基于可編程控制技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)模型實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

王二敏，馬前帥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222）

基于可編程控制技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)模型實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

王二敏，馬前帥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222）

針對(duì)市場(chǎng)上可編程控制器的模擬控制對(duì)象占用空間大、線路復(fù)雜、使用不靈活、價(jià)格昂貴等缺陷，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)生產(chǎn)模型實(shí)訓(xùn)裝置，應(yīng)用在PLC、單片機(jī)等控制器類(lèi)實(shí)訓(xùn)室，作為相關(guān)職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)、社會(huì)培訓(xùn)及國(guó)家職業(yè)資格鑒定等的培訓(xùn)和考核裝置。該裝置硬件包括主控模塊、電源模塊、觸摸屏、I/O隔離單元、通信模塊以及可編程控制器等，軟件使用觸摸屏顯示界面，包括基礎(chǔ)訓(xùn)練單元、運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練單元和過(guò)程控制訓(xùn)練單元。所有的訓(xùn)練單元都具有動(dòng)態(tài)效果，可模擬實(shí)際的運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制。

工業(yè)生產(chǎn)模型；控制對(duì)象；可編程序控制；職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)裝置

教學(xué)模擬控制對(duì)象是通過(guò)仿真的方式來(lái)幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容的裝置。目前，各實(shí)訓(xùn)室使用的模擬控制對(duì)象是由分立的控制單元模塊構(gòu)成的，每個(gè)控制模塊附加控制單元電路，這在很大程度上加大了系統(tǒng)成本。同時(shí)，分立的控制單元模塊具有占用空間大、接線復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著職業(yè)技術(shù)教育的發(fā)展，人們希望模擬控制對(duì)象包括多元化的教學(xué)內(nèi)容，具有直觀的示教功能以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。為此，本文研制開(kāi)發(fā)了一套基于可編程控制技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象，以改進(jìn)和提升職業(yè)技術(shù)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象將分立的控制單元模塊集成于一體，應(yīng)用觸摸屏技術(shù)將訓(xùn)練單元模擬仿真實(shí)際的運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)化；應(yīng)用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。按功能劃分整個(gè)系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)?zāi)K（PLC或單片機(jī)系統(tǒng)）、電源模塊、主控模塊、觸摸屏、I/O隔離端子和通信模塊等組成。此外，工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象設(shè)計(jì)為箱體式結(jié)構(gòu)，提高了實(shí)訓(xùn)室的利用率。

本作品的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，箱體式工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

圖2 箱體式工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

ATmega128單片機(jī)作為主控芯片，它主要完成ATmega128與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信、ATmega128與實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的數(shù)據(jù)處理及ATmega128與通信模塊之間的數(shù)據(jù)處理。

在本設(shè)計(jì)中，考慮實(shí)際訓(xùn)練單元，實(shí)驗(yàn)?zāi)K與控制對(duì)象之間留出I/O口適當(dāng)余量。工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象設(shè)計(jì)了48路I/O口、24路輸入口和24路輸出口。而ATmega128單片機(jī)共有64個(gè)引腳，其中I/O口有53個(gè)，所以ATmega128這種特性給編程帶來(lái)了很大的方便。

2.2 觸摸屏

觸摸屏采用北京迪文科技有限公司DMT80600C0 80_02W標(biāo)準(zhǔn)型HMI，它有內(nèi)置的操作系統(tǒng)、CPU控制器以及專(zhuān)門(mén)配置的開(kāi)發(fā)軟件。因此，與一般控制對(duì)象相比在穩(wěn)定性和可靠性方面有大幅度提升。

觸摸屏顯示界面包括各種訓(xùn)練單元，觸摸屏圖形界面的開(kāi)發(fā)主要依賴于DGUS軟件。DGUS軟件支持多種圖片格式，如.jpg、.bmp；制作時(shí)，可將不同的訓(xùn)練單元以圖片的格式添加到DGUS軟件中，DGUS屏的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來(lái)工作的。使用DGUS軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可對(duì)自帶存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)值存取操作以及設(shè)置與ATmega128之間的通訊參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊觸摸屏屏幕來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

采用觸摸屏技術(shù)，將訓(xùn)練單元模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)化。使用DGUS軟件開(kāi)發(fā)，內(nèi)部自帶觸摸屏輸入法、彈出菜單、滑塊拖動(dòng)、增量調(diào)節(jié)、藝術(shù)字和曲線顯示等功能，這些功能都是借助PC機(jī)來(lái)完成的，可大大減少工程師大量的編程工作。

觸摸屏與主控芯片ATmega128采用的通信協(xié)議是串口通信。用戶可以在DGUS軟件中設(shè)置觸控配置，包括通信的波特率、定義數(shù)據(jù)幀幀頭等。DGUS觸摸屏通訊原理如圖3所示。

圖3 HMI通訊原理圖

采用觸摸屏技術(shù)可以直觀明了、淺顯易懂地掌握工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象的工作流程。每一個(gè)項(xiàng)目訓(xùn)練前有一工藝過(guò)程作為訓(xùn)練引導(dǎo)，幫助學(xué)習(xí)者清晰地掌握整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。例如圖4所示是該實(shí)訓(xùn)裝置的部分界面圖。

圖4 觸控界面

2.3 通信部分

設(shè)備管理的網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代實(shí)訓(xùn)室發(fā)展的必然趨勢(shì)，本實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)了無(wú)線通信和以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)室設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理。

2.3.1 無(wú)線通信

ZM2410系列產(chǎn)品為廣州致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)的2.4 GHz的Zigbee模塊，該模塊內(nèi)置了8051單片機(jī)，其中包含了復(fù)雜的SNAP無(wú)線通訊協(xié)議，模塊支持UART串口通信。SNAP是由Synapse公司研制并開(kāi)發(fā)的無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，SNAP為復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了一套簡(jiǎn)單、可靠、完整的智能網(wǎng)方案。同時(shí)，由于使用“對(duì)等網(wǎng)絡(luò)”的理念，功耗和冗余明顯得到優(yōu)化。采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。Zigbee ZM2410最小系統(tǒng)電路圖如圖6所示。

圖5 采用無(wú)線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖6 Zigbee ZM2410最小系統(tǒng)電路圖

ZLGnet是致遠(yuǎn)電子開(kāi)發(fā)的一套無(wú)線路由協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)底層節(jié)點(diǎn)路徑查找、保存、更新等路由功能，用戶可以通過(guò)串口調(diào)試助手“Zigbee-CEL”設(shè)置該模塊的工作參數(shù)，包括通道號(hào)、網(wǎng)絡(luò)ID、本地網(wǎng)絡(luò)地址等。

Zigbee無(wú)線通訊的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)ATmega128編程，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要先查找本地路由是否有路由表，成功后進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用SNAP無(wú)線通信協(xié)議，將PC機(jī)的Zigbee模塊設(shè)置為主機(jī)，這樣PC主機(jī)就可訪問(wèn)任意節(jié)點(diǎn)從機(jī)設(shè)備的信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。

2.3.2 Zigbee的測(cè)試參數(shù)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，Zigbee無(wú)線通訊模塊的通信距離結(jié)果如表1所示。

表1 Zigbee無(wú)線通訊模塊的通信距離

由表1測(cè)試結(jié)果可知，Zigbee模塊的最短通信距離符合實(shí)訓(xùn)室管理的要求。

2.3.3 以太網(wǎng)通信

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧和16 kB存儲(chǔ)器，其中16 kB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程。W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。W5100與MCU接口簡(jiǎn)單，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣。圖7所示為采用以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖。以太網(wǎng)的工作原理如圖8所示。

圖7 采用以太網(wǎng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在本設(shè)計(jì)中，ATmega128與W5100采用SPI總線連接方式，應(yīng)用程序由ATmega128來(lái)執(zhí)行，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)的傳輸則由W5100來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，ATmega128工作在主機(jī)方式，W5100工作在從機(jī)方式，ATmega128通過(guò)SPI接口對(duì)W5100的內(nèi)部寄存器進(jìn)行相關(guān)操作，從而完成對(duì)W5100的控制以及數(shù)據(jù)的傳輸通信。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，PC主機(jī)可以訪問(wèn)位于任何物理位置的通信口，從而可以集中管理大量的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。

圖8 以太網(wǎng)的工作原理

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 MCU通訊設(shè)計(jì)

Atmega128與Zigbee、HMI采用UART串口通信方式。Atmega128串口通訊設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 串口通訊流程圖

3.2 觸摸屏通訊設(shè)計(jì)及程序總體設(shè)計(jì)

HMI接口圖如圖10所示，HMI的波特率設(shè)置是在專(zhuān)門(mén)配置的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行參數(shù)配置。需要注意的是觸摸屏設(shè)置的波特率必須和ATmega128的波特率相一致。

圖10 HMI接口圖

從功能上講，工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象其核心是觸摸屏與Atmega128之間的數(shù)據(jù)處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，為了提高通信數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，在軟件編程中采用CRC校驗(yàn)方式。觸摸屏Atmega128通信無(wú)校驗(yàn)和采用CRC校驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 觸摸屏與Atmega128通信無(wú)校驗(yàn)時(shí)測(cè)試結(jié)果

表3 觸摸屏與Atmega128通信采用CRC校驗(yàn)時(shí)測(cè)試結(jié)果

CRC即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。迪文DGUS屏的串口數(shù)據(jù)幀由5個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)塊的組成

通信幀頭的設(shè)置是用于串口數(shù)據(jù)幀的識(shí)別和同步，DGUS屏出廠通信幀頭預(yù)設(shè)值為0X5A、0XA5。CRC校驗(yàn)不包括幀頭和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，僅針對(duì)指令和數(shù)據(jù)，采用ANSI CRC-16（X16+X15+X2+1）格式，即：當(dāng)啟用CRC幀校驗(yàn)應(yīng)答后，DGUS屏?xí)贑RC校驗(yàn)后自動(dòng)應(yīng)答校驗(yàn)情況，幀頭+02+（DGUS屏接收的）指令+數(shù)據(jù)（0XFF表示CRC校驗(yàn)正確，0X00表示CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤）+CRC。相應(yīng)的程序如下：

程序總流程圖如圖11所示。

圖11 程序總流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象軟硬件的整體設(shè)計(jì)。工業(yè)生產(chǎn)模型控制對(duì)象采用箱體式結(jié)構(gòu)，不僅降低了購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的成本，節(jié)省實(shí)訓(xùn)室的使用空間，而且具有易維護(hù)、易開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，提高了設(shè)備的管理和使用效率。觸摸屏顯示界面包括基礎(chǔ)訓(xùn)練單元、過(guò)程控制訓(xùn)練單元和運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練單元，實(shí)現(xiàn)了多元化的教學(xué)內(nèi)容。采用觸摸屏技術(shù)可實(shí)現(xiàn)示教功能，增加了教學(xué)內(nèi)容的直觀性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用通信模塊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的管理。目前，中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育正在蓬勃發(fā)展，各類(lèi)院校都在建設(shè)工程技能實(shí)訓(xùn)中心，可編程序控制是工科類(lèi)院校不可缺少的課題，所以此產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用的發(fā)展前景十分可觀。

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Design of industrial production model training device based on the programmable control technology

WANG Er-min，MA Qian-shuai
（Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education Tianjin 300222，China）

Programmable controller in the market of the simulation control objects have the disadvantage such as taking up large space，complex lines，unflexible，high price.A kind of industrial production model of control object is designed in this paper，which can be used in the PLC and single-chip computer controller class training rooms，as relevant professional skills training，social training and national vocational qualification training and test device.The device's hardware includes main control module，power module，touch screen，the I/O segregation unit，communication module and the programmable controller，etc.Software uses the touch screen display interface，including basic training unit，motion control unit and the process control training unit.All the training unit has dynamic effect，which can simulate the actual motion and process control.

industrial production model；control object；programmable control；vocational skills training device

TP273

A

2095－0926（2015）01－0030－05

2014-12-23

王二敏（1988—），女，技師，研究方向?yàn)榭删幊绦蚩刂萍夹g(shù).