摘 要：機器人技術和企業信息化技術是提高制造業生產效率和工藝水平的兩大關鍵技術。本文在分析現場總線網絡控制技術的基礎上，介紹了一種利用Lonworks總線將工業現場中各機器人聯網的方案，在實現多機器人的協作及遙操作控制的同時，為企業信息化的實現創造了條件。

關鍵詞：現場總線;Lonworks;遙操作;企業信息化

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

機器人技術和企業信息化技術是當前國內制造業企業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，是制造業進行技術革新和增效創利的重要途徑，具有可觀的經濟效益和應用價值。

在現代制造業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行器數量不斷增加。而現場總線作為工業控制現場的底層網絡，一方面面向生產現場的各種設備，可以使單個分散的現場機器人設備連接成能夠相互通信和協作的網絡式控制系統，另一方面又可通過企業的內部局域網實現生產數據的全廠傳輸和共享。目前，基于現場總線技術而建立的網絡控制系統正成為我國大中型企業實現以信息化帶動工業化的主要解決方案。

2 Lonworks現場總線技術

2.1現場總線

現場總線是建立在網絡化控制基礎之上，應用于生產現場、在微機化測控設備之間實現雙向串行多字節數字通信的系統，是一種開放式、數字化、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據，網絡速率通?？蛇_幾k～10Mbps，具有良好的實時性?，F場總線技術為構造網絡集成式全分布控制系統提供了有效途徑。

現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點，可以大幅度節省硬件數量和投資，便于安裝、擴展、維護。目前的現場總線技術主要有基金會總線Foundation Field-bus、PROFIBUS（DP、PA、FMS）、CAN、Lonworks、工業以太網等，每種總線都在網絡協議、傳輸速率和距離、應用場合和站點個數限制等方面具有不同的特點。

2.2 Lonworks技術

Lonworks（Local Operating Networks）現場總線技術是由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點，利用其開發平臺，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是目前生產現場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網的節點數可達64個，并可通過橋接路由器擴展。各智能節點的數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場，采集工業現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據，其結構如圖1所示。

一個智能控制器及其傳感器和執行器構成一個結點（Node），它可連接各種I/O設備，如工業機器人系統的行程開關、力傳感器、關節電機等。LonWorks的無主站點對點網絡方式，使其中任一節點的故障或關閉都不影響其它住戶節點的正常運行，從而提高了系統的穩定度。且網絡節點之間使用邏輯連接，使得系統中節點的增加、修改都很容易，便于系統調整和擴充升級。節點的核心是神經元芯片（neuron chip），它是通信處理、數據采集和控制的通用處理器，它通過運行芯片上的Neuron C應用程序來完成數據的采集、控制和網絡操作的。

3 基于Lonworks技術的機器人監控系統

3.1控制網絡設計

在制造業的生產過程中，工業機器人加工流程之間需要緊密的配合與協作，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，難以滿足工業機器人高速、精密的協調化加工需要。為此，采用現場總線技術將眾多分散的底層傳感器和執行器連接起來，各底層控制器和監控級計算機都作為網絡結點接入總線，構成具有高速數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據以網絡變量的形式發送到現場總線網絡中，監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據進行訪問并分析處理，從而實現理想的全局監控效果以及各底層工業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，所有這些實時性數據都為進一步的傳感器融合和信息融合創造了條件。

圖2是一個制造業生產中應用LonWorks現場總線技術實現機器人聯網監控的方案。系統中主干網采用總線式結構，將廠區內各車間與辦公樓中的核心監控主機相連;各子網分布于車間內部，均采用環形結構，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，實現與控制網絡主機之間的通信。不同監控對象所用的傳感 器和執行器類型不同，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測信號分為兩路，所獲得的兩組信號，一組連接在現場的機器人控制器內，實現相對獨立的局部控制。另一組監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，通過現場總線實現數據的網絡傳輸，以實現對機器人的現場控制與網絡遙操作相結合的監控體系。這樣，當生產線中出現異常情況時，通過控制網絡即可實現對多個機器人之間的工作協調，并進行異常情況的緊急處理;而當現場總線網絡出現故障時，相對獨立的機器人系統仍然可以正常地工作。

3.2系統監控與管理

經過智能模塊的計算和轉換，各種現場生產數據通過Lonworks網絡送到監控中心的計算機，通過FIX或其它組態軟件，以DDE動態數據交換（Dynamic Data Exchange）或ODBC開放式數據庫互聯 （Open Database Connectivity）接收網上數據，生成數據文件并實時顯示，實現對全廠生產現場各機器人的在線監控，并對異常信號還可以進行多媒體的聲光報警。FIX組態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。

為滿足企業信息化管理的需要，可在插有Lonworks網卡的控制網監控主機的內部另外再插一塊TCP/IP的企業內部Intranet網卡，利用FIX或其它組態軟件實現企業管理中的生產數據共享。各相關的被授權部門則可通過企業內部網，根據各自的訪問權限對生產過程進行遠程監視。此外，組態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，各類信息數據都能直接提供給企業的管理人員，并在此基礎上構建CIMS或ERP等形式的企業信息化管理系統，用以支持全廠和各車間管理與決策，其數據流向方式如圖3所示。

此外，制造業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代化生產線系統具有高度的連續性，從最初的元件或毛坯，經過多個生產環節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節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、裝配和包裝等環節，如果是生產同一種產品，則各生產線中各環節都是平行且相同的。為了以最高效率發揮人力資源，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組態軟件所制作的監控界面，既能按各車間生產線的實際加工過程進行監控，也能夠將分布于廠區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場數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。

4 系統軟件

4.1現場總線網絡系統軟件

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

4.2智能模塊編程軟件

各智能模塊內部神經元芯片中的應用CPU、片內存儲器和I/O接口構成現場總線的底層控制體系。應用網絡開發語言Neuron C可以在網絡的監控主機上編寫各智能模塊的內部程序，并可通過總線網絡對程序進行下載或修改。

4.3監控組態軟件

在現場總線的基礎上，利用DDE動態數據交換或ODBC開放式數據庫互聯技術，可通過FIX、組態王等組態軟件，開發出面向某特定應用生產現場的系統監控軟件，實現對全廠生產現場各機器人的在線監控。同時，組態軟件還可實現數據的遠傳與共享、歷史數據顯示、報表自動生成、異常情況報警等功能。

4.4企業信息化管理軟件

現代制造業企業，一方面應是以機器人應用為特點的高精度、高效率、高質量自動化生產，另一方面應是以計算機集成制造系統CIMS和企業資源計劃ERP等先進管理模式的信息化生產?，F場總線技術為生產層數據的網絡化傳輸、存儲和共享提供了條件，通過先進數據庫軟件、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最高的管理決策層到最低的生產層中每一個環節。

5 結束語

現場總線技術作為一種先進的、智能的網絡化控制技術，基于控制網絡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調合作性能與人機交互能力，具有重要的科研價值和現實意義。Lonworks現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點，為智能機器人構造先進的網絡集成式全分布控制系統提供了有效途徑，是實現CIMS和ERP等先進企業管理系統的重要基礎，正成為我國大中型企業實現以信息化帶動工業化的主要解決方案。

參考文獻：

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社, 1999.

[2] Intellution Fix User’s Guide. Intellution Co,Ltd, 1999

[3]張建軍,葛運建.基于現場總線的分布式智能機器人感知系統研究[J].機器人,2002,vol24,（3）244-247.

[4]劉作軍,陳曦.基于現場總線技術的CIMS系統[J].河北工業大學學報,2003（3）52-56.

[5]汪魯才,戴余興.基于Lonworks技術的低壓智能配電系統[J].低壓電器,1999（2）23-25.

[6]李立.以太網和現場總線在工業中的應用[J].微計算機信息,2001（10）42-43.

[7]湯宇松,劉景泰,盧桂章.利用遠程網絡技術的機器人遙操作系統分析[J]. 機器人2000,Vol.22 （1）

[8]宋宇,孫茂相.網絡環境下基于Agent的多機器人協調與路徑規劃[J].機器人2000,Vol. 22 （1）

[9]楊育紅.LON網絡控制技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1999.