摘 要：機(jī)器人技術(shù)和企業(yè)信息化技術(shù)是提高制造業(yè)生產(chǎn)效率和工藝水平的兩大關(guān)鍵技術(shù)。本文在分析現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了一種利用Lonworks總線(xiàn)將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中各機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)的方案，在實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)作及遙操作控制的同時(shí)，為企業(yè)信息化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);Lonworks;遙操作;企業(yè)信息化

Abstract:Robot technology and enterprise information technology are two key means to improve the manufacture efficiency and technical level. In this paper, a robot network system by means of Lonworks fieldbus technology is formulated on the basis of introducing its conception and structure. The solution makes it possible for both robots cooperation and telerobotics. It also provides fundamentals for the application of enterprise information technology.

Key words:Robot, Field bus, Lonworks, Telerobotics, Enterprise information technology.

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(guó)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(duì)技術(shù)問(wèn)題，后者則針對(duì)管理問(wèn)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(chǎng)總線(xiàn)作為工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)，一方面面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備，可以使單個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正成為我國(guó)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)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(kāi)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)速率通常可達(dá)幾k～10Mbps，具有良好的實(shí)時(shí)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(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(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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)主要有基金會(huì)總線(xiàn)Foundation Field-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(yīng)用場(chǎng)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(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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布線(xiàn)容易，易于擴(kuò)容和增加新功能。對(duì)于用戶(hù)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)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(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作任何修改。Lonworks是目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(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(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(xiàn)的總線(xiàn)式結(jié)構(gòu)時(shí)，可達(dá)到78kbps/2700m，并可通過(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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(xiàn)的基礎(chǔ)部分，它們直接安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(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(kāi)關(guān)、力傳感器、關(guān)節(jié)電機(jī)等。LonWorks的無(wú)主站點(diǎn)對(duì)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(hù)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(jí)。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(guò)運(yùn)行芯片上的Neuron C應(yīng)用程序來(lái)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(guò)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(duì)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(chǎng)布線(xiàn)困難、不易于擴(kuò)展能力和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將眾多分散的底層傳感器和執(zhí)行器連接起來(lái)，各底層控制器和監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)都作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接入總線(xiàn)，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(jí)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(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控主機(jī)和其它控制級(jí)的智能結(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)程序設(shè)定對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)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(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(duì)于有高級(jí)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(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)式結(jié)構(gòu)，將廠區(qū)內(nèi)各車(chē)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(chē)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(xiàn)故障帶來(lái)的影響。每個(gè)子網(wǎng)都通過(guò)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(duì)象所用的傳感 器和執(zhí)行器類(lèi)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(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(jiān)測(cè)信號(hào)分為兩路，所獲得的兩組信號(hào)，一組連接在現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的局部控制。另一組監(jiān)測(cè)信號(hào)以及生產(chǎn)線(xiàn)上各機(jī)器人的控制信號(hào)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(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)中出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，相對(duì)獨(dú)立的機(jī)器人系統(tǒng)仍然可以正常地工作。

3.2系統(tǒng)監(jiān)控與管理

經(jīng)過(guò)智能模塊的計(jì)算和轉(zhuǎn)換，各種現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)Lonworks網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，通過(guò)FIX或其它組態(tài)軟件，以DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange）或ODBC開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián) （Open Database Connectivity）接收網(wǎng)上數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)文件并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)器人的在線(xiàn)監(jiān)控，并對(duì)異常信號(hào)還可以進(jìn)行多媒體的聲光報(bào)警。FIX組態(tài)軟件編寫(xiě)的程序還可以對(duì)各智能模塊的拆卸、斷電和故障做出判斷并報(bào)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(jiān)控主機(jī)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(shí)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(mén)則可通過(guò)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，根據(jù)各自的訪問(wèn)權(quán)限對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。此外，組態(tài)軟件還具備有自動(dòng)生成報(bào)表的功能，可生成全廠和各車(chē)間的各類(lèi)報(bào)表，各類(lèi)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(chē)間管理與決策，其數(shù)據(jù)流向方式如圖3所示。

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(guò)程流程進(jìn)行的縱向管理，或者根據(jù)生產(chǎn)工藝類(lèi)型和人員配備進(jìn)行的橫向管理。以機(jī)器人加工技術(shù)為代表的現(xiàn)代化生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)具有高度的連續(xù)性，從最初的元件或毛坯，經(jīng)過(guò)多個(gè)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(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(jié)的機(jī)器人設(shè)備和操作維護(hù)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(jié)，如果是生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，則各生產(chǎn)線(xiàn)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(hù)和生產(chǎn)的進(jìn)行，同類(lèi)生產(chǎn)和技術(shù)人員應(yīng)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(shè)備，同時(shí)也可以減少生產(chǎn)線(xiàn)維修的備件數(shù)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(yīng)用現(xiàn)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(jiān)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(jiān)控，也能夠?qū)⒎植加趶S區(qū)不同車(chē)間內(nèi)的同類(lèi)機(jī)器人加工過(guò)程放置在計(jì)算機(jī)的同一監(jiān)控窗口之內(nèi)，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(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可同時(shí)顯示于這個(gè)“車(chē)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(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。

4 系統(tǒng)軟件

4.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件

Lonworks總線(xiàn)具有功能完善的軟件平臺(tái)，包括網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)LNS和現(xiàn)場(chǎng)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(hù)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(jī)的配置文件中，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)即可自行配置并運(yùn)行。

4.2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(chǔ)器和I/O接口構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的底層控制體系。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Neuron C可以在網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控主機(jī)上編寫(xiě)各智能模塊的內(nèi)部程序，并可通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)程序進(jìn)行下載或修改。

4.3監(jiān)控組態(tài)軟件

在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換或ODBC開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)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(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)器人的在線(xiàn)監(jiān)控。同時(shí)，組態(tài)軟件還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳與共享、歷史數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表自動(dòng)生成、異常情況報(bào)警等功能。

4.4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(jī)器人應(yīng)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(yīng)是以計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS和企業(yè)資源計(jì)劃ERP等先進(jìn)管理模式的信息化生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為生產(chǎn)層數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、存儲(chǔ)和共享提供了條件，通過(guò)先進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)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(gòu)成的分布式智能機(jī)器人感知系統(tǒng)，對(duì)于提高智能機(jī)器人系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)合作性能與人機(jī)交互能力，具有重要的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的高度實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展能力和容錯(cuò)能力等方面的優(yōu)點(diǎn)，為智能機(jī)器人構(gòu)造先進(jìn)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(shí)現(xiàn)CIMS和ERP等先進(jìn)企業(yè)管理系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，正成為我國(guó)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。

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