基于現(xiàn)場總線的工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的研究

1 引言

機(jī)器人技術(shù)和企業(yè)信息化技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)提高生產(chǎn)效率和工藝水平的兩大關(guān)鍵技術(shù)，前者針對技術(shù)問題，后者則針對管理問題，是制造業(yè)進(jìn)行技術(shù)革新和增效創(chuàng)利的重要途徑，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

在現(xiàn)代制造業(yè)中的智能機(jī)器人技術(shù)集傳感、控制、信息處理、人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信于一體，其功能日益強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜和完善，其所裝備的各種傳感器和執(zhí)行器數(shù)量不斷增加。而現(xiàn)場總線作為工業(yè)控制現(xiàn)場的底層網(wǎng)絡(luò)，一方面面向生產(chǎn)現(xiàn)場的各種設(shè)備，可以使單個(gè)分散的現(xiàn)場機(jī)器人設(shè)備連接成能夠相互通信和協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)，另一方面又可通過企業(yè)的內(nèi)部局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全廠傳輸和共享。目前，基于現(xiàn)場總線技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正成為我國大中型企業(yè)實(shí)現(xiàn)以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的主要解決方案。

2 Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)

2.1現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是建立在網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)之上，應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多字節(jié)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它面向于生產(chǎn)控制設(shè)備，多采用短幀方式傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)速率通?？蛇_(dá)幾k～10Mbps，具有良好的實(shí)時(shí)性?，F(xiàn)場總線技術(shù)為構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)提供了有效途徑。

現(xiàn)場總線技術(shù)與集散控制相比，具有開放性、網(wǎng)絡(luò)化信息共享、智能化、高度分散性、功能自治性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，可以大幅度節(jié)省硬件數(shù)量和投資，便于安裝、擴(kuò)展、維護(hù)。目前的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有基金會(huì)總線Foundation Field-bus、PROFIBUS(DP、PA、FMS)、CAN、 Lonworks、工業(yè)以太網(wǎng)等，每種總線都在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳輸速率和距離、應(yīng)用場合和站點(diǎn)個(gè)數(shù)限制等方面具有不同的特點(diǎn)。

2.2 Lonworks技術(shù)

Lonworks(Local Operating Networks)現(xiàn)場總線技術(shù)是由Echelon公司推出的一種先進(jìn)的開放式網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)簡單，布線容易，易于擴(kuò)容和增加新功能。對于用戶各種不同的功能要求，只需選用不同的控制節(jié)點(diǎn)，利用其開發(fā)平臺，編寫相應(yīng)的程序，連接到控制網(wǎng)上即可完成，在物理上不必對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作任何修改。 Lonworks是目前生產(chǎn)現(xiàn)場和智能樓宇等集散式監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。

Lonworks支持多種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓普結(jié)構(gòu)，在使用變壓器耦合接口FTT-10收發(fā)器，并采用雙絞線的總線式結(jié)構(gòu)時(shí)，可達(dá)到 78kbps/2700m，并可通過中繼路由器擴(kuò)展傳輸距離。Lonworks網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)64個(gè)，并可通過橋接路由器擴(kuò)展。各智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞在神經(jīng)元芯片等硬件和網(wǎng)絡(luò)的支持下，以網(wǎng)絡(luò)變量的形式連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可設(shè)置62個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量。按照Lonworks的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量來定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以解決和不同廠家產(chǎn)品的互操作性問題。目前已有上千家公司推出Lonworks產(chǎn)品。

智能結(jié)點(diǎn)及其神經(jīng)元芯片是Lonworks總線的基礎(chǔ)部分，它們直接安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場，采集工業(yè)現(xiàn)場信號并輸出控制量，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)上傳和接收各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一個(gè)智能控制器及其傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)結(jié)點(diǎn)(Node)，它可連接各種I/O設(shè)備，如工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的行程開關(guān)、力傳感器、關(guān)節(jié)電機(jī)等。 LonWorks的無主站點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方式，使其中任一節(jié)點(diǎn)的故障或關(guān)閉都不影響其它住戶節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間使用邏輯連接，使得系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的增加、修改都很容易，便于系統(tǒng)調(diào)整和擴(kuò)充升級。節(jié)點(diǎn)的核心是神經(jīng)元芯片(neuron chip)，它是通信處理、數(shù)據(jù)采集和控制的通用處理器，它通過運(yùn)行芯片上的Neuron C應(yīng)用程序來完成數(shù)據(jù)的采集、控制和網(wǎng)絡(luò)操作的。

3 基于Lonworks技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)

3.1控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人加工流程之間需要緊密的配合與協(xié)作，因此各機(jī)器人之間的通信與傳感器數(shù)據(jù)的共享必不可少，這一性能對生產(chǎn)中出現(xiàn)的異常情況，例如缺料、故障、卡死等的智能化處理尤為重要。傳統(tǒng)的集中通信方式存在硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場布線困難、不易于擴(kuò)展能力和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，難以滿足工業(yè)機(jī)器人高速、精密的協(xié)調(diào)化加工需要。為此，采用現(xiàn)場總線技術(shù)將眾多分散的底層傳感器和執(zhí)行器連接起來，各底層控制器和監(jiān)控級計(jì)算機(jī)都作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接入總線，構(gòu)成具有高速數(shù)據(jù)通信和信息共享特點(diǎn)的控制網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)控制級的智能結(jié)點(diǎn)都將相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)變量的形式發(fā)送到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控主機(jī)和其它控制級的智能結(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)程序設(shè)定對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問并分析處理，從而實(shí)現(xiàn)理想的全局監(jiān)控效果以及各底層工業(yè)機(jī)器人在加工過程中的良好配合，尤其在生產(chǎn)線中的異常情況處理中，將會(huì)發(fā)揮重要的作用。對于有高級智能化信息處理功能的機(jī)器人和計(jì)算機(jī)，所有這些實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)都為進(jìn)一步的傳感器融合和信息融合創(chuàng)造了條件。

圖2是一個(gè)制造業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的方案。系統(tǒng)中主干網(wǎng)采用總線式結(jié)構(gòu)，將廠區(qū)內(nèi)各車間與辦公樓中的核心監(jiān)控主機(jī)相連;各子網(wǎng)分布于車間內(nèi)部，均采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，從而有效地克服網(wǎng)絡(luò)斷線故障帶來的影響。每個(gè)子網(wǎng)都通過一個(gè)相應(yīng)路由器連接到主干網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)與控制網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的通信。不同監(jiān)控對象所用的傳感器和執(zhí)行器類型不同，且分散分布于全廠各處，如采用一般的集散控制方式，很難將之連接在同一系統(tǒng)中，而 Lonworks技術(shù)的開放性則能很容易地解決這一問題。生產(chǎn)加工中的各種監(jiān)測信號分為兩路，所獲得的兩組信號，一組連接在現(xiàn)場的機(jī)器人控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)相對獨(dú)立的局部控制。另一組監(jiān)測信號以及生產(chǎn)線上各機(jī)器人的控制信號則連接到分布于各車間的智能模塊的I/O口上，通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的現(xiàn)場控制與網(wǎng)絡(luò)遙操作相結(jié)合的監(jiān)控體系。這樣，當(dāng)生產(chǎn)線中出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過控制網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)機(jī)器人之間的工作協(xié)調(diào)，并進(jìn)行異常情況的緊急處理;而當(dāng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，相對獨(dú)立的機(jī)器人系統(tǒng)仍然可以正常地工作。