摘 要：機器人技術(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)場總線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了一種利用Lonworks總線將工業(yè)現(xiàn)場中各機器人聯(lián)網(wǎng)的方案，在實現(xiàn)多機器人的協(xié)作及遙操作控制的同時，為企業(yè)信息化的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;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

機器人技術(shù)和企業(yè)信息化技術(shù)是當前國內(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)濟效益和應(yīng)用價值。

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。

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_幾k～10Mbps，具有良好的實時性。現(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)用場合和站點個數(shù)限制等方面具有不同的特點。

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的標準網(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)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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（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)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)

3.1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。

圖2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。

3.2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（Dynamic Data Exchange）或ODBC開放式數(shù)據(jù)庫互聯(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，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。

4 系統(tǒng)軟件

4.1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)的拓撲結(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。

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Neuron C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。

4.3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。

4.4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)?，F(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)。

5 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。

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