行列結構形式的開關網絡電路來實現(xiàn)資源共享。 參考文獻 　　[1] 李全利，仲偉峰，徐軍.單片機原理及應用 [M].北京：清華大學出版社,2006 　　[2] 劉增輝.模塊化生產加工系統(tǒng)應用技術 [M].北京：電子工業(yè)出版，2005. 　　[3] 夏繼強，孫進.基于現(xiàn)場總線的起重機監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計算機信息，2006,10-1:293-295。