汽車裝配自動化分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

周繼國　鄧萬軍

摘要：本文主要介紹了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的新型工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究。控制系統(tǒng)由自主化、智能化的組件構(gòu)成，這些部件有能力輔助主控制器協(xié)助控制過程。采用分布式控制方法的裝配自動化系統(tǒng)將具有更大的靈活性，可重用性和較低的開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：分布式網(wǎng)絡(luò);組件;主控制器

1引言

將裝配工作流程中的控制功能分布到本地現(xiàn)場設(shè)備是一種未來必須實現(xiàn)的發(fā)展趨勢。例如采用執(zhí)行器和傳感器等電子元件，這樣它們就可以在沒有中央控制器（如可編程邏輯控制器（PLC））的情況下進行通信。本文的主要研究目的是設(shè)計一種基于組件的分布式控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)汽車零部件的裝配自動化。該系統(tǒng)由自主組件組成，這些組件具有控制其本地設(shè)備（驅(qū)動器和傳感器）的能力，通過分布式控制網(wǎng)絡(luò)相互通信，并在沒有主控制器的情況下做出控制決策。

2分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

未來的工業(yè)制造模式應該具有分布式的、自組織的和可操作的組織結(jié)構(gòu)，以適應系統(tǒng)的動態(tài)變化。這種系統(tǒng)將以分布式自治單元為基礎(chǔ)，這些單元作為一組操作實體進行操作，為系統(tǒng)提供優(yōu)良的操作靈活性和變更能力。工業(yè)控制系統(tǒng)正逐漸從集中式控制模式向分布式控制進行轉(zhuǎn)變。分層控制體系結(jié)構(gòu)為松散耦合的分層控制體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)上由大型且昂貴的集中式控制單元（通常是PLC）管理的控制任務，已經(jīng)被分配到由較小的控制器處理的子任務中。被稱為現(xiàn)場總線的串行通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取代了將控制器連接到分布式現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器和執(zhí)行器）的點對點通信。隨著越來越多的智能設(shè)備集成到控制系統(tǒng)中，智能發(fā)電機和傳感器不再僅僅從主控制器接收驅(qū)動命令或?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，而是能夠執(zhí)行簡單的局部操作，如局部反饋控制或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，而無需控制器的直接干預。主控制器因此從直接控制設(shè)備中解脫出來，而專注于更高級別的自動化任務，如過程排序、設(shè)備聯(lián)鎖，操作模式處理，錯誤恢復程序，人機接口等等。

未來的控制系統(tǒng)發(fā)展將是通過將控制自主權(quán)從機器的邊界擴展到傳感器驅(qū)動器的水平，從而達到更大程度地模塊化、靈活性和可重構(gòu)性。這些智能自動化元件將被用作構(gòu)成制造系統(tǒng)的通用構(gòu)件。完全分散智能現(xiàn)場設(shè)備的控制自動化，消除了對主控制器的需求。在每個智能設(shè)備中啟用局部推理和分布式控制能力，將不需要開發(fā)常規(guī)控制程序。自主設(shè)備將評估控制系統(tǒng)的全局狀態(tài)，并對系統(tǒng)開發(fā)期間定義或配置的一組條件做出相應的反應。

3汽車裝配自動化系統(tǒng)設(shè)計

基于組件的控制系統(tǒng)是在某品牌的一臺評估裝配機上實現(xiàn)。這臺機器由運輸系統(tǒng)和裝配站組成。運輸系統(tǒng)將托盤移動到組裝站，并在托盤上進行提貨操作。操作結(jié)束后，托盤離開車站，并由軌道改道器分揀到兩個車道。托盤在釋放貨物以及再次運輸?shù)窖b配站為下一個裝配周期之前被緩沖了一段時間。射頻數(shù)據(jù)標簽安裝在每個托盤的下面，以攜帶與托盤和裝配操作結(jié)果相關(guān)的信息。

3.1基于組件的控制系統(tǒng)

通過研究可以發(fā)現(xiàn)裝配機由許多共同的控制元件組成，這些元件為系統(tǒng)提供標準的控制功能。該設(shè)備的調(diào)試工程師表示大約70%的控制和設(shè)備是標準化的，如果這些控制元素的設(shè)計、開發(fā)和實施工作可以封裝和重用，就可以節(jié)省精力。這些常見元件大致包括傳送帶驅(qū)動器、止動器、分流器、固定裝置、分度表和取放門架等等。這些部件是根據(jù)各自的FSMs所描述的控制行為開發(fā)的。底層I/O接口提供控制輸出驅(qū)動和控制反饋的功能。在組件開發(fā)期間沒有定義過渡的外部條件，可以在組件開發(fā)完成后指定。需要明確的是組件控制行為是通用的，不是為任何特定的系統(tǒng)實現(xiàn)而開發(fā)的。在組件開發(fā)完成后，下一階段關(guān)注的是通過集成預制組件來開發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)的應用程序行為是通過將外部條件與其他組件的狀態(tài)聯(lián)鎖來指定的。

如圖1所示展示了傳輸系統(tǒng)一部分的應用程序定義示例。這里的任務是使用STOP執(zhí)行器、托盤傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行器和標簽閱讀器（圖中沒有顯示）將進入的托盤分成兩條車道。托盤傳感器將檢測托盤到達的位置。托盤停止，標簽閱讀器從射頻數(shù)據(jù)標簽上讀出程序號。程序號為I的托盤被分配到車道I，而程序號為2的托盤被分配到車道2。

3.2利用LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)分布式控制網(wǎng)絡(luò)

該裝配系統(tǒng)采用LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。與基于主從控制和通信關(guān)系的現(xiàn)場總線不同，LonWorks提供了一個真正的分布式、分層的架構(gòu)，允許設(shè)備完全自主地通過分布式控制網(wǎng)絡(luò)彼此通信。使用LonWorks，可以通過使用網(wǎng)絡(luò)變量接口和配置參數(shù)，將組件控制應用程序開發(fā)過程與系統(tǒng)應用程序配置解耦。組件之間可以通過輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)變量進行通信，通過輸出網(wǎng)絡(luò)變量接口發(fā)送單向事件消息，通過輸入網(wǎng)絡(luò)變量接口接收傳入消息。組件開發(fā)人員可以創(chuàng)建應用程序來響應輸入網(wǎng)絡(luò)變量的變化，并通過輸出網(wǎng)絡(luò)變量向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布更新，而不需要知道在開發(fā)期間誰將是網(wǎng)絡(luò)消息的發(fā)送者和接收者。這種通信關(guān)系是在組件發(fā)展之后定義的。組件的配置是通過使用配置參數(shù)來實現(xiàn)的，在開發(fā)出控制應用程序后，可以對配置參數(shù)進行訪問和修改。

組件通過操作器、操作模式和操作器命令輸入網(wǎng)絡(luò)接口從操作器控制臺接收操作命令。組件通過state和error輸出網(wǎng)絡(luò)接口顯示其狀態(tài)。這些可以綁定到其他組件的外部條件輸入網(wǎng)絡(luò)接口，從而將這些組件聯(lián)鎖在一起。組件之間的聯(lián)鎖以及其他操作參數(shù)都是通過配置參數(shù)來定義的。使用這種方法，控制系統(tǒng)組件的通用控件就可以獨立開發(fā)和實現(xiàn)，而無需事先了解將要部署它們的目標應用程序。系統(tǒng)應用程序是在這樣的組件之上開發(fā)的，通過定義外部條件將組件聯(lián)鎖在一起以提供所需的系統(tǒng)行為。

4結(jié)論

本文討論了一種基于組件的分布式系統(tǒng)的概念。該類型控制系統(tǒng)可以在不需要中央控制器的情況下運行。在一個裝配自動化系統(tǒng)中基本實現(xiàn)了分布式控制功能。研究表明，基于組件的分布式控制方法可以為裝配自動化系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)提供更大的靈活性和可重用性。該方案的實現(xiàn)驗證了網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在驅(qū)動傳感器級局部部件分布式控制的可行性。

參考文獻

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第一作者簡介：周繼國 男，漢，籍貫重慶，1986.07，本科，助理工程師，研究方向自動化裝備，工藝技術(shù)）。