基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)機(jī)器人智能控制研究

崔寧

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034）

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，伴隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)中逐漸顯露價(jià)值，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)工業(yè)機(jī)器人的智能控制也研究探索也越來越深入，逐漸開發(fā)出了工業(yè)機(jī)器人在眾多領(lǐng)域的價(jià)值。相信在未來的工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)一定會(huì)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，為各行各業(yè)提供便利，起到更加重要的作用。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)概述

FCS 控制系統(tǒng)（Field bus Control System），即現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一種基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間互相進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)男滦涂偩€控制系統(tǒng)[1]。工業(yè)機(jī)器人作為借助現(xiàn)代高新技術(shù)研發(fā)出來的一個(gè)系統(tǒng)工程，其主要結(jié)構(gòu)包括有人機(jī)操作界面、運(yùn)動(dòng)控制器及驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)還包括機(jī)器人機(jī)械本體，這些部件之間通過多種系統(tǒng)緊密聯(lián)系、相互協(xié)作，最終形成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)工程[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制的優(yōu)勢(shì)

2.1 穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)

在工業(yè)制造領(lǐng)域中應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，可以對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。通過總線技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)所有正在運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備以及監(jiān)測(cè)儀器，都能集中到一臺(tái)總控設(shè)備上，以便于進(jìn)行統(tǒng)一的把控和操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)化制造的效果。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作當(dāng)中使用總線技術(shù)代替信號(hào)傳輸控制技術(shù)，可以有效避免信號(hào)傳輸受到機(jī)械設(shè)計(jì)制造現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)的營養(yǎng)，導(dǎo)致的信號(hào)傳輸緩慢甚至錯(cuò)誤產(chǎn)生的制造事故。總線技術(shù)通過線纜傳輸，傳輸?shù)姆€(wěn)定程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信號(hào)傳輸控制技術(shù)，能夠最大程度上保障機(jī)械設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)當(dāng)中自動(dòng)化控制指令傳達(dá)的穩(wěn)定性，從而為機(jī)械設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)的高效穩(wěn)定開展保駕護(hù)航。

2.2 適配性優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化儀控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)有多種綜合應(yīng)用形式，而DCS+FCS+PLC 控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用就是其中之一。DCS+FCS+ PLC 控制系統(tǒng)，即集散式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與可編程邏輯控制系統(tǒng)的集成綜合系統(tǒng)，如圖1 所示。通常情況下，工業(yè)場(chǎng)地的開關(guān)柜、電動(dòng)門、執(zhí)行器、變送器等監(jiān)控設(shè)備將多達(dá)上萬臺(tái)，而工業(yè)場(chǎng)地的大量監(jiān)控設(shè)備的檢修、維護(hù)、運(yùn)行以及調(diào)整的工作非常巨大，傳統(tǒng)的儀控系統(tǒng)管理模式往往只能被動(dòng)的進(jìn)行維護(hù)檢修，很容易影響工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)的科研生產(chǎn)工作，嚴(yán)重的情況下甚至?xí){工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身生命安全。而使用集散式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與可編程邏輯及控制系統(tǒng)的集成綜合系統(tǒng)，就能夠輕松獲得生產(chǎn)場(chǎng)地各個(gè)監(jiān)控設(shè)備的即時(shí)信息，以便于在監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)問題的情況下，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并且進(jìn)行維護(hù)檢修[3]。

圖1：現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制系統(tǒng)

圖2：智能控制工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.3 高效性優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本質(zhì)是一種新興的集成控制技術(shù)，憑借著自身的卓越技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制這一系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)應(yīng)用過程當(dāng)中都需要在機(jī)械設(shè)備之外單獨(dú)部署線路系統(tǒng)，并且因?yàn)閭鹘y(tǒng)傳感器技術(shù)所使用的信號(hào)規(guī)格與機(jī)械設(shè)計(jì)制造設(shè)備的信號(hào)規(guī)格不同，想要實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)化還需經(jīng)過十分繁瑣的信號(hào)轉(zhuǎn)換工作。而解決傳統(tǒng)傳感器技術(shù)繁瑣操作問題的關(guān)鍵就在于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，通過將傳感器與機(jī)械設(shè)計(jì)制造設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)改造，通過總線進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)化控制，將所有傳感器全部通過交流傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，將傳感器技術(shù)進(jìn)行高效率利用，大大簡化了傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的繁瑣流程，實(shí)現(xiàn)了總線控制一步到位，極大的促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作中各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的感應(yīng)收集，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的安全生產(chǎn)提供了保障。

2.4 智能化優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，從根本上提升了CAM 等相關(guān)數(shù)控技術(shù)的導(dǎo)向性特點(diǎn)，通過操作性更強(qiáng)的可編輯邏輯控制器，連接總線系統(tǒng)進(jìn)行全方位的自動(dòng)化控制。除此之外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，還可以結(jié)合智能運(yùn)算芯片，通過三維建模模擬操作的形式，將預(yù)估操作情況通過數(shù)字模擬的形式呈現(xiàn)出來，方便機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作人員對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整控制。自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械時(shí)機(jī)制造工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中的應(yīng)用，不但將數(shù)控技術(shù)可視化，還大大提高了工業(yè)機(jī)器人的即時(shí)造作性，很大程度上拔高了機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)整體的工業(yè)機(jī)器人智能化水準(zhǔn)。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 通過工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制裝置適配

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的工業(yè)工程控制裝置進(jìn)行適配。工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)不同工業(yè)工程控制裝置的不同需求，進(jìn)行可編輯邏輯控制器的個(gè)性化定制，通過不同的可編輯邏輯控制器與工業(yè)工程控制裝置的適配，來滿足不同的工業(yè)工程控制裝備需求。使得可編輯邏輯控制器能夠在工業(yè)工程控制裝置當(dāng)中，充分發(fā)揮出自身的各種優(yōu)勢(shì)，滿足工業(yè)工程控制裝置的運(yùn)行需求。并且當(dāng)工業(yè)工程當(dāng)中的控制裝置運(yùn)行發(fā)生宕機(jī)或者錯(cuò)誤的情況時(shí)，由于提前預(yù)留了備用傳輸路徑，通過工業(yè)機(jī)器人就可以將本地傳輸路徑運(yùn)行的問題自動(dòng)切換到預(yù)留的備用傳輸路徑，以保證工業(yè)工程控制裝置能夠正常運(yùn)行，避免宕機(jī)或者錯(cuò)誤。

3.2 通過工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于工業(yè)機(jī)器人所具有的存儲(chǔ)空間大的特點(diǎn)，在工業(yè)工程控制裝置中可編輯邏輯控制器的實(shí)際應(yīng)用中，可編輯邏輯控制器不僅僅可以充當(dāng)工業(yè)工程控制裝置的邏輯元件，還可以輔助工業(yè)工程控制裝置在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)當(dāng)中的進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，借助掃描儀進(jìn)行掃描以及存儲(chǔ)功能，將工業(yè)機(jī)器人通過掃描的形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，整理以及存儲(chǔ)于內(nèi)存當(dāng)中，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過可編輯邏輯控制器對(duì)于工業(yè)控制裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的幫助，減輕了工業(yè)工程控制裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力，變相的提高了工業(yè)工程控制裝置的監(jiān)測(cè)性能與工作效率的提升。在傳統(tǒng)的工業(yè)工程控制裝置中，往往為了盡可能大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間就會(huì)壓縮了運(yùn)算能力以及控制元件的位置。但有了工業(yè)機(jī)器人的外部存儲(chǔ)空間支持，就可以使得工業(yè)工程控制裝置的性能與空間并重。

采用雙閉環(huán)控制模式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，由復(fù)合智能控制器、電機(jī)、編碼器組成內(nèi)閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)，依靠復(fù)合智能控制器控制，復(fù)合智能控制器中設(shè)置有控制管理模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊、前饋控制模塊、PID 控制模塊、模糊控制模塊、專家系統(tǒng)模塊、控制決策模塊、傳感器及比較器，傳感器與電機(jī)、比較器連接，控制管理模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊與傳感器連接，反饋輸入端與前饋控制模塊連接，比較器接入控制管理模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊、PID 控制模塊、模糊控制模塊，控制管理模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊、PID 控制模塊、模糊控制模塊依次根據(jù)輸出誤差反饋遞進(jìn)最后輸出至控制決策模塊，專家系統(tǒng)模塊與控制決策模塊組成輸出循環(huán)，而后專家系統(tǒng)模塊與控制管理模塊連接，控制決策模塊接入電機(jī)；由智能工業(yè)機(jī)器人、GPS 及軌跡糾偏器組成外閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)，依靠軌跡糾偏器控制，有利于提高智能割草機(jī)器人的性能與可靠性。模糊控制模塊包括適應(yīng)大負(fù)載變化的模糊控制器。PID 控制模塊包括主控制器，主控制器根據(jù)輸出誤差反饋學(xué)習(xí)。以克服系統(tǒng)干擾影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊采用D-FNN 方式學(xué)習(xí)，具有更快速的學(xué)習(xí)速度[4]。

3.3 建筑配電電路設(shè)備實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)應(yīng)用

現(xiàn)代生活中，傳統(tǒng)的建筑配電電路設(shè)備往往只配備保險(xiǎn)絲，在電路短路情況下，保險(xiǎn)絲會(huì)產(chǎn)生大量熱量將自身熔斷，將電路中斷，以達(dá)到預(yù)防短路致使電路產(chǎn)生高溫引發(fā)火災(zāi)的情況。而保險(xiǎn)絲本身是一個(gè)一次性用品，成本較高的同時(shí)，也只能起到安全保護(hù)作用，卻沒有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提前預(yù)警，或者給出電路何時(shí)何處發(fā)生短路事故的結(jié)果。并且在房屋建筑發(fā)生短路情況，保險(xiǎn)絲熔斷后，還需要房屋建筑業(yè)主自行對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行更換，如果操作不當(dāng)更是容易引發(fā)觸電事故，造成人員傷亡，得不償失。而通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，就可以實(shí)時(shí)對(duì)房屋建筑的整體電路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且在電路溫度產(chǎn)生變化時(shí)及時(shí)預(yù)警，對(duì)于電路的短路、錯(cuò)接、漏電等情況也能做到通過終端日志記錄找出事故源頭[5]。通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，在房屋建筑電氣工程項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)房屋建筑配電電路進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)，不但大大增強(qiáng)了房屋建筑業(yè)主的電路監(jiān)管便利性，還為房屋建筑業(yè)主日常生活的用電安全提供了極大保障。

3.4 建筑室內(nèi)室外安全保障通訊系統(tǒng)應(yīng)用

在現(xiàn)代生活中，應(yīng)用電氣工程科學(xué)以及工業(yè)機(jī)器人，可以在建筑室內(nèi)室外構(gòu)建基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能安全保障通訊系統(tǒng)。此系統(tǒng)由電氣工程科學(xué)以及工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，通過互聯(lián)網(wǎng)以及房屋建筑內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)總線建立的安全保障通訊系統(tǒng)。通過建筑內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)室外，以及建筑室內(nèi)各樓層部分之間的即時(shí)通訊。在結(jié)合了電氣工程科學(xué)以及工業(yè)機(jī)器人后，房屋建筑電氣工程得以實(shí)現(xiàn)房屋建筑室內(nèi)室外的安全保障通訊系統(tǒng)，同時(shí)建筑各樓層室內(nèi)之間的通訊系統(tǒng)均是以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建，所以即使互聯(lián)網(wǎng)中斷，也不影響房屋建筑個(gè)樓層之間的室內(nèi)通訊。同時(shí)室內(nèi)以及室外的通訊系統(tǒng)同步進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入，在緊急情況下可以實(shí)時(shí)與當(dāng)?shù)毓病⑾酪约凹本葯C(jī)關(guān)線上服務(wù)中心進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)在火災(zāi)、入室盜竊搶劫、突發(fā)醫(yī)療事故等危險(xiǎn)意外情況下，能夠得到及時(shí)的幫助，保障房屋建筑業(yè)主的人身生命以及個(gè)人財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)憑借其自身卓越優(yōu)勢(shì)，不但在工業(yè)制造領(lǐng)域有著顯著的推進(jìn)作用，在現(xiàn)代生活中結(jié)合電氣工程技術(shù)也能夠?yàn)槿藗兊纳顜順O大的便利。相信未來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制工業(yè)機(jī)器人也勢(shì)必會(huì)在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域以及現(xiàn)代生活中發(fā)揮更大的作用，為我國工業(yè)發(fā)展以及生活水平提高提供源動(dòng)力。