基于模块化生产线的总线网络系统设计
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、1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1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1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1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1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1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1句简单的话来描述就是“多选1”和“1选多”。“多选1”就是指多台PC机可以分时与同1台PLC进行通讯，实现多台PC机对MPS生产线的某1个工作站进行控制;而“1选多”就是指某1台PC机能够分别与多台PLC进行通讯，实现1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1起，再配合1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1种以1台单片机为控制站的总线网络设计方案。这1总线网络设计方案是由多台PC机，1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：1是单片机的通讯程序设计，2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，1部分是单片机轮询电路，另1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0调制3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、4通道模拟多路转换器，1片CD4052芯片可实现对4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。
图1 单片机轮询电路原理图
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3.2 资源共享电路设计
资源共享电路设计是要实现“多选1”和“1选多”的功能。即多台PC机可以分时与同1台PLC进行通讯，而某1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3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3路、双通道模拟多路转换器。以4台PC机共享5台PLC为例，开关网络电路需要4乘5总共210个数据选择开关，即要用210个CD4053芯片排列成4行5列（或5行4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。
图2 资源共享电路原理图
控制信号线
RS-232C总线
当单片机轮询到某1台PC机要与某1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1台PC机与某1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1个如图3所示的控制面板。
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1个简单的通讯协议。PC机通信软件和单片机软件命令字约定如下：
该命令字有8位数据组成，其中最高两位为命令字，最低3位为PLC机号，中间3位为PC机机号。
00XX XXXX 为PC机退出联机命令字;
01XX XXXX 为PC机申请联机命令字;
10XX XXXX 为单片机允许联机命令字;
11XX XXXX 为资源占用命令字。
PC机通讯程序完成的功能是当PC机要与某台PLC的进行联机调试时，先在控制面板的对话框中输入由两位申请联机命令字、3位PC机机号和3位PLC机号组成的字符串，点击确定按键，此时PC机通讯程序将这8位字符串通过RS-232C总线发送给单片机的串行口;当该台PLC没有被占用时，接收单片机发回的联机允许信号，并点亮控制面板上的绿色指示灯;1旦该台PLC已被占用，则接收单片机发回资源占用信号，并点亮控制面板上的黄色指示灯;当PC机与某台PLC的联机调试完成，则在控制面板的对话框中输入由两位退出联机命令字、3位PC机机号和3位PLC机号组成的字符串，点击确定按键，此时PC机通讯程序将这8位字符串通过RS-232C总线发送给单片机的串行口，并关断控制面板上的指示灯。点击退出按键，则退出通讯程序。
PC机通讯程序是应用VB编程软件来设计的。控件MSComm可设置串行通讯的数据发送和接收，对串口状态及串口通讯的信息格式和协议进行设置。它是1个标准的10位串口通讯，包括8位标准数据位、1个起始位和1个停止位。
4.2 单片机通讯程序的设计
在单片机与PC机进行数据通信的过程中，每次通信是由相应的PC机发送命令数据帧，单片机通讯程序完成的功能是通过串行口轮询接收PC机发出的命令字符，并对此字符进行分析判断，以确定哪台PC机与哪台PLC联机，当该台PLC没有被占用时，再由软件发出联机控制信号给两者对应的开关芯片，使该芯片导通，则使该台PC机与所选定PLC的进行联机调试，并给PC机发回允许联机信号。1旦该台PLC已被占用，则给PC机发回资源占用信号，暂缓联机。当PC机结束与PLC的通讯后，向单片机发送退出信号，单片机接到该信号后断开开关芯片，继续轮询。
AT89C51单片机内部有1个可编程的全双工串行通信接口，可以同时进行数据的发送和接收。串行通信是采用工作方式1，波特率9600b/s，单片机接收数据和发送数据采用查询方式。定时器T1选用工作方式2，初值为FDH，晶振频率11.0592HZ。
5 结束语
本文从最大限度地发挥MPS生产线的价值的角度出发，本着优化资源管理与配置的思想，围绕MPS生产线开展的大量、基础性的且有使用价值的设计工作。本设计不仅可以充分利用MPS教学培训资源，使MPS生产线的工作效率得到提高，还可以实现辅助教学，实现了实验室管理的智能化、网络化，并可以激发学生学习兴趣，对于学生认识了解现代工业自动化技术领域的知识，增强他们的实践能力都是非常有益的。
本文作者创新点：采用CD4053芯片作为数据选择开关，设计了行列结构形式的开关网络电路来实现资源共享。
参考文献
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[3] 夏继强，孙进.基于现场总线的起重机监控系统[J].微计算机信息，2006,10-1:293-295。
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