基于Lonworks總線技術(shù)的工業(yè)機器人系統(tǒng)研究

　　在現(xiàn)代制造業(yè)中的智能機器人技術(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，可以使單個分散的現(xiàn)場機器人設(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)實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化的主要解決方案。

　　一、Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)

　　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、在微機化測控設(shè)備之間實現(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，具有良好的實時性?，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，可以大幅度節(jié)省硬件數(shù)量和投資，便于安裝、擴展、維護。目前的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有基金會總線FoundationField-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)用場合和站點個數(shù)限制等方面具有不同的特點。

　　2、Lonworks技術(shù)

　　Lonworks(LocalOperatingNetworks)現(xiàn)場總線技術(shù)是由Echelon公司推出的一種先進的開放式網(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，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，可達(dá)到78kbps/2700m，并可通過中繼路由器擴展傳輸距離。Lonworks網(wǎng)的節(jié)點數(shù)可達(dá)64個，并可通過橋接路由器擴展。各智能節(jié)點的數(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，每個節(jié)點最多可設(shè)置62個網(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，同時通過網(wǎng)絡(luò)上傳和接收各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

　　一個智能控制器及其傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成一個結(jié)點(Node)，它可連接各種I/O設(shè)備，如工業(yè)機器人系統(tǒng)的行程開關(guān)、力傳感器、關(guān)節(jié)電機等。LonWorks的無主站點對點網(wǎng)絡(luò)方式，使其中任一節(jié)點的故障或關(guān)閉都不影響其它住戶節(jié)點的正常運行，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間使用邏輯連接，使得系統(tǒng)中節(jié)點的增加、修改都很容易，便于系統(tǒng)調(diào)整和擴充升級。節(jié)點的核心是神經(jīng)元芯片(neuronchip)，它是通信處理、數(shù)據(jù)采集和控制的通用處理器，它通過運行芯片上的NeuronC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。

　　二、基于Lonworks技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)

　　1、控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，工業(yè)機器人加工流程之間需要緊密的配合與協(xié)作，因此各機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、不易于擴展能力和實時性差等缺點，難以滿足工業(yè)機器人高速、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)控級計算機都作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點接入總線，構(gòu)成具有高速數(shù)據(jù)通信和信息共享特點的控制網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各個控制級的智能結(jié)點都將相關(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)控主機和其它控制級的智能結(jié)點都可以根據(jù)程序設(shè)定對這些數(shù)據(jù)進行訪問并分析處理，從而實現(xiàn)理想的全局監(jiān)控效果以及各底層工業(yè)機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，將會發(fā)揮重要的作用。對于有高級智能化信息處理功能的機器人和計算機，所有這些實時性數(shù)據(jù)都為進一步的傳感器融合和信息融合創(chuàng)造了條件。

　　是一個制造業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)機器人聯(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。每個子網(wǎng)都通過一個相應(yīng)路由器連接到主干網(wǎng)上，實現(xiàn)與控制網(wǎng)絡(luò)主機之間的通信。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)場的機器人控制器內(nèi)，實現(xiàn)相對獨立的局部控制。另一組監(jiān)測信號以及生產(chǎn)線上各機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)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，以實現(xiàn)對機器人的現(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，通過控制網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)對多個機器人之間的工作協(xié)調(diào)，并進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，相對獨立的機器人系統(tǒng)仍然可以正常地工作。

　　2、系統(tǒng)監(jiān)控與管理

　　經(jīng)過智能模塊的計算和轉(zhuǎn)換，各種現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)控中心的計算機，通過FIX或其它組態(tài)軟件，以DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DynamicDataExchange)或ODBC開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(OpenDatabaseConnectivity)接收網(wǎng)上數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)文件并實時顯示，實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)現(xiàn)場各機器人的在線監(jiān)控，并對異常信號還可以進行多媒體的聲光報警。FIX組態(tài)軟件編寫的程序還可以對各智能模塊的拆卸、斷電和故障做出判斷并報警。

　　為滿足企業(yè)信息化管理的需要，可在插有Lonworks網(wǎng)卡的控制網(wǎng)監(jiān)控主機的內(nèi)部另外再插一塊TCP/IP的企業(yè)內(nèi)部Intranet網(wǎng)卡，利用FIX或其它組態(tài)軟件實現(xiàn)企業(yè)管理中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享。

　　各相關(guān)的被授權(quán)部門則可通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，根據(jù)各自的訪問權(quán)限對生產(chǎn)過程進行遠(yuǎn)程監(jiān)視。此外，組態(tài)軟件還具備有自動生成報表的功能，可生成全廠和各車間的各類報表，各類信息數(shù)據(jù)都能直接提供給企業(yè)的管理人員，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建CIMS或ERP等形式的企業(yè)信息化管理系統(tǒng)，用以支持全廠和各車間管理與決策。

　　此外，制造業(yè)生產(chǎn)的管理具有雙重性，根據(jù)產(chǎn)品加工過程流程進行的縱向管理，或者根據(jù)生產(chǎn)工藝類型和人員配備進行的橫向管理。以機器人加工技術(shù)為代表的現(xiàn)代化生產(chǎn)線系統(tǒng)具有高度的連續(xù)性，從最初的元件或毛坯，經(jīng)過多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的逐步的加工和裝配，最后形成產(chǎn)品，整個過程前后連貫，其管理模式是縱向的。而另一方面，在同一工廠的不同車間中，各條生產(chǎn)線上都具有處于相同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機器人設(shè)備和操作維護人員，例如每條生產(chǎn)線上都有進料、裝配和包裝等環(huán)節(jié)，如果是生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，則各生產(chǎn)線中各環(huán)節(jié)都是平行且相同的。為了以最高效率發(fā)揮人力資源，以便于設(shè)備的維護和生產(chǎn)的進行，同類生產(chǎn)和技術(shù)人員應(yīng)能夠分工管理分布于不同車間中的同一類生產(chǎn)工藝和設(shè)備，同時也可以減少生產(chǎn)線維修的備件數(shù)量。這樣就可以最大限度的減少備用勞動力人員，由每車間一組備用人員精簡到全廠多個車間共用較少組的備用人員，也就是橫向化管理模式。

　　但這種縱橫交叉的模式，在一定程度上增加了管理上的難度。應(yīng)用現(xiàn)場總線這種網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，可以很好地解決這一問題。通過FIX組態(tài)軟件所制作的監(jiān)控界面，既能按各車間生產(chǎn)線的實際加工過程進行監(jiān)控，也能夠?qū)⒎植加趶S區(qū)不同車間內(nèi)的同類機器人加工過程放置在計算機的同一監(jiān)控窗口之內(nèi)，形成一個一體的“虛擬車間”，使處于不同車間的同類機器人的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可同時顯示于這個“車間”的內(nèi)部，這樣就可以靈活的配備生產(chǎn)、技術(shù)和維修過程中所需要的人員，并進行高效的生產(chǎn)物流控制，從而提高整體的管理效率。

　　三、系統(tǒng)軟件

　　1、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件

　　Lonworks總線具有功能完善的軟件平臺，包括網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)LNS和現(xiàn)場調(diào)試工具Lonbuilder等，其通信協(xié)議Lontalk采用ISO/OSI模型的全部七層結(jié)構(gòu)，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件的支持下，用戶只需要將網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型和各智能模塊及其網(wǎng)絡(luò)變量參數(shù)輸入到監(jiān)控主機的配置文件中，整個控制網(wǎng)絡(luò)即可自行配置并運行。

　　2、智能模塊編程軟件

　　各智能模塊內(nèi)部神經(jīng)元芯片中的應(yīng)用CPU、片內(nèi)存儲器和I/O接口構(gòu)成現(xiàn)場總線的底層控制體系。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)語言NeuronC可以在網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控主機上編寫各智能模塊的內(nèi)部程序，并可通過總線網(wǎng)絡(luò)對程序進行下載或修改。

　　3、監(jiān)控組態(tài)軟件

　　在現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上，利用DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換或ODBC開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)，可通過FIX、組態(tài)王等組態(tài)軟件，開發(fā)出面向某特定應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)現(xiàn)場各機器人的在線監(jiān)控。同時，組態(tài)軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳與共享、歷史數(shù)據(jù)顯示、報表自動生成、異常情況報警等功能。

　　4、企業(yè)信息化管理軟件

　　現(xiàn)代制造業(yè)企業(yè)，一方面應(yīng)是以機器人應(yīng)用為特點的高精度、高效率、高質(zhì)量自動化生產(chǎn)，另一方面應(yīng)是以計算機集成制造系統(tǒng)CIMS和企業(yè)資源計劃ERP等先進管理模式的信息化生產(chǎn)。現(xiàn)場總線技術(shù)為生產(chǎn)層數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、存儲和共享提供了條件，通過先進數(shù)據(jù)庫軟件、CAD/CAM軟件、CIMS或ERP系統(tǒng)軟件等，就可使信息化管理深入到從企業(yè)最高的管理決策層到最低的生產(chǎn)層中每一個環(huán)節(jié)。

　　四、結(jié)束語

　　現(xiàn)場總線技術(shù)作為一種先進的、智能的網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，基于控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分布式智能機器人感知系統(tǒng)，對于提高智能機器人系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)合作性能與人機交互能力，具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。Lonworks現(xiàn)場總線的高度實時性、可靠性、可擴展能力和容錯能力等方面的優(yōu)點，為智能機器人構(gòu)造先進的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)提供了有效途徑，是實現(xiàn)CIMS和ERP等先進企業(yè)管理系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，正成為我國大中型企業(yè)實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化的主要解決方案。