對(duì)基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的機(jī)器人通信總線控制系統(tǒng)研究

陳文駿 王寧

摘要：近年來(lái)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)器人被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，深刻影響了人們的生活，基于此，本文研究基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的機(jī)器人通信總線控制系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制與通信同步的實(shí)現(xiàn)，討論控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，思考網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，希望本文的觀點(diǎn)能為關(guān)注此話題的研究者提供參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng);控制系統(tǒng);時(shí)延預(yù)測(cè)

引言：使用Somachine軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)程序，其標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境以IEC6為基礎(chǔ)，具備完整的現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)工具，不僅結(jié)構(gòu)水平高，而且有非常強(qiáng)大的功能。可應(yīng)用的語(yǔ)言形式有六種，為程序設(shè)計(jì)提供了極大的便利性，有更高的智能水平。應(yīng)當(dāng)以設(shè)備的控制要求和硬件限制為依據(jù)，完成混合編程的工作，這一過(guò)程會(huì)用到多種語(yǔ)言形式。

一、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制與通信的同步

處于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信宏周期由兩部分構(gòu)成，分別是通信時(shí)間片以及控制時(shí)間片。通信宏周期中有一部分為周期報(bào)文時(shí)間片，其余的部分即為控制時(shí)間片。處于通信時(shí)間片中的設(shè)備以確定性的通信時(shí)間調(diào)度執(zhí)行周期性的報(bào)文傳輸任務(wù)，也就是通信任務(wù)，位于控制時(shí)間片中的設(shè)備會(huì)執(zhí)行EPA通信所需要的所有的功能模塊，屬于控制性任務(wù)。在通信時(shí)間片中按照確定性的通信調(diào)度執(zhí)行周期性的報(bào)文傳輸任務(wù)，則屬于通信任務(wù)。完成EPA的通信功能需要在控制時(shí)間片中完成，這屬于一種控制型任務(wù)。在循環(huán)往復(fù)中就能到達(dá)通信時(shí)間片和控制時(shí)間片，各自完成通信任務(wù)和控制任務(wù)。在通信宏周期中，所有的功能模塊都只能單次執(zhí)行，這是為了避免功能模塊的無(wú)效執(zhí)行[1]。從設(shè)備的角度而言，EPA-CCS的方法能保證在控制時(shí)間片內(nèi)單次執(zhí)行，從而有效解決通信模塊在通信宏周期中的無(wú)效執(zhí)行，同時(shí)也能有效解決運(yùn)行效率低的問(wèn)題。就控制回路而言，這種方法使回路上所有的設(shè)備都能在通信宏周期中實(shí)現(xiàn)周期同步。

二、控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的方案共有10個(gè)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)副，其中共有7個(gè)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)副，需要相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支持才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)行。這其中一共設(shè)置了7個(gè)伺服的電機(jī)，在另外3個(gè)運(yùn)動(dòng)副上，要保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能在行程的起點(diǎn)和終點(diǎn)上確保機(jī)構(gòu)的形態(tài)，則需要配置3個(gè)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。機(jī)器人在執(zhí)行某些功能的過(guò)程中，需要水作為其中的介質(zhì)，要保證能精準(zhǔn)控制水的流量，應(yīng)用蠕動(dòng)泵就能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)的組成包括上位機(jī)、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、蠕動(dòng)泵和氣缸。所選用的控制器是施耐德M241 PLC，該組成配備了開(kāi)關(guān)量IO模塊，使得控制系統(tǒng)的供能得以實(shí)現(xiàn)。工業(yè)計(jì)算機(jī)與PLC實(shí)現(xiàn)通信，運(yùn)用的是工業(yè)以太網(wǎng)的形式。

（二）協(xié)議形式

選用Modbus TCP協(xié)議的形式，促進(jìn)應(yīng)用層更好實(shí)現(xiàn)功能，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率為100Mb/s，這能保證Modbus TCP協(xié)議的運(yùn)行更為穩(wěn)定。PLC與各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)墓ぷ鲿r(shí)，會(huì)屏蔽雙絞線，鏈接方式為梅花型，CAN總線運(yùn)用的是優(yōu)先仲裁機(jī)制，這對(duì)并行控制是有利的，使得機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)，傳輸速率為1MB/s。與傳統(tǒng)的RS485總線通信相比較，傳輸速率提高了近100倍，這一標(biāo)準(zhǔn)完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。布線時(shí)，要主要將120Ω的電阻放置在CAN總線兩端，起到匹配阻抗的作用，增強(qiáng)通信功能的穩(wěn)定性。將EIA-RS485物理層設(shè)置在蠕動(dòng)泵和PLC通信中，連接時(shí)同樣會(huì)屏蔽雙絞線，由蠕動(dòng)泵自帶的通信協(xié)議構(gòu)成協(xié)議層。

（三）程序控制

就程序控制而言，上位機(jī)構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，能實(shí)現(xiàn)的供能有接收和傳輸數(shù)據(jù)、設(shè)定和發(fā)出控制參數(shù)、設(shè)定設(shè)備的動(dòng)態(tài)參數(shù)、顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。使用PLC設(shè)備編寫(xiě)程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)和輔助設(shè)備的控制，這其中涉及到了不同電機(jī)的運(yùn)行模式以及并行運(yùn)動(dòng)的模式。驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)受到上位機(jī)和PLC的協(xié)同控制，設(shè)備表現(xiàn)出了不同的特征，通過(guò)PLC各個(gè)主體程序都能完成循環(huán)掃描，在上位機(jī)程序中沒(méi)有實(shí)體的控制程序，只是設(shè)定參數(shù)并控制開(kāi)關(guān)量。

三、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的值變化范圍比較小，而且時(shí)延值也比較小，總的網(wǎng)絡(luò)幼時(shí)延值為控制器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和從控制器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的和。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)誘導(dǎo)時(shí)延值非常小，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量不大的情況下，可將控制器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延看作是一個(gè)變化范圍比較小的可測(cè)量的值，而在吞吐量的值增加到一定大小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延就會(huì)出現(xiàn)急劇增大的情況?？刂破鲗?shí)現(xiàn)相關(guān)的功能主要是依靠相應(yīng)數(shù)學(xué)模型所發(fā)揮的作用，控制器所能起到的控制效果與網(wǎng)絡(luò)延時(shí)參數(shù)有直接聯(lián)系。就目前時(shí)刻的傳感器而言，可運(yùn)用時(shí)間戳的方式來(lái)測(cè)得準(zhǔn)確的控制器網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，但是卻不能在發(fā)出控制量之前測(cè)得該指標(biāo)，只能通過(guò)預(yù)測(cè)的方法得到一個(gè)預(yù)估值，需要把總的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延合并成一個(gè)參數(shù)。在當(dāng)前時(shí)刻之前會(huì)產(chǎn)生一個(gè)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延序列，以此為依據(jù)來(lái)估計(jì)目前網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的值，運(yùn)用最小二乘向量機(jī)的方法來(lái)完成。采用時(shí)間戳的方法會(huì)得到目前時(shí)刻以前的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延觀測(cè)值，把這些數(shù)據(jù)排列成時(shí)間序列，在時(shí)間序列的觀測(cè)值中，網(wǎng)絡(luò)延遲值和之前所觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)延遲值序列具有非線性的映射關(guān)系。

四、PLC程序

控制伺服電機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的步驟，有很高的實(shí)時(shí)性要求，需用到結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言。在自由口的作用下，水泵才能實(shí)現(xiàn)通信。所選擇的模塊是比較直觀的CFC流程圖編程。使用電磁閥來(lái)控制氣缸，編程會(huì)用到梯形圖，從而實(shí)現(xiàn)通電和斷電之間的轉(zhuǎn)換。在CAN的總線中，有對(duì)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的定義，同時(shí)體現(xiàn)在第一層和第二層中。實(shí)現(xiàn)完整的通信還需要用到一個(gè)高層協(xié)議，也就是CANOpen協(xié)議，該協(xié)議在發(fā)布不久后，就得到了廣泛認(rèn)可?，F(xiàn)如今，該協(xié)議在CAN的總線系統(tǒng)中處于領(lǐng)導(dǎo)地位，對(duì)象字典是該設(shè)備的核心概念[2]。借助于對(duì)象字典，能夠有效訪問(wèn)伺服驅(qū)動(dòng)器中的所有參數(shù)，同時(shí)在伺服驅(qū)動(dòng)器中也對(duì)相關(guān)的功能都有定義。除此之外，CAN總線還具備較為完備的錯(cuò)誤處理機(jī)制，如果數(shù)據(jù)發(fā)送之后，未能接收正確的應(yīng)答位，硬件就會(huì)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，這使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行悦黠@增強(qiáng)。

CANOpen的通訊方式有兩種，一種是過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象，還有一種是網(wǎng)絡(luò)管理。就過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象而言，特點(diǎn)是通信速度快，而且有很高的實(shí)時(shí)性。在網(wǎng)絡(luò)管理通信中，主機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的有效控制，開(kāi)始執(zhí)行主程序需要用到網(wǎng)絡(luò)管理的通信形式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效配置，起到輸出控制的作用。對(duì)運(yùn)行中的電機(jī)實(shí)時(shí)控制，采用網(wǎng)絡(luò)管理的形式編寫(xiě)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的程序，從站會(huì)發(fā)送心跳報(bào)文，報(bào)文描述設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為開(kāi)展監(jiān)管工作提供便利條件。

總結(jié)：綜上所述，將以太網(wǎng)作為通信和伺服控制總線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的建構(gòu)，所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)是時(shí)延短，有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的分布式控制。研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延對(duì)機(jī)器人總線控制系統(tǒng)的影響，有效控制和校正PID網(wǎng)絡(luò)控制方法。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王亞峰，陳昊，任杰夫.基于CAN的分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（14）：148-151.

作者簡(jiǎn)介：陳文駿（1990-），男，江蘇省南京市，漢，在職研究生，研究方向：汽車制造與新能源制造

第二作者：王寧，單位：同濟(jì)大學(xué)