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Scientific Journal of Control Engineering December 2012, Volume 2 Issue 6, PP.172-175

Design of Embedded FMS on ARM9 Xiaoqing Tian#, Jiang Han, Lian Xia School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China Email: tianxq0617@163.com

Abstract There are some problems in traditional Fieldbus Technology of flexible production line, such as the high request of the total control machine configuration, the large resources cost of the configuration software, the data should be regularly cleaned. This paper introduces a new type flexible manufacturing system (FMS) architecture based on ARM. The control core of the system is Samsung's S3C2440 ARM micro processor, which enhanced the reliability of the system, Join monitoring equipment and wireless communication equipment, facilitate real-time monitoring and image collection, and ensure the safety of the unattended. The numerical control processing unit is based of industrial PC and movement control card form, which enhanced the openness of the CNC system, and improved the communication function of the numerical control system. The experiment proved that this scheme overcome the problems existing in the traditional FMS. Keywords: Embedded system; ARM9; FMS

基于 ARM9 的嵌入式 FMS 系统设计 田晓青, 韩江, 夏链 合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009 摘

要:针对传统基于现场总线技术的柔性生产线所存在一些问题,如对总控机配置要求高、组态软件耗费资源大、需

定时清理数据、成本昂贵等,本文介绍了一套基于 ARM 的新型柔性制造系统(FMS)架构。本系统控制核心采用三星公 司的 S3C2440 ARM 微处理器,增强系统的可靠性;加入监控设备与无线通讯设备,便于实时监控与图像采集,保证无人 值守的安全性;数控加工单元为工控机+运动控制卡的形式,增强了数控系统的开放性,提高了数控系统的通讯功能。实 验证明此方案克服了传统 FMS 中存在的问题。 关键词:嵌入式系统;ARM9;FMS

引言 柔性生产线是一种高度自动化和柔性化的制造系统,对提高制造环节的柔性和生产效率,适应持续多变 的市场竞争环境具有重要意义。自动化、柔性化、集成化已经成为现代化技术的浪潮,涉及到机械制造各行 各业,尤其是机床、汽车、拖拉机、内燃机、航空等工业部门,正在大量采用灵活高效的柔性制造系统。早 在 20 世纪 70 年代,美国采取经济补贴政策鼓励设备更新,结果使数控机床增加 20%,机床总拥有量减少 41 万台,劳动生产率却提高了 17%。FMS 的问世与发展确实是机械制造业生产及管理上的历史性变革。近年来, FMS 作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认,并且正逐步成为 21 世纪制造业的主要生产模式。 目前工业生产中应用较多的是基于 Profibus-DP 的柔性制造系统,并用 WINCC 组态软件做监控界面。然 而随着实际生产的实践,在一些自动装配线或生产线中也存在一些问题,例如,WINCC 组态软件较为庞大, 运行速度比较慢,并且对工控机系统性能有较高要求;传统柔性控制平台经过长时间连续运行,控制系统容 易储存一些冗余数据,如不及时清理会影响整个总控机的性能;现大多数柔性线都选用国外厂家的 PLC,其 - 172 Copyright © 2012 Ivy Publisher


价格昂贵,整个平台成本很高。本文针对这些问题,提出了一套基于 ARM 架构的柔性制造系统(FMS)实现方 案[1,2,3]。

1 FMS 整体设计方案 现有一套教学型柔性生产线 DENFORD-FMS,它包含了 FMS 的三个主要组成要素:加工系统、物料运 输及管理和信息流系统。由于设备电气部分老化、技术过时等原因,整个系统已经完全瘫痪。本文在此硬件 基础上重新构建 FMS 的控制系统。原系统空间布局如图 1 所示。

图1

柔性生产线空间布局

图 2 系统整体方案

现选用基于 ARM9 内核的 32 位微处理器 S3C2440 作为主控芯片。三星公司推出的 16/32 位 RISE 微处理 器 S3C2440A,采用了 ARM920t 的内核,0.13um 的 CMOS 标准宏单元和存储单元。其低功耗、低价格、高 性能、简单优雅,且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构 Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。其杰出特点是其 CPU 是一个由 Advanced RISC Machines 有限公司 设计的 16/32 位 ARM920T 实现了 MMU,AMBA BUS 和 Harvard 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache。每个都是由具有 8 字长的行组成。通过提供完整的外设,S3C2440A 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。S3C2440A 所拥有的强大功能足以满足本柔性生产线的控制要求。 系统整体方案如图 2 所示。 其中,两台机器人和生产线的控制接入 ARM 的 GPIO 相应点;数控加工单元为基于工控机加运动控制 卡的开放性数控系统,此种数控系统有强大的功能和良好的通讯能力,方便的利用工业以太网实现了嵌入式 控制核心、数控机床及总控机之间的通讯;在车间加入监控摄像头,使总控机的人机监控界面可以采集到车 间现状,更有利于进行实时监控,当系统出现故障报警时,还可以通过无线网给手持设备发报警信息,保证 了无人值守时的安全性。

2 嵌入式 FMS 的实现 2.1 FMS 整体运行说明 柔性生产线所要完成的基本内容为:机械手 1 和机械手 2 的上料下料、生产线的运动停止、车床的车削、 铣床的铣削。几部分之间的时序关系如图 3 的实验流程所示。 - 173 Copyright © 2012 Ivy Publisher


图 3 系统实验动作流程

2.2 机器人与生产线的控制实现 两台机器人均为三菱 RV-M1 机器人,所要完成的动作由其内部程序决定的,机器人的动作程序是在前期 用个人电脑编制,然后通过串口下载到其控制柜的 EPROM 中如图 4 所示。因此在整个生产线运转时对机器 人的控制只需要给其相应节点启动和停止命令,机器人内部一段程序运行完毕也有相应的节点输出。生产线 的启动与停止是由继电器控制的。因此,对机器人和生产线的控制只需要开关量信号。此部分的实现可由 ARM 的 GPIO 控制完成。

图 4 机器人程序控制实现

2.3 数控加工单元的控制实现 本系统中数控系统采用工控机加运动控制卡的形式,是一种基于 Windows 环境下的开放式数控系统,增 - 174 Copyright © 2012 Ivy Publisher


加了数控机床的扩充性及开放性,并可以充分利用当今世界上计算机软件发展的最新成果,使其编程系统的 功能更加强大,有利于图形输入、轨迹生成与动态模拟等,形象、直观、高效方法的采用以及测量、编程、 加工一体化的实现,使数控编程更加方便、高效,并且实现数控机床的网络控制[4,6]。 鉴于以上,本系统控制中心与数控机床及人机监控界面之间采用以太网通讯。以太网具有传输速度高、 低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛 采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主 要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求[5,7,8]。 为了增强无人值守的安全性,可采用无线通讯技术,如图 1 所示,当系统出现故障时立即对手持设备发 出报警信号,同时手持设备也具有一定的控制功能。方便可靠地实现了预期的通讯和控制功能。

3 总结 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般 都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。片上系统,板上系统的实现,使得这类 产品拥有更加简便的操作界面和操作方式,比传统的工控机组态等功能更加实用。 基于 ARM 的嵌入式柔性生产线与传统的基于 WINCC 和 PLC 的柔性生产线相比具有显著的优点,总控 部分完全由 ARM 完成,不仅简化了硬件的组成,还大大降低了控制平台的成本,具有良好的经济效益。另 外嵌入式控制系统具有控制灵活性、简便性、实时性好的特点,解决了传统组态软件运行速度慢的问题。在 柔性生产线中加入智能手持设备,改善了工人的工作环境,同时也增加了生产的安全性。

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【作者简介】 田晓青(1987-) ,女,汉族,博士

韩江(1963-) ,男,汉族,教授,博士生导师,研究

研究生,研究方向为现代集成制造

领域为现代数控技术与数控机床,数字化、网络化、

系统。Email: tianxq0617@163.com

柔性制造技术与系统等。

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There are some problems in traditional Fieldbus Technology of flexible production line, such as the high request of the total control machin...

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