摘 要：本文主要探討基于模塊化生產線的總線網絡系統設計，即在多臺PC機、一條MPS生產線以及多臺PLC的系統環境下，實現對MPS的資源共享和優化管理，保證每一臺PC機都有機會與各臺PLC聯機通訊。本系統利用RS-232C總線與單片機組成總線網絡系統，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，實現對MPS的控制系統資源——PLC進行管理與優化配置。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 　　在工業控制領域，傳統的現場控制方式已經越來越不能滿足工業自動化的要求，這種控制方式不但耗時、費力而且很不完善。工業自動化控制系統發展到今天，隨著通訊技術的不斷提高，擺脫了以傳統的現場控制方式為主體的控制方式，出現了利用上位機通過現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是針對FESTO公司生產的模塊化加工生產系統設計的現場總線網絡控制系統。 　　德國FESTO公司的MPS（Modular Production System）模塊化生產加工教學與培訓系統，是一個完整的面向自動化控制技術的培訓系統，它由多個模塊組成，是一個完全開放型的操作系統，操作人員可根據不同的需要進行各種模塊的組合、擴展和控制。MPS系統很接近實際工業生產系統，因此基于MPS系統的培訓在大學工科教學中是很有實際意義的。 　　但MPS教學培訓系統價格昂貴、數量有限，為了最大限度的利用MPS教學培訓系統的資源，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，通過資源的優化配置實現資源共享、分時選用等要求。本文對實現資源共享的總線網絡系統的結構、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，對整個自動加工生產線進行過程控制。 　　總線網絡系統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”。“多選一”就是指多臺PC機可以分時與同一臺PLC進行通訊，實現多臺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設計時，首先要確定硬件設計方案，也就是把總線網絡系統中的硬件環境設備——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資源共享和分配管理工作。為了實現多臺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對PLC的資源共享。 　　要通過總線網絡實現資源共享,除了完善的硬件環境外,還必須開發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機發出的聯機申請，并根據申請內容發送聯機許可信號。PC機通訊程序是應用現成的編程軟件來設計的，它的主要功能是發送聯機申請并接受聯機許可信號。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資源共享和優化管理。 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，一部分是單片機輪詢電路，另一部分是資源共享電路。總線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機發出的聯機申請信號和聯機機號等信息，單片機經程序分析后向該PC機發出允許聯機信號，并發出指令接通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機發出的聯機申請，就是要實現PC機與單片機之間的通訊，在實現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芯片可實現對四臺PC機進行輪詢。MAX232是實現把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“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總線和多位數據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芯片作為數據選擇開關。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據選擇開關，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芯片控制信號線發出控制信號，使該芯片的開關通道接通，實現某一臺PC機與某一臺PLC聯機通訊。 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PC機發送聯機申請信號，并可接收單片機發回的聯機許可信號等。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] 　　在總線網絡系統通訊中，是采用詢問與應答的方式進行通信聯絡。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： 　　該命令字有八位數據組成，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機退出聯機命令字; 　　01XX XXXX 為PC機申請聯機命令字; 　　10XX XXXX 為單片機允許聯機命令字; 　　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的進行聯機調試時，先在控制面板的對話框中輸入由兩位申請聯機命令字、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，接收單片機發回的聯機允許信號，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的聯機調試完成，則在控制面板的對話框中輸入由兩位退出聯機命令字、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據發送和接收，對串口狀態及串口通訊的信息格式和協議進行設置。它是一個標準的十位串口通訊，包括八位標準數據位、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機進行數據通信的過程中，每次通信是由相應的PC機發送命令數據幀，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聯機，當該臺PLC沒有被占用時，再由軟件發出聯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的進行聯機調試，并給PC機發回允許聯機信號。一旦該臺PLC已被占用，則給PC機發回資源占用信號，暫緩聯機。當PC機結束與PLC的通訊后，向單片機發送退出信號，單片機接到該信號后斷開開關芯片，繼續輪詢。 　　AT89C51單片機內部有一個可編程的全雙工串行通信接口，可以同時進行數據的發送和接收。串行通信是采用工作方式1，波特率9600b/s，單片機接收數據和發送數據采用查詢方式。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揮MPS生產線的價值的角度出發，本著優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，還可以實現輔助教學，實現了實驗室管理的智能化、網絡化，并可以激發學生學習興趣，對于學生認識了解現代工業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。 　　本文作者創新點：采用CD4053芯片作為數據選擇開關，設計了行列結構形式的開關網絡電路來實現資源共享。 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應用技術 [M].北京：電子工業出版，2005. 　　[3] 夏繼強，孫進.基于現場總線的起重機監控系統[J].微計算機信息，2006,10-1:293-295。