基于现场总线的工业机器人监控系统研究

基于现场总线的工业机器人监控系统研究

摘要：机器人技术和企业信息化技术是提高制造业生产效率和工艺水平的两大关键技术。本文在分析现场总线网络控制技术的基础上，介绍了一种利用Lonworks总线将工业现场中各机器人联网的方案，在实现多机器人的协作及遥操作控制的同时，为企业信息化的实现创造了条件。

关键词：现场总线;Lonworks;遥操作;企业信息化

1 引言

机器人技术和企业信息化技术是当前国内制造业企业提高生产效率和工艺水平的两大关键技术，前者针对技术问题，后者则针对管理问题，是制造业进行技术革新和增效创利的重要途径，具有可观的经济效益和应用价值。

在现代制造业中的智能机器人技术集传感、控制、信息处理、人工智能和网络通信于一体，其功能日益强大，结构更趋复杂和完善，其所装备的各种传感器和执行器数量不断增加。而现场总线作为工业控制现场的底层网络，一方面面向生产现场的各种设备，可以使单个分散的现场机器人设备连接成能够相互通信和协作的网络式控制系统，另一方面又可通过企业的内部局域网实现生产数据的全厂传输和共享。目前，基于现场总线技术而建立的网络控制系统正成为我国大中型企业实现以信息化带动工业化的主要解决方案。

2 Lonworks现场总线技术

2.1现场总线

现场总线是建立在网络化控制基础之上，应用于生产现场、在微机化测控设备之间实现双向串行多字节数字通信的系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它面向于生产控制设备，多采用短帧方式传输数据，网络速率通常可达几k～10Mbps，具有良好的实时性。现场总线技术为构造网络集成式全分布控制系统提供了有效途径。

现场总线技术与集散控制相比，具有开放性、网络化信息共享、智能化、高度分散性、功能自治性和高可靠性等优点，可以大幅度节省硬件数量和投资，便于安装、扩展、维护。目前的现场总线技术主要有基金会总线Foundation Field-bus、PROFIBUS（DP、PA、FMS）、CAN、Lonworks、工业以太网等，每种总线都在网络协议、传输速率和距离、应用场合和站点个数限制等方面具有不同的特点。

2.2 Lonworks技术

Lonworks（Local Operating Networks）现场总线技术是由Echelon公司推出的一种先进的

开放式网络化控制技术，其结构简单，布线容易，易于扩容和增加新功能。对于用户各种不同的功能要求，只需选用不同的控制节点，利用其开发平台，编写相应的程序，连接到控制网上即可完成，在物理上不必对网络结构作任何修改。Lonworks是目前生产现场和智能楼宇等集散式监控系统中应用最为广泛的一种现场总线技术。

Lonworks支持多种传输介质和网络拓普结构，在使用变压器耦合接口FTT-10收发器，并采用双绞线的总线式结构时，可达到78kbps/2700m，并可通过中继路由器扩展传输距离。Lonworks网的节点数可达64个，并可通过桥接路由器扩展。各智能节点的数据传递在神经元芯片等硬件和网络的支持下，以网络变量的形式连接，每个节点最多可设置62个网络变量。按照Lonworks的标准网络变量来定义的数据结构，可以解决和不同厂家产品的互操作性问题。目前已有上千家公司推出Lonworks产品。

智能结点及其神经元芯片是Lonworks总线的基础部分，它们直接安装于生产现场，采集工业现场信号并输出控制量，同时通过网络上传和接收各种网络数据，其结构如图1所示。

一个智能控制器及其传感器和执行器构成一个结点（Node），它可连接各种I/O设备，如工业机器人系统的行程开关、力传感器、关节电机等。LonWorks的无主站点对点网

络方式，使其中任一节点的故障或关闭都不影响其它住户节点的正常运行，从而提高了系统的稳定度。且网络节点之间使用逻辑连接，使得系统中节点的增加、修改都很容易，便于系统调整和扩充升级。节点的核心是神经元芯片（neuron chip），它是通信处理、数据采集和控制的通用处理器，它通过运行芯片上的Neuron C应用程序来完成数据的采集、控制和网络操作的。

3 基于Lonworks技术的机器人监控系统

3.1控制网络设计

在制造业的生产过程中，工业机器人加工流程之间需要紧密的配合与协作，因此各机器人之间的通信与传感器数据的共享必不可少，这一性能对生产中出现的异常情况，例如缺料、故障、卡死等的智能化处理尤为重要。传统的集中通信方式存在硬件结构复杂、现场布线困难、不易于扩展能力和实时性差等缺点，难以满足工业机器人高速、精密的协调化加工需要。为此，采用现场总线技术将众多分散的底层传感器和执行器连接起来，各底层控制器和监控级计算机都作为网络结点接入总线，构成具有高速数据通信和信息共享特点的控制网络。在控制网络中，各个控制级的智能结点都将相关的生产数据以网络变量的形式发送到现场总线网络中，监控主机和其它控制级的智能结点都可以根据程序设定对这些数据进行访问并分析处理，从而实现理想的全局监控效果以及各底层工业机器人在加工过程中的良好配合，尤其在生产线中的异常情况处理中，将会发挥重要的作用。对于有高级智能化信息处理功能的机器人和计算机，所有这些实时性数据都为进一步的传感器融合和信息融合创造了条件。

图2是一个制造业生产中应用LonWorks现场总线技术实现机器人联网监控的方案。系统中主干网采用总线式结构，将厂区内各车间与办公楼中的核心监控主机相连;各子网分布于车间内部，均采用环形结构，从而有效地克服网络断线故障带来的影响。每个子网都通过一个相应路由器连接到主干网上，实现与控制网络主机之间的通信。不同监控对象所用的传感器和执行器类型不同，且分散分布于全厂各处，如采用一般的集散控制方式，很难将之连接在同一系统中，而Lonworks技术的开放性则能很容易地解决这一问题。生产加工中的各种监测信号分为两路，所获得的两组信号，一组连接在现场的机器人控制器内，实现相对独立的局部控制。另一组监测信号以及生产线上各机器人的控制信号则连接到分布于各车间的智能模块的I/O口上，通过现场总线实现数据的网络传输，以实现对机器人的现场控制