基于CAN总线的自动化车间物流系统的研制与监控
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摘要
随着科学技术的迅速发展和全球经济一体化时代的到来，作为发展国民经济的主要大支柱之一的制造业正面临着严峻的挑战，和发展机遇。
制造企业的产品质量，加工效率，生产周期和制造成本等引起了广大学者和企业家的高度重视。这样，对制造工业的自动化程度提出了更高的要求，而无线通讯和工业网络技术能提高制造工业的发展，两者的结合更是使工业自动化成为可能，不仅如此，工业网络CAN总线还为联网机器提供了一个高效率、低费用的解决方案。
本文以制造车间的自动化为背景，开展车间物流输送与监控系统的关键技术研究，研发自动导引车(AGV)，开发基于现场总线技术的自动化车间中央监控系统，并进行相关的工程应用验证。
本文着重概述了整个研发过程及相关内容。主要包括：CAN现场总线技术、自动导引车的设计与制作和中央控制系统的设计与实现三大部分。
文章首先介绍了CAN总线的一些基本概念；其次是基于光学控制带AGV的实现，作为一个光、机、电计算机等多项技术融合的系统，AGV的设计涉及诸多关键技术。在文中，对相关的关键技术进行了深入的探讨，并根据本系统的实际情况给出了最经济的实现方法。其机械底盘结构采用四轮式，运动方式为两轮驱动，差速转弯，控制系统主要是利用基于规则的控制方法，在允许误差的条件下实现了对AGV有效控制；然后对车间相关站点的信息采集系统进行设计，主要是以AGV进行监控的CAN智能节点为对象，详细说明了其软件、硬件的设计与实现；最后文章对中央控制系统软件的总体设计，详细设计进行阐述，中央控制系统主要由三大功能模块组成：调度管理模块，数据传输处理模块，工作站点监控模块。
对于相类似制造企业的产品开发，本文进行了一些有益的探索，针对现有系统的不足和如何改造现有一些产品的控制系统，使之符合系统的发展趋势，提出了自己的观点和建议。
With the rapid development of technology and the coming age of economic globalization, the manufacturing industry, which is the mainstay of the national econmic development, not only is facing a rigorous challenge but also a development opportunity.
The quality of the product, efficiency of processing, manufacture period and cost of the enterprise have attracted the highly recognition of scholars and entrepreneurs. Therefore, which makes higher demands on the level of automatization. The wireless communications and the industrial networks are two powerful technologies for the rapidly growing manufacturing industry. The combination of them is the key to productivity v/ith the lowest possible enough to be widely utilized to industrial automation. In addition, the development of industrial network CAN is able to offer a robust and low cost solution to machinery networking.
This paper takes the workshop automatizing as a background, engages in the research of transportation of material flow and primary key technology of monitoring system and AGV (Automatic Guided vehicle) and the technology of central automatic workshop monitoring system based on CAN Field Bus and perform correlative validation of application in engineering.
Firstly, this thesis discusses some fundamental concepts of CAN bus. Secondly, it describes the implementation of AGV based on optical control belt, as a system mixed with many technologies including optics, mechanics, electricity and computer, it involves many key technologies. These technologies are discussed deeply in this paper, and according to practical condition of the system, the most economic implement methods are proposed. The structure of underpan of AGV is a style of four wheels, which is driven by two wheels and swerved by the difference velocities between them, its control system mainly adopts the control method based on rules; efficient control to AGV is implemented within the range of allowable error. Then design of information collection system related to workshop is given. Taken the intelligent CAN nodes to monitor AGV as object, the design and implementation of software and hardware were realized. Finally the whole plan of software for Central Control System is presented in details, which is made up of 3 functional-
modules, including scheduling and managing module, data transporting and processing module, and work station monitoring module.
As for similar developing of products, in other manufacturing enterprises, this thesis proposes some valuable exploration, the author puts forward some viewpoint and suggestion on this system and how to transform the control system of existing production and according to develop tendencies.
制造企业的产品质量，加工效率，生产周期和制造成本等引起了广大学者和企业家的高度重视。这样，对制造工业的自动化程度提出了更高的要求，而无线通讯和工业网络技术能提高制造工业的发展，两者的结合更是使工业自动化成为可能，不仅如此，工业网络CAN总线还为联网机器提供了一个高效率、低费用的解决方案。
本文以制造车间的自动化为背景，开展车间物流输送与监控系统的关键技术研究，研发自动导引车(AGV)，开发基于现场总线技术的自动化车间中央监控系统，并进行相关的工程应用验证。
本文着重概述了整个研发过程及相关内容。主要包括：CAN现场总线技术、自动导引车的设计与制作和中央控制系统的设计与实现三大部分。
文章首先介绍了CAN总线的一些基本概念；其次是基于光学控制带AGV的实现，作为一个光、机、电计算机等多项技术融合的系统，AGV的设计涉及诸多关键技术。在文中，对相关的关键技术进行了深入的探讨，并根据本系统的实际情况给出了最经济的实现方法。其机械底盘结构采用四轮式，运动方式为两轮驱动，差速转弯，控制系统主要是利用基于规则的控制方法，在允许误差的条件下实现了对AGV有效控制；然后对车间相关站点的信息采集系统进行设计，主要是以AGV进行监控的CAN智能节点为对象，详细说明了其软件、硬件的设计与实现；最后文章对中央控制系统软件的总体设计，详细设计进行阐述，中央控制系统主要由三大功能模块组成：调度管理模块，数据传输处理模块，工作站点监控模块。
对于相类似制造企业的产品开发，本文进行了一些有益的探索，针对现有系统的不足和如何改造现有一些产品的控制系统，使之符合系统的发展趋势，提出了自己的观点和建议。
With the rapid development of technology and the coming age of economic globalization, the manufacturing industry, which is the mainstay of the national econmic development, not only is facing a rigorous challenge but also a development opportunity.
The quality of the product, efficiency of processing, manufacture period and cost of the enterprise have attracted the highly recognition of scholars and entrepreneurs. Therefore, which makes higher demands on the level of automatization. The wireless communications and the industrial networks are two powerful technologies for the rapidly growing manufacturing industry. The combination of them is the key to productivity v/ith the lowest possible enough to be widely utilized to industrial automation. In addition, the development of industrial network CAN is able to offer a robust and low cost solution to machinery networking.
This paper takes the workshop automatizing as a background, engages in the research of transportation of material flow and primary key technology of monitoring system and AGV (Automatic Guided vehicle) and the technology of central automatic workshop monitoring system based on CAN Field Bus and perform correlative validation of application in engineering.
Firstly, this thesis discusses some fundamental concepts of CAN bus. Secondly, it describes the implementation of AGV based on optical control belt, as a system mixed with many technologies including optics, mechanics, electricity and computer, it involves many key technologies. These technologies are discussed deeply in this paper, and according to practical condition of the system, the most economic implement methods are proposed. The structure of underpan of AGV is a style of four wheels, which is driven by two wheels and swerved by the difference velocities between them, its control system mainly adopts the control method based on rules; efficient control to AGV is implemented within the range of allowable error. Then design of information collection system related to workshop is given. Taken the intelligent CAN nodes to monitor AGV as object, the design and implementation of software and hardware were realized. Finally the whole plan of software for Central Control System is presented in details, which is made up of 3 functional-
modules, including scheduling and managing module, data transporting and processing module, and work station monitoring module.
As for similar developing of products, in other manufacturing enterprises, this thesis proposes some valuable exploration, the author puts forward some viewpoint and suggestion on this system and how to transform the control system of existing production and according to develop tendencies.
引文
[1]杨叔子，知识经济·高新科技·机械制造——兼谈知识经济中的人文精神，中国机械工程，1999，Vol．10，No．3：241-246
[2]王先逵，制造技术的未来，中国机械工程，1994，Vol．5，No．5
[3]白明光，中国机械制造业发展前景及策略，制造技术与机床，1999，No．3：5-6.34
[4]刘飞，制造自动化的广义内涵、研究现状和发趋势，机械工程学报，1999，Vol．35，NO．1：1-5
[5]张国雄，用科技和策略缔造便于化的机械制造业，制造技术与机床，1998，No．7：5-6
[6]何光远，世纪之交的中国机械制造业，中国机械工程，1998，Vol．9，No．1：2-9
[7]周租德，振兴制造业刻不容缓，中国机械工程，1998，Vol．9，N0．2：1-4
[8]廖常初，现场总线概述．电工技术，1999，6
[9]汪吉鹏，工业控制技术的应用现状和发方向，潍坊学院学报，2002，Vol．2，No．2：50-52
[10]范铠，现场总线技术在国内的应用情况，《自动化博览》，2001年第4期(总第107期)
[11]王平，王双庆等，Profibus现场总线智能从站通信接口设计，工业仪表与自动化装置，2002(1)
[12]杨新华，郝弘，马向华，WorldFIP现场总线技术，工业控制计算机，2001(12)
[13]Robert Bosch Gmbh(1991-1992)CAN Protocol Specifications V 2.0A&B
[14]邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，1996
[15]阳宪惠，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1998
[16]Michiel van Osch. Finite-State Analysis of the CAN Bus Protocol. Computer society(2001)
[17]CiA DS 102 [1994]"CAN Physical Layer for Industrial Systems", CAN in Automation Organization,1994
[18]周立功，增强型80C51单片机应用速成与实战，广州周立功单片机发展有限公司，2002
[19]吴伙峰，集成自动化与开放系统体系结构，测控技术，1997，Vol．16，No．1：5-6
[20]Bradtey N.Demazo,Chles W.yang,Robert J.Gavin,Open Architecture Controls for Precision Machine Tools, Proceeding of Mechanism and Controls for Ultra precision Montion,1994,No.4:6-8
[21]冯勇等，现代计算机数控系统，北京：机械工业出版社，1996
[22]任玉田等，机床计算机数控技术，北京理工大学出版社，1996．9
[23]姚习武，林弈鸿，开放式控制系统的发与趋势，毕中理工大学：数控技术发展动向．1998．9：1-15
[24]Vakebtubis K.Kongezos, Charles R.Allen, Wireless communication between A.G.V.s(Autonomous Guided Vehicle) and the industrial network C.A.N.(Controller Area Network).Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation, May 2002:434-437
[25]Jong Man Jeon,Dae Won Kim, Hong Seok Kim, Yong Jo Cho."An Analysis of Network-based Control System Using CAN(Controller Area Network)Protocol" Proceeding of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation Seoul,Korea May,2001.21-26
[26]杨铨，AGV系统，工艺装备，2002，40(4)：52-53(3．5．2)
[27]邹玉失，董晓永，王国峰．基于CAN总线的轴承分布式网络监控系统，自动化与仪表，2002(3)
[28]白小波等，AGVS系统技术应用，物流技术，2000，No．2，9
[29][日]白井如月，机器人工程，科学出版社，2001，96-100
[30]任嘉卉等编，机械设计课程设计，北京：北京航空航天大学出版社，2001(1)
[31]濮良贵，纪名刚主编，机械设计，北京：高等教育出版社，2001．6
[32]董平等，AGV及AGVS方案研究，组合机床与自动化加工，2002，No．2，21-24
[33]杨文华，激光导引AGV系统原理及应用，2000，No．3，17-19
[34]袁祥辉，固体图像传感器及其应用，重庆大学出版社，1996,30-31
[35]池瑞楠，胡终须，胡路明，机器人技术与应用，2001(1)
[36]孙茂相，程平等，基于规则的运动机器人实时运动规划，控制与决策，1997，No．4，Vol12
[37]王荣本，自动导引车辆系统的研究(五)控制器设计与试验，农业工程学报，1995，No．1，71-75
[38]徐友春等，一种机器视觉导航的智能车辆转向控制模型设计，中国公路学报，2001，No．3，96-100
[39]刘宝廷，程树康等编著，步进电动机及其驱动控制系统，哈尔滨工业大学出版社，1997(11)
[40]陈理璧编著．步进电动机及其应用，上海科学技术出版社，1983．10
[41]杨向萍，王跃，单片微型计算机原理及应用技术，上海：中国纺织大学出版社，1999
[42]何立民，MCS-51单片机应用系统设计系统配置与接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1990
[43]赵负国主编，光电检测控制电路手册，北京：化学工业出版社，2001．1
[44]钱浚霞 郑坚立，光电检测技术，北京：机械工业出版社，1993．4
[45]R．F．格拉夫，电子电路百科全书，北京：科学出版社，1986．7
[46]T. Fuhrer, B. Muller, W. Dieterle, F. Hartwich, R. Hugel,and M.Walther. Time triggered communications on CAN. In Proceedings of 7th International CAN Conference, 2000.
[47]PCA82C250,CAN controller interface data sheet,PHILIPS semiconductors,Oct~(21) 1997.
[48]Philips Semiconductor, 82C250 Data Sheet, 2000 Jan 04
[49]Philips Semiconductor, SJA1000 Data Sheet, 2000 Jan 04
[50]VB从入门到精通，人民邮电出版社，1998
[51][美]Evangelos．Petrousos Kevin Hough著，丘仲潘等译，Visual Basic高级开发指南[M]北京：电子工业出版社，1997．1-7
[52]Steven Holzner, Visual Basic6技术内幕[M]，详细翻译组译，北京：机械工业出版社，1999
[53]王金娥，孙庆鸿，陈南等，AGVs关键技术研究及发展趋势，东南大学报，2002，Vol．24，No．1，36-38
[2]王先逵，制造技术的未来，中国机械工程，1994，Vol．5，No．5
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[37]王荣本，自动导引车辆系统的研究(五)控制器设计与试验，农业工程学报，1995，No．1，71-75
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[40]陈理璧编著．步进电动机及其应用，上海科学技术出版社，1983．10
[41]杨向萍，王跃，单片微型计算机原理及应用技术，上海：中国纺织大学出版社，1999
[42]何立民，MCS-51单片机应用系统设计系统配置与接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1990
[43]赵负国主编，光电检测控制电路手册，北京：化学工业出版社，2001．1
[44]钱浚霞 郑坚立，光电检测技术，北京：机械工业出版社，1993．4
[45]R．F．格拉夫，电子电路百科全书，北京：科学出版社，1986．7
[46]T. Fuhrer, B. Muller, W. Dieterle, F. Hartwich, R. Hugel,and M.Walther. Time triggered communications on CAN. In Proceedings of 7th International CAN Conference, 2000.
[47]PCA82C250,CAN controller interface data sheet,PHILIPS semiconductors,Oct~(21) 1997.
[48]Philips Semiconductor, 82C250 Data Sheet, 2000 Jan 04
[49]Philips Semiconductor, SJA1000 Data Sheet, 2000 Jan 04
[50]VB从入门到精通，人民邮电出版社，1998
[51][美]Evangelos．Petrousos Kevin Hough著，丘仲潘等译，Visual Basic高级开发指南[M]北京：电子工业出版社，1997．1-7
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[53]王金娥，孙庆鸿，陈南等，AGVs关键技术研究及发展趋势，东南大学报，2002，Vol．24，No．1，36-38