智能制造生產(chǎn)線中各設(shè)備之間的以太網(wǎng)通訊應(yīng)用

姚天曉

摘要：由德國西門子Siemens公司提出的PROFINET現(xiàn)場總線作為一種在工業(yè)控制中發(fā)展起來，應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之間的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)簡單、可靠性高、通訊高效等優(yōu)點。該文以全國智能制造應(yīng)用技術(shù)技能大賽比賽設(shè)備，切削加工智能制造系統(tǒng)具體應(yīng)用為例，詳細(xì)闡述了在PROFINET現(xiàn)場總線中，以西門子自動化設(shè)備為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)通訊應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;以太網(wǎng)通訊;智能制造;MES系統(tǒng)

0? 引言

全國智能制造應(yīng)用技術(shù)技能大賽中，以切削加工智能制造單元技術(shù)平臺作為競賽平臺，通過機器人代替人工為數(shù)控車床與加工中心上下料作業(yè)，實現(xiàn)上料、加工、檢測、下料等過程自動化。為了智能制造產(chǎn)線實現(xiàn)自動化智能化的生產(chǎn)，MES系統(tǒng)、RFID讀寫器、數(shù)控車床、加工中心、觸摸屏、PLC、工業(yè)機器人等設(shè)備必須有大量的信息交互的，所以必須建立設(shè)備之間的通訊。

1? 基于S7-1200的MODBUS TCP通訊

該比賽賽項的設(shè)備是多家公司提供的，我以江蘇匯博機器人技術(shù)股份有限公司提供的設(shè)備為例來說：首先，簡單闡述一下智能制造系統(tǒng)中各設(shè)備之間的通訊關(guān)系。匯博公司的MES系統(tǒng)是自己研發(fā)的MES系統(tǒng)，通過計算機搭建服務(wù)器，組建一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，CAD/CAM軟件設(shè)計系統(tǒng)以及負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的中央控制系統(tǒng)主控PLC均通過TCP/IP的方式接入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與MES系統(tǒng)相連。MES系統(tǒng)還直接與設(shè)備層的數(shù)控機床及加工中心相連，實現(xiàn)加工程序的上傳。機器人與中央控制器德國西門子S7-1200PLC交互的信號較多，是通過Modbus TCP來實現(xiàn)的。中央控制器配有一個人機界面，它和安裝于機器人末端的RFID 讀寫器均通過Profinet與中央控制器相連。

1.1 PLC與機器人的MODBUS TCP通訊

PLC是這套設(shè)備負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的中央控制系統(tǒng)，指定使用的是西門子S7-1200PLC，而機器人是匯博HB3-760-C10型機器人。因為PLC是由西門子公司生產(chǎn)，機器人是國產(chǎn)品牌匯博公司生產(chǎn)，它們之間走以太網(wǎng)通訊會比較方便，又因為MODBUS TCP通訊協(xié)議常常為PLC、I/O模塊以及其他現(xiàn)場總線設(shè)備提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)。所以我們是使用MODBUS TCP通訊來實現(xiàn)S7-1200PLC與匯博工業(yè)機器人的信息交互。

為了實現(xiàn)PLC與工業(yè)機器人的MODBUS TCP通訊，必須分四步來完成：

第一步，系統(tǒng)硬件組態(tài)，就是使用西門子公司TIA Portal V14的自動化軟件，按這套設(shè)備的硬件匹配的型號對S7-1200PLC、觸摸屏TP700comfort、RFID讀寫頭進行硬件組態(tài)。第二步，設(shè)備的IP地址設(shè)定，PLC的IP地址設(shè)成192.168.8.10、HMI的IP地址設(shè)成192.168.8.11、機器人的IP地址設(shè)成192.168.8.103等等。其中要注意的是，設(shè)備的IP地址192.168.8.11前三個數(shù)據(jù)是網(wǎng)段，要一樣，最后一個是地址，不能相同。第三步，為通訊設(shè)備數(shù)據(jù)編寫存儲數(shù)據(jù)的讀寫DB塊。從PLC寫到機器人的命令是16個實數(shù)，從機器人讀到PLC的機器人狀態(tài)也是16個實數(shù)。第四步通訊程序編寫，如圖1所示，PLC與機器人的MODBUS TCP通訊使用的指令是“MB_CLIENT”，“MB_CLIENT”指令作為MODBUS TCP客戶端通過 S7-1200 CPU的PROFINET以太網(wǎng)連接進行通信。 使用該指令，無需其它任何硬件模塊。 通過“MB_CLIENT”指令，可以在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請求、接收響應(yīng)并控制Modbus TCP服務(wù)器的連接終端。其中要注意的是：指令中的REQ是指與Modbus TCP服務(wù)器之間的通信請求，只要REQ=1，指令就會激活，發(fā)送通信請求。指令的DISCONNECT參數(shù)，通過該參數(shù)，可以控制與Modbus服務(wù)器建立和終止連接，DISCONNECT=1就會斷開通訊連接，所以設(shè)成0就可以了。IP地址就設(shè)成機器人的地址192.168.8.103。MODE為1就是PLC的命令寫到機器人，MODE為0就是PLC讀取機器人狀態(tài)。我認(rèn)為就是因為有了PLC的命令寫到機器人，并且機器人把它的狀態(tài)反饋給PLC，有這樣的信息交互，才能使智能制造產(chǎn)線生產(chǎn)更加的穩(wěn)定。例如，我的程序讓PLC讀取機器人的第五個實數(shù)DB2.DBW8為3，是機器人通過PLC來控制車床把安全門打開，而車床的門打開后，PLC寫給機器人的第五個實數(shù)DB2.DBW40也為3，是告訴機器人車床門已經(jīng)是打開狀態(tài)，機器人接收到信息后，才能拿著工件去車床加工。這些設(shè)備生產(chǎn)就會更加可靠。

1.2 PLC與MES系統(tǒng)的MODBUS TCP通訊

智能產(chǎn)線MES系統(tǒng)作為是部署在電腦上的、運用于自動產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)度的總控PLC對MES下發(fā)的指令進行分析處理后，再給七軸工業(yè)機器人、機床下發(fā)指令。匯博的MES系統(tǒng)與西門子S7-1200plc也是通過MODBUS? TCP來進行通訊，它們用的是指令MB_SERVER來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)PLC與MES系統(tǒng)的MODBUS TCP通訊，必須分四步來完成：其中前三步跟PLC與機器人的MODBUS? TCP通訊一樣，就不重復(fù)敘述，只講第四步程序編寫，通訊程序如圖2，注意的是，參數(shù)MB_HOLD_REG為指向“MB_SERVER”指令中 Modbus 保持性寄存器的指針，MB_HOLD_REG為P#DB3.DBX0.0 WORD 200表示的是PLC與MES系統(tǒng)通訊的區(qū)間是在數(shù)據(jù)塊DB3的前200個實數(shù)。這200個實數(shù)的定義是已經(jīng)被MES系統(tǒng)設(shè)定好了。像是匯博編寫的MES系統(tǒng)，它規(guī)定，第一個實數(shù)到第四個實數(shù)D1、D2、D3、D4，分別是MES系統(tǒng)給PLC的命令、取料位、放料位和設(shè)備號，例如下發(fā)訂單時，MES下發(fā)一個D1=102、D2=10、D3=10、D4=1，意思就是MES下發(fā)加工訂單，讓機器人從10號倉位取物料，拿去車床加工，加工完放回10號倉位。如果PLC在D3、D32、D33、D34這四個實數(shù)中，也會給MES一個D31=102、D32=10、D33=10、D34=1，這就是告訴MES系統(tǒng)，PLC已經(jīng)接到并響應(yīng)MES的命令了，而MES接收到PLC給MES的響應(yīng)信息后，就會把數(shù)據(jù)清零，最后PLC也把數(shù)據(jù)清零，這樣就完成了一個信息的交互。這樣如果PLC或者MES系統(tǒng)發(fā)生了故障，就不能完成命令與反饋，PLC就不會給機床與機器人下達錯誤命令了。從而提高了智能產(chǎn)線的可靠度。

2? 以太網(wǎng)通訊

S7-1200PLC與觸摸屏TP700、RFID讀寫器RF180C的通訊方式是PROFINET通訊，實現(xiàn)PROFINET通訊，第一步設(shè)定IP地址，設(shè)備間通過IP地址互相訪問，其中S7-1200PLC與觸摸屏只需要第一步設(shè)置設(shè)備的IP地址就能正常使用，而RFID讀卡器就要繼續(xù)往下設(shè)置才能使用。第二步分配設(shè)備名稱，RFID讀寫器就還要繼續(xù)分配設(shè)備名稱，組態(tài)設(shè)備參數(shù)，這時設(shè)備已經(jīng)配置好。第三步編寫數(shù)據(jù)塊，編寫用于存儲讀出的數(shù)據(jù)、寫入的數(shù)據(jù)DB8、DB9兩個數(shù)據(jù)塊。

第四步，編寫RFID讀卡器的復(fù)位及讀寫程序。首先我們要了解在機器人末端安裝有RFID讀卡器，用于對倉庫各RFID芯片進行讀寫，以讀取或更新各倉位工件狀態(tài)。讀寫器上帶有感應(yīng)裝置，當(dāng)讀寫器靠近RFID芯片，感應(yīng)裝置被觸發(fā)，控制器獲得到位信號，即可對RFID芯片進行讀寫操作。如圖3，當(dāng)我們配置好西門子讀寫器RF180CV2.2并且編寫出RFID的復(fù)位指令RESET_rf300，讀寫器就會亮綠光，就能執(zhí)行讀寫任務(wù)。如果沒有位置好，讀寫器就會亮藍(lán)光，這時讀寫器是不能正常使用的。

如圖4，當(dāng)執(zhí)行“寫”的命令時，就會把我們做好DB塊db9的前十個字節(jié)通過讀寫器的數(shù)據(jù)塊DB1寫進芯片。同樣，如圖5當(dāng)執(zhí)行“讀”的命令時，就會把芯片中的數(shù)據(jù)通過讀寫器的數(shù)據(jù)塊DB1傳送到我們做好數(shù)據(jù)塊塊db8的前十個字節(jié)。而MES系統(tǒng)通過PLC就可以掌握30個料倉的設(shè)備、類型、材質(zhì)、狀態(tài)等信息。而MES系統(tǒng)只有準(zhǔn)確掌握了料倉的情況，才能夠發(fā)布生產(chǎn)命令。

通過搭建MES系統(tǒng)、PLC、機器人等設(shè)備間的MODBUS TCP通訊和PLC、HMI、RFID讀卡器設(shè)備間的PROFINET通訊，經(jīng)過一個月的測試發(fā)現(xiàn)，通訊相當(dāng)可靠，為智能制造生產(chǎn)線的調(diào)試提供了可靠的通訊保障。

3? 結(jié)束語

在智能制造生產(chǎn)線的整個通信網(wǎng)絡(luò)中，主控PLC起到一個連接的紐帶作用，PLC往上通過Modbus TCP連接MES系統(tǒng)，往下與RFID、機器人通過Profinet、Modbus TCP連接，把這些單獨的設(shè)備給組成一個聯(lián)系緊密的整體。而像這樣用一根網(wǎng)線就能把生產(chǎn)線設(shè)備給連接完的以太網(wǎng)通訊方式將在今后的工業(yè)控制中會得到更多的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]廖常初.S7-1200/1500PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017，11.

[2]向曉漢，李潤海.西門子S7-1200/1500PLC學(xué)習(xí)手冊：基于LAD和SCL編程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018，8.

[3]馮振華.分析工業(yè)機器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件，2019（13）：119-120.