周继国　邓万军

摘要：本文主要介绍了一种基于分布式网络的新型工业控制系统的设计与研究。控制系统由自主化、智能化的组件构成，这些部件有能力辅助主控制器协助控制过程。采用分布式控制方法的装配自动化系统将具有更大的灵活性，可重用性和较低的开发成本。

关键词：分布式网络;组件;主控制器

1引言

将装配工作流程中的控制功能分布到本地现场设备是一种未来必须实现的发展趋势。例如采用执行器和传感器等电子元件，这样它们就可以在没有中央控制器（如可编程逻辑控制器（PLC））的情况下进行通信。本文的主要研究目的是设计一种基于组件的分布式控制系统，用于实现汽车零部件的装配自动化。该系统由自主组件组成，这些组件具有控制其本地设备（驱动器和传感器）的能力，通过分布式控制网络相互通信，并在没有主控制器的情况下做出控制决策。

2分布式控制系统的发展趋势

未来的工业制造模式应该具有分布式的、自组织的和可操作的组织结构，以适应系统的动态变化。这种系统将以分布式自治单元为基础，这些单元作为一组操作实体进行操作，为系统提供优良的操作灵活性和变更能力。工业控制系统正逐渐从集中式控制模式向分布式控制进行转变。分层控制体系结构为松散耦合的分层控制体系结构。传统上由大型且昂贵的集中式控制单元（通常是PLC）管理的控制任务，已经被分配到由较小的控制器处理的子任务中。被称为现场总线的串行通信网络已经取代了将控制器连接到分布式现场设备（如传感器和执行器）的点对点通信。随着越来越多的智能设备集成到控制系统中，智能发电机和传感器不再仅仅从主控制器接收驱动命令或将传感器数据发送给主控制器，而是能够执行简单的局部操作，如局部反馈控制或数据调节，而无需控制器的直接干预。主控制器因此从直接控制设备中解脱出来，而专注于更高级别的自动化任务，如过程排序、设备联锁，操作模式处理，错误恢复程序，人机接口等等。

未来的控制系统发展将是通过将控制自主权从机器的边界扩展到传感器驱动器的水平，从而达到更大程度地模块化、灵活性和可重构性。这些智能自动化元件将被用作构成制造系统的通用构件。完全分散智能现场设备的控制自动化，消除了对主控制器的需求。在每个智能设备中启用局部推理和分布式控制能力，将不需要开发常规控制程序。自主设备将评估控制系统的全局状态，并对系统开发期间定义或配置的一组条件做出相应的反应。

3汽车装配自动化系统设计

基于組件的控制系统是在某品牌的一台评估装配机上实现。这台机器由运输系统和装配站组成。运输系统将托盘移动到组装站，并在托盘上进行提货操作。操作结束后，托盘离开车站，并由轨道改道器分拣到两个车道。托盘在释放货物以及再次运输到装配站为下一个装配周期之前被缓冲了一段时间。射频数据标签安装在每个托盘的下面，以携带与托盘和装配操作结果相关的信息。

3.1基于组件的控制系统

通过研究可以发现装配机由许多共同的控制元件组成，这些元件为系统提供标准的控制功能。该设备的调试工程师表示大约70%的控制和设备是标准化的，如果这些控制元素的设计、开发和实施工作可以封装和重用，就可以节省精力。这些常见元件大致包括传送带驱动器、止动器、分流器、固定装置、分度表和取放门架等等。这些部件是根据各自的FSMs所描述的控制行为开发的。底层I/O接口提供控制输出驱动和控制反馈的功能。在组件开发期间没有定义过渡的外部条件，可以在组件开发完成后指定。需要明确的是组件控制行为是通用的，不是为任何特定的系统实现而开发的。在组件开发完成后，下一阶段关注的是通过集成预制组件来开发系统。系统的应用程序行为是通过将外部条件与其他组件的状态联锁来指定的。

如图1所示展示了传输系统一部分的应用程序定义示例。这里的任务是使用STOP执行器、托盘传感器、转向执行器和标签阅读器（图中没有显示）将进入的托盘分成两条车道。托盘传感器将检测托盘到达的位置。托盘停止，标签阅读器从射频数据标签上读出程序号。程序号为I的托盘被分配到车道I，而程序号为2的托盘被分配到车道2。

3.2利用LonWorks控制网络实现分布式控制网络

该装配系统采用LonWorks控制网络实现。与基于主从控制和通信关系的现场总线不同，LonWorks提供了一个真正的分布式、分层的架构，允许设备完全自主地通过分布式控制网络彼此通信。使用LonWorks，可以通过使用网络变量接口和配置参数，将组件控制应用程序开发过程与系统应用程序配置解耦。组件之间可以通过输入和输出网络变量进行通信，通过输出网络变量接口发送单向事件消息，通过输入网络变量接口接收传入消息。组件开发人员可以创建应用程序来响应输入网络变量的变化，并通过输出网络变量向网络发布更新，而不需要知道在开发期间谁将是网络消息的发送者和接收者。这种通信关系是在组件发展之后定义的。组件的配置是通过使用配置参数来实现的，在开发出控制应用程序后，可以对配置参数进行访问和修改。

组件通过操作器、操作模式和操作器命令输入网络接口从操作器控制台接收操作命令。组件通过state和error输出网络接口显示其状态。这些可以绑定到其他组件的外部条件输入网络接口，从而将这些组件联锁在一起。组件之间的联锁以及其他操作参数都是通过配置参数来定义的。使用这种方法，控制系统组件的通用控件就可以独立开发和实现，而无需事先了解将要部署它们的目标应用程序。系统应用程序是在这样的组件之上开发的，通过定义外部条件将组件联锁在一起以提供所需的系统行为。

4结论

本文讨论了一种基于组件的分布式系统的概念。该类型控制系统可以在不需要中央控制器的情况下运行。在一个装配自动化系统中基本实现了分布式控制功能。研究表明，基于组件的分布式控制方法可以为装配自动化系统的开发和实现提供更大的灵活性和可重用性。该方案的实现验证了网络工业无线网络系统在驱动传感器级局部部件分布式控制的可行性。

参考文献

[1]乔志刚.基于现场总线的PLC分布式控制生产线的设计[J].冶金管理，2021（09）：45+47.

[2]宋晨，刘惠义.一种多层分布式情境装配模型[J].计算机与现代化，2016（03）：116-121.

第一作者简介：周继国 男，汉，籍贯重庆，1986.07，本科，助理工程师，研究方向自动化装备，工艺技术）。