機器人技術和企業(yè)信息化技術是當前國內制造業(yè)企業(yè)提高生產效率和工藝水平的兩大關鍵技術，前者針對技術問題，后者則針對管理問題，是制造業(yè)進行技術革新和增效創(chuàng)利的重要途徑，具有可觀的經濟效益和應用價值。

　　1.引言

　　在現(xiàn)代制造業(yè)中的智能機器人技術集傳感、控制、信息處理、人工智能和網絡通信于一體，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(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)場的底層網絡，一方面面向生產現(xiàn)場的各種設備，可以使單個分散的現(xiàn)場機器人設備連接成能夠相互通信和協(xié)作的網絡式控制系統(tǒng)，另一方面又可通過企業(yè)的內部局域網實現(xiàn)生產數(shù)據的全廠傳輸和共享。目前，基于現(xiàn)場總線技術而建立的網絡控制系統(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

　　2.1現(xiàn)場總線

　　現(xiàn)場總線是建立在網絡化控制基礎之上，應用于生產現(xiàn)場、在微機化測控設備之間實現(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絡。它面向于生產控制設備，多采用短幀方式傳輸數(shù)據，網絡速率通?？蛇_幾k～10Mbps，具有良好的實時性?，F(xiàn)場總線技術為構造網絡集成式全分布控制系統(tǒng)提供了有效途徑。

　　現(xiàn)場總線技術與集散控制相比，具有開放性、網絡化信息共享、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)場總線技術主要有基金會總線FoundationField-bus、PROFIBUS(DP、PA、FMS)、CAN、Lonworks、工業(yè)以太網等，每種總線都在網絡協(xié)議、傳輸速率和距離、應用場合和站點個數(shù)限制等方面具有不同的特點。

　　2.2Lonworks技術

　　Lonworks(LocalOperatingNetworks)現(xiàn)場總線技術是由Echelon公司推出的一種先進的開放式網絡化控制技術，其結構簡單，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，編寫相應的程序，連接到控制網上即可完成，在物理上不必對網絡結構作任何修改。Lonworks是目前生產現(xiàn)場和智能樓宇等集散式監(jiān)控系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線技術。

　　Lonworks支持多種傳輸介質和網絡拓普結構，在使用變壓器耦合接口FTT-10收發(fā)器，并采用雙絞線的總線式結構時，可達到78kbps/2700m，并可通過中繼路由器擴展傳輸距離。Lonworks網的節(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)據傳遞在神經元芯片等硬件和網絡的支持下，以網絡變量的形式連接，每個節(jié)點最多可設置62個網絡變量。按照Lonworks的標準網絡變量來定義的數(shù)據結構，可以解決和不同廠家產品的互操作性問題。目前已有上千家公司推出Lonworks產品。

　　智能結點及其神經元芯片是Lonworks總線的基礎部分，它們直接安裝于生產現(xiàn)場，采集工業(yè)現(xiàn)場信號并輸出控制量，同時通過網絡上傳和接收各種網絡數(shù)據，其結構如圖1所示。

　　一個智能控制器及其傳感器和執(zhí)行器構成一個結點(Node)，它可連接各種I/O設備，如工業(yè)機器人系統(tǒng)的行程開關、力傳感器、關節(jié)電機等。LonWorks的無主站點對點網絡方式，使其中任一節(jié)點的故障或關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。且網絡節(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)調整和擴充升級。節(jié)點的核心是神經元芯片(neuronchip)，它是通信處理、數(shù)據采集和控制的通用處理器，它通過運行芯片上的NeuronC應用程序來完成數(shù)據的采集、控制和網絡操作的。

　　3.基于Lonworks技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)

　　3.1控制網絡設計

　　在制造業(yè)的生產過程中，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)據的共享必不可少，這一性能對生產中出現(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構復雜、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)調化加工需要。為此，采用現(xiàn)場總線技術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絡結點接入總線，構成具有高速數(shù)據通信和信息共享特點的控制網絡。在控制網絡中，各個控制級的智能結點都將相關的生產數(shù)據以網絡變量的形式發(fā)送到現(xiàn)場總線網絡中，監(jiān)控主機和其它控制級的智能結點都可以根據程序設定對這些數(shù)據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)生產中應用LonWorks現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)機器人聯(lián)網監(jiān)控的方案。系統(tǒng)中主干網采用總線式結構，將廠區(qū)內各車間與辦公樓中的核心監(jiān)控主機相連;各子網分布于車間內部，均采用環(huán)形結構，從而有效地克服網絡斷線故障帶來的影響。每個子網都通過一個相應路由器連接到主干網上，實現(xiàn)與控制網絡主機之間的通信。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技術的開放性則能很容易地解決這一問題。生產加工中的各種監(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，實現(xiàn)相對獨立的局部控制。另一組監(jiān)測信號以及生產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)據的網絡傳輸，以實現(xiàn)對機器人的現(xiàn)場控制與網絡遙操作相結合的監(jiān)控體系。這樣，當生產線中出現(xiàn)異常情況時，通過控制網絡即可實現(xiàn)對多個機器人之間的工作協(xié)調，并進行異常情況的緊急處理;而當現(xiàn)場總線網絡出現(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

　　經過智能模塊的計算和轉換，各種現(xiàn)場生產數(shù)據通過Lonworks網絡送到監(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)據交換(DynamicDataExchange)或ODBC開放式數(shù)據庫互聯(lián)(OpenDatabaseConnectivity)接收網上數(shù)據，生成數(shù)據文件并實時顯示，實現(xiàn)對全廠生產現(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網卡的控制網監(jiān)控主機的內部另外再插一塊TCP/IP的企業(yè)內部Intranet網卡，利用FIX或其它組態(tài)軟件實現(xiàn)企業(yè)管理中的生產數(shù)據共享。各相關的被授權部門則可通過企業(yè)內部網，根據各自的訪問權限對生產過程進行遠程監(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(tǒng)，用以支持全廠和各車間管理與決策，其數(shù)據流向方式如圖3所示。

　　此外，制造業(yè)生產的管理具有雙重性，根據產品加工過程流程進行的縱向管理，或者根據生產工藝類型和人員配備進行的橫向管理。以機器人加工技術為代表的現(xiàn)代化生產線系統(tǒng)具有高度的連續(xù)性，從最初的元件或毛坯，經過多個生產環(huán)節(jié)的逐步的加工和裝配，最后形成產品，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，各條生產線上都具有處于相同生產環(huán)節(jié)的機器人設備和操作維護人員，例如每條生產線上都有進料、裝配和包裝等環(huán)節(jié)，如果是生產同一種產品，則各生產線中各環(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，以便于設備的維護和生產的進行，同類生產和技術人員應能夠分工管理分布于不同車間中的同一類生產工藝和設備，同時也可以減少生產線維修的備件數(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。應用現(xiàn)場總線這種網絡化控制技術，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，既能按各車間生產線的實際加工過程進行監(jiān)控，也能夠將分布于廠區(qū)不同車間內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，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)據可同時顯示于這個“車間”的內部，這樣就可以靈活的配備生產、技術和維修過程中所需要的人員，并進行高效的生產物流控制，從而提高整體的管理效率。