基于Lonworks總線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)機器人系統研究

　　在現代制造業(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，結構更趨復雜和完善，其所裝備的各種傳感器和執行器數量不斷增加。而現場(chǎng)總線(xiàn)作為工業(yè)控制現場(chǎng)的底層網(wǎng)絡(luò )，一方面面向生產(chǎn)現場(chǎng)的各種設備，可以使單個(gè)分散的現場(chǎng)機器人設備連接成能夠相互通信和協(xié)作的網(wǎng)絡(luò )式控制系統，另一方面又可通過(guò)企業(yè)的內部局域網(wǎng)實(shí)現生產(chǎn)數據的全廠(chǎng)傳輸和共享。目前，基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò )控制系統正成為我國大中型企業(yè)實(shí)現以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的主要解決方案。

　　一、Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

　　1、現場(chǎng)總線(xiàn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是建立在網(wǎng)絡(luò )化控制基礎之上，應用于生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測控設備之間實(shí)現雙向串行多字節數字通信的系統，是一種開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。它面向于生產(chǎn)控制設備，多采用短幀方式傳輸數據，網(wǎng)絡(luò )速率通?？蛇_幾k～10Mbps，具有良好的實(shí)時(shí)性?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為構造網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統提供了有效途徑。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與集散控制相比，具有開(kāi)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)，可以大幅度節省硬件數量和投資，便于安裝、擴展、維護。目前的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)主要有基金會(huì )總線(xiàn)FoundationField-bus、PROFIBUS(DP、PA、FMS)、CAN、Lonworks、工業(yè)以太網(wǎng)等，每種總線(xiàn)都在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、傳輸速率和距離、應用場(chǎng)合和站點(diǎn)個(gè)數限制等方面具有不同的特點(diǎn)。

　　2、Lonworks技術(shù)

　　Lonworks(LocalOperatingNetworks)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是由Echelon公司推出的一種先進(jìn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )化控制技術(shù)，其結構簡(jiǎn)單，布線(xiàn)容易，易于擴容和增加新功能。對于用戶(hù)各種不同的功能要求，只需選用不同的控制節點(diǎn)，利用其開(kāi)發(fā)平臺，編寫(xiě)相應的程序，連接到控制網(wǎng)上即可完成，在物理上不必對網(wǎng)絡(luò )結構作任何修改。Lonworks是目前生產(chǎn)現場(chǎng)和智能樓宇等集散式監控系統中應用最為廣泛的一種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

　　Lonworks支持多種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò )拓普結構，在使用變壓器耦合接口FTT-10收發(fā)器，并采用雙絞線(xiàn)的總線(xiàn)式結構時(shí)，可達到78kbps/2700m，并可通過(guò)中繼路由器擴展傳輸距離。Lonworks網(wǎng)的節點(diǎn)數可達64個(gè)，并可通過(guò)橋接路由器擴展。各智能節點(diǎn)的數據傳遞在神經(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)節點(diǎn)最多可設置62個(gè)網(wǎng)絡(luò )變量。按照Lonworks的標準網(wǎng)絡(luò )變量來(lái)定義的數據結構，可以解決和不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的互操作性問(wèn)題。目前已有上千家公司推出Lonworks產(chǎn)品。

　　智能結點(diǎn)及其神經(jīng)元芯片是Lonworks總線(xiàn)的基礎部分，它們直接安裝于生產(chǎn)現場(chǎng)，采集工業(yè)現場(chǎng)信號并輸出控制量，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳和接收各種網(wǎng)絡(luò )數據。

　　一個(gè)智能控制器及其傳感器和執行器構成一個(gè)結點(diǎn)(Node)，它可連接各種I/O設備，如工業(yè)機器人系統的行程開(kāi)關(guān)、力傳感器、關(guān)節電機等。LonWorks的無(wú)主站點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )方式，使其中任一節點(diǎn)的故障或關(guān)閉都不影響其它住戶(hù)節點(diǎn)的正常運行，從而提高了系統的穩定度。且網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間使用邏輯連接，使得系統中節點(diǎn)的增加、修改都很容易，便于系統調整和擴充升級。節點(diǎn)的核心是神經(jīng)元芯片(neuronchip)，它是通信處理、數據采集和控制的通用處理器，它通過(guò)運行芯片上的NeuronC應用程序來(lái)完成數據的采集、控制和網(wǎng)絡(luò )操作的。

　　二、基于Lonworks技術(shù)的機器人監控系統

　　1、控制網(wǎng)絡(luò )設計

　　在制造業(yè)的生產(chǎn)過(guò)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據的共享必不可少，這一性能對生產(chǎn)中出現的異常情況，例如缺料、故障、卡死等的智能化處理尤為重要。傳統的集中通信方式存在硬件結構復雜、現場(chǎng)布線(xiàn)困難、不易于擴展能力和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足工業(yè)機器人高速、精密的協(xié)調化加工需要。為此，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將眾多分散的底層傳感器和執行器連接起來(lái)，各底層控制器和監控級計算機都作為網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)接入總線(xiàn)，構成具有高速數據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)控制級的智能結點(diǎn)都將相關(guān)的生產(chǎn)數據以網(wǎng)絡(luò )變量的形式發(fā)送到現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，監控主機和其它控制級的智能結點(diǎn)都可以根據程序設定對這些數據進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)并分析處理，從而實(shí)現理想的全局監控效果以及各底層工業(yè)機器人在加工過(guò)程中的良好配合，尤其在生產(chǎn)線(xiàn)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器人和計算機，所有這些實(shí)時(shí)性數據都為進(jìn)一步的傳感器融合和信息融合創(chuàng )造了條件。

　　是一個(gè)制造業(yè)生產(chǎn)中應用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現機器人聯(lián)網(wǎng)監控的方案。系統中主干網(wǎng)采用總線(xiàn)式結構，將廠(chǎng)區內各車(chē)間與辦公樓中的核心監控主機相連;各子網(wǎng)分布于車(chē)間內部，均采用環(huán)形結構，從而有效地克服網(wǎng)絡(luò )斷線(xiàn)故障帶來(lái)的影響。每個(gè)子網(wǎng)都通過(guò)一個(gè)相應路由器連接到主干網(wǎng)上，實(shí)現與控制網(wǎng)絡(luò )主機之間的通信。不同監控對象所用的傳感器和執行器類(lèi)型不同，且分散分布于全廠(chǎng)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中，而Lonworks技術(shù)的開(kāi)放性則能很容易地解決這一問(wèn)題。生產(chǎn)加工中的各種監測信號分為兩路，所獲得的兩組信號，一組連接在現場(chǎng)的機器人控制器內，實(shí)現相對獨立的局部控制。另一組監測信號以及生產(chǎn)線(xiàn)上各機器人的控制信號則連接到分布于各車(chē)間的智能模塊的I/O口上，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸，以實(shí)現對機器人的現場(chǎng)控制與網(wǎng)絡(luò )遙操作相結合的監控體系。這樣，當生產(chǎn)線(xiàn)中出現異常情況時(shí)，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò )即可實(shí)現對多個(gè)機器人之間的工作協(xié)調，并進(jìn)行異常情況的緊急處理;而當現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，相對獨立的機器人系統仍然可以正常地工作。

　　2、系統監控與管理

　　經(jīng)過(guò)智能模塊的計算和轉換，各種現場(chǎng)生產(chǎn)數據通過(guò)Lonworks網(wǎng)絡(luò )送到監控中心的計算機，通過(guò)FIX或其它組態(tài)軟件，以DDE動(dòng)態(tài)數據交換(DynamicDataExchange)或ODBC開(kāi)放式數據庫互聯(lián)(OpenDatabaseConnectivity)接收網(wǎng)上數據，生成數據文件并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現對全廠(chǎng)生產(chǎn)現場(chǎng)各機器人的在線(xiàn)監控，并對異常信號還可以進(jìn)行多媒體的聲光報警。FIX組態(tài)軟件編寫(xiě)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(mǎn)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)監控主機的內部另外再插一塊TCP/IP的企業(yè)內部Intranet網(wǎng)卡，利用FIX或其它組態(tài)軟件實(shí)現企業(yè)管理中的生產(chǎn)數據共享。

　　各相關(guān)的被授權部門(mén)則可通過(guò)企業(yè)內部網(wǎng)，根據各自的訪(fǎng)問(wèn)權限對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行遠程監視。此外，組態(tài)軟件還具備有自動(dòng)生成報表的功能，可生成全廠(chǎng)和各車(chē)間的各類(lèi)報表，各類(lèi)信息數據都能直接提供給企業(yè)的管理人員，并在此基礎上構建CIMS或ERP等形式的企業(yè)信息化管理系統，用以支持全廠(chǎng)和各車(chē)間管理與決策。

　　此外，制造業(yè)生產(chǎn)的管理具有雙重性，根據產(chǎn)品加工過(guò)程流程進(jìn)行的縱向管理，或者根據生產(chǎn)工藝類(lèi)型和人員配備進(jìn)行的橫向管理。以機器人加工技術(shù)為代表的現代化生產(chǎn)線(xiàn)系統具有高度的連續性，從最初的元件或毛坯，經(jīng)過(guò)多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節的逐步的加工和裝配，最后形成產(chǎn)品，整個(gè)過(guò)程前后連貫，其管理模式是縱向的。而另一方面，在同一工廠(chǎng)的不同車(chē)間中，各條生產(chǎn)線(xiàn)上都具有處于相同生產(chǎn)環(huán)節的機器人設備和操作維護人員，例如每條生產(chǎn)線(xiàn)上都有進(jìn)料、裝配和包裝等環(huán)節，如果是生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，則各生產(chǎn)線(xiàn)中各環(huán)節都是平行且相同的。為了以最高效率發(fā)揮人力資源，以便于設備的維護和生產(chǎn)的進(jìn)行，同類(lèi)生產(chǎn)和技術(shù)人員應能夠分工管理分布于不同車(chē)間中的同一類(lèi)生產(chǎn)工藝和設備，同時(shí)也可以減少生產(chǎn)線(xiàn)維修的備件數量。這樣就可以最大限度的減少備用勞動(dòng)力人員，由每車(chē)間一組備用人員精簡(jiǎn)到全廠(chǎng)多個(gè)車(chē)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。應用現場(chǎng)總線(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò )化控制技術(shù)，可以很好地解決這一問(wèn)題。通過(guò)FIX組態(tài)軟件所制作的監控界面，既能按各車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際加工過(guò)程進(jìn)行監控，也能夠將分布于廠(chǎng)區不同車(chē)間內的同類(lèi)機器人加工過(guò)程放置在計算機的同一監控窗口之內，形成一個(gè)一體的“虛擬車(chē)間”，使處于不同車(chē)間的同類(lèi)機器人的現場(chǎng)數據可同時(shí)顯示于這個(gè)“車(chē)間”的內部，這樣就可以靈活的配備生產(chǎn)、技術(shù)和維修過(guò)程中所需要的人員，并進(jìn)行高效的生產(chǎn)物流控制，從而提高整體的管理效率。

　　三、系統軟件

　　1、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統軟件

　　Lonworks總線(xiàn)具有功能完善的軟件平臺，包括網(wǎng)絡(luò )通信管理系統LNS和現場(chǎng)調試工具Lonbuilder等，其通信協(xié)議Lontalk采用ISO/OSI模型的全部七層結構，是直接面向對象的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò )系統軟件的支持下，用戶(hù)只需要將網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構模型和各智能模塊及其網(wǎng)絡(luò )變量參數輸入到監控主機的配置文件中，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )即可自行配置并運行。

　　2、智能模塊編程軟件

　　各智能模塊內部神經(jīng)元芯片中的應用CPU、片內存儲器和I/O接口構成現場(chǎng)總線(xiàn)的底層控制體系。應用網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)語(yǔ)言NeuronC可以在網(wǎng)絡(luò )的監控主機上編寫(xiě)各智能模塊的內部程序，并可通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對程序進(jìn)行下載或修改。

　　3、監控組態(tài)軟件

　　在現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎上，利用DDE動(dòng)態(tài)數據交換或ODBC開(kāi)放式數據庫互聯(lián)技術(shù)，可通過(guò)FIX、組態(tài)王等組態(tài)軟件，開(kāi)發(fā)出面向某特定應用生產(chǎn)現場(chǎng)的系統監控軟件，實(shí)現對全廠(chǎng)生產(chǎn)現場(chǎng)各機器人的在線(xiàn)監控。同時(shí)，組態(tài)軟件還可實(shí)現數據的遠傳與共享、歷史數據顯示、報表自動(dòng)生成、異常情況報警等功能。

　　4、企業(yè)信息化管理軟件

　　現代制造業(yè)企業(yè)，一方面應是以機器人應用為特點(diǎn)的高精度、高效率、高質(zhì)量自動(dòng)化生產(chǎn)，另一方面應是以計算機集成制造系統CIMS和企業(yè)資源計劃ERP等先進(jìn)管理模式的信息化生產(chǎn)?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為生產(chǎn)層數據的網(wǎng)絡(luò )化傳輸、存儲和共享提供了條件，通過(guò)先進(jìn)數據庫軟件、CAD/CAM軟件、CIMS或ERP系統軟件等，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(gè)環(huán)節。

　　四、結束語(yǔ)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為一種先進(jìn)的、智能的網(wǎng)絡(luò )化控制技術(shù)，基于控制網(wǎng)絡(luò )構成的分布式智能機器人感知系統，對于提高智能機器人系統的總體協(xié)調合作性能與人機交互能力，具有重要的科研價(jià)值和現實(shí)意義。Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)的高度實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴展能力和容錯能力等方面的優(yōu)點(diǎn)，為智能機器人構造先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統提供了有效途徑，是實(shí)現CIMS和ERP等先進(jìn)企業(yè)管理系統的重要基礎，正成為我國大中型企業(yè)實(shí)現以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的主要解決方案。