基于CODESYS平臺的機器人控制器設(shè)計

薛浩宇，林福師，蒙國良

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引 言

控制器作為自動化系統(tǒng)的核心部件，在工業(yè)制造領(lǐng)域廣為應(yīng)用，現(xiàn)有的控制器類型比較多樣化，控制形式比較離散，可拓展性能較差。以汽車制造集成的生產(chǎn)線為例，控制器主要有以下幾種類型：（1）PLC控制器：專注于現(xiàn)場離散的設(shè)備的集成控制，成本昂貴；（2）機器人控制器：專注于單個機器人的控制；（3）專有設(shè)備控制器：用于特定設(shè)備的控制，如視覺、涂膠等。機器人控制器是工業(yè)機器人的核心部件之一，國外品牌工業(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結(jié)構(gòu)進行開發(fā)的，結(jié)構(gòu)封閉，開放性、可擴展性差，難以根據(jù)不同的生產(chǎn)需要進行定制化開發(fā)。

EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其網(wǎng)絡(luò)實時性高、數(shù)據(jù)傳輸率高、拓撲結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，能滿 足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性和同步性要求。在支持EtherCAT總線的CODESYS平臺上開發(fā)機器人控制器系統(tǒng)，能夠滿足開放性、可移植性和可擴展性的需求。采用Linux+Preempt-RT操作系統(tǒng)，移植CODESYS平臺的Runtime組件與機器人算法，利用C++編寫共享內(nèi)存庫，實現(xiàn)CODESYS與機器人算法間PDO數(shù)據(jù)共享，再利用CODESYS的PLC編程功能，即可打造一個PLC+機器人控制器平臺，完成對機器人以及現(xiàn)場離散設(shè)備的集成控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文中，采用x86架構(gòu)的工控機，安裝Debian9操作系統(tǒng)，移植linux-4.19.152版本內(nèi)核、CODESYS平臺的Runtime組件與機器人算法程序，構(gòu)成一個同時支持PLC與機器人控制功能的可編程邏輯控制器。利用CODESYS平臺的可視化模組進行設(shè)計開發(fā)人機交互界面，機器人驅(qū)動器采用清能德創(chuàng)CoolDrive A8型號的驅(qū)動器。

工控機上使用CODESYS作為EtherCAT主站，下掛六軸機器人伺服驅(qū)動器。其中，六軸機器人伺服驅(qū)動器的PDO數(shù)據(jù)，通過共享內(nèi)存的方式，在CODESYS與機器人算法程序間傳輸。同時CODESYS作為Modbus_TCP主站控制作為從站的機器人算法程序，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 Linux系統(tǒng)搭建

2.1 Linux環(huán)境搭建

在工控機上安裝Debian9操作系統(tǒng)，安裝完成后，隨即開始搭建系統(tǒng)環(huán)境：（1）配置網(wǎng)絡(luò)鏡像源，編輯source.list文件，將缺省的國外鏡像源配置成國內(nèi)鏡像源；（2）安裝調(diào)試及生產(chǎn)需要的軟件，例如vim、net-tools、rt-tests等；（3）配置網(wǎng)卡，本文的工控機有兩個網(wǎng)卡，故將其中一個網(wǎng)卡設(shè)置成靜態(tài)IP地址，用于連接內(nèi)網(wǎng)，另一個網(wǎng)卡設(shè)置成采用DHCP協(xié)議自動獲取IP地址，用于連接外網(wǎng)；（4）移除無用的軟件包，禁用一些不需要的服務(wù)，加快系統(tǒng)啟動時間。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖示

2.2 Linux內(nèi)核配置

Linux采用非搶占式的調(diào)度方法，其內(nèi)核允許在內(nèi)核態(tài)，應(yīng)用程序運行在用戶態(tài)，程序在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)間切換需要消耗大量時間，無法滿足運動控制的實時性要求。可以通過安裝實時內(nèi)核補丁的方式改善Linux內(nèi)核實時性。Debian9推送的內(nèi)核是4.19.152版本，故下載內(nèi)核源碼時選擇linux-4.19.152版本的源碼以及與之相對應(yīng)的Preempt-RT補丁。進入內(nèi)核源碼目錄，執(zhí)行如下命令，安裝Preempt-RT補丁：

進入內(nèi)核配置界面：

如圖2所示，內(nèi)核配置界面最上方顯示的是引導(dǎo)說明以及不同字符所代表的含義，其余區(qū)域顯示的是不同的內(nèi)核配置選項。

圖2 內(nèi)核配置界面

如圖3所示，內(nèi)核配置中，支持設(shè)置不同的Preemption模式，以處理不同的工作負載。Preemption是指內(nèi)核為了處理更高優(yōu)先級的任務(wù)，中斷正在執(zhí)行的任務(wù)的能力。在安裝了Preempt-RT補丁后，將會多出兩個preemption模式，為了搭建實時操作系統(tǒng)，選擇Fully Preemptible Kernel (RT)模式。

圖3 Preemption模式選擇界面

2.3 系統(tǒng)實時性測試

實時性測試主要有兩點：模擬負載與實時性測試工具。模擬負載采用stress軟件，實時性測試工具選擇cyclictest軟件。經(jīng)過72小時不間斷測試，各核最大抖動不超過30 μs，實時性滿足運動控制的需求。

3 共享內(nèi)存功能實現(xiàn)

3.1 格式定義

進程間通信的目的是實現(xiàn)計算機系統(tǒng)內(nèi)部相互協(xié)作的進程之間數(shù)據(jù)共享和信息交換，是實現(xiàn)進程間同步和互斥的一種重要手段。實時系統(tǒng)中常用的進程間通信方式包括管道、消息隊列、信號量和共享內(nèi)存等。

本文使用共享內(nèi)存的進程間通信方式實現(xiàn)CODESYS與機器人算法程序間PDO數(shù)據(jù)共享。PDO即為過程數(shù)據(jù)對象，其作用是傳輸實時短幀數(shù)據(jù)。PDO數(shù)據(jù)按照讀寫類型分為只讀PDO與讀寫PDO，只讀PDO是EtherCAT從站（即伺服驅(qū)動器）輸出給EtherCAT主站（即CODESYS）的數(shù)據(jù)，讀寫PDO是EtherCAT主站輸出給EtherCAT從站的數(shù)據(jù)。機器人算法程序需要通過與伺服驅(qū)動器相互傳輸PDO數(shù)據(jù)，從而對機器人本體進行控制。由于CODESYS與機器人算法程序同時作EtherCAT主站的情況下，EtherCAT總線無法正常工作，故將CODESYS設(shè)置為EtherCAT主站，機器人算法程序與CODESYS通過進程間通信的方式實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)傳輸。因為PDO數(shù)據(jù)傳輸需要較高的實時性，所以本文采用最高效的進程間通信機制，即共享內(nèi)存實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?；静襟E如下：（1）伺服驅(qū)動器輸出的只讀PDO由CODESYS接收，然后寫入共享內(nèi)存區(qū)中，機器人算法程序訪問共享內(nèi)存區(qū)讀取只讀PDO；（2）機器人算法程序向共享內(nèi)存區(qū)中寫入讀寫PDO，CODESYS訪問共享內(nèi)存區(qū)讀取讀寫PDO，然后輸出給伺服驅(qū)動器。

采用共享內(nèi)存方式進行進程間通信，需要預(yù)先規(guī)定兩個進程寫入共享內(nèi)存區(qū)的數(shù)組的數(shù)據(jù)格式，本文中數(shù)組的格式定義如下：

3.2 共享內(nèi)存功能塊封裝

利用CODESYS的開發(fā)工具包，使用C++編寫共享內(nèi)存功能源碼并封裝成功能塊，實現(xiàn)二次化開發(fā)。調(diào)用shm_open()函數(shù)創(chuàng)建一個新的共享對象或打開一個既有對象，并獲得一個上述對象的文件描述符：

int fd = shm_open(“PDODataExchange”,O_RDWR|O_CREAT,0777);

調(diào)用mmap()函數(shù)把共享內(nèi)存對象映射到進程的虛擬地址空間，該函數(shù)使用shm_open()函數(shù)返回的對象文件描述符作為參數(shù)：

為了保證共享內(nèi)存對象能夠被受控訪問，需要使用IPC信號量，信號量的本質(zhì)是計數(shù)器，如果受保護的資源是可用的，那么信號量的值為正數(shù)；如果受保護的資源現(xiàn)不可用，那么信號量的值為0。調(diào)用semget()函數(shù)獲取IPC信號量標識符，作為參數(shù)指定對共享資源進行保護的IPC信號量的IPC關(guān)鍵字，為了保證CODESYS與機器人算法進程間的數(shù)據(jù)的同步性，需要創(chuàng)建兩個信號量：

伺服總共有三種控制方式，分別為轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制。其中，位置控制是最常用的控制方式，一般是通過外部輸入的脈沖頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，本文中，機器人伺服控制方式使用的就是位置控制，必需的只讀PDO有：（1）Status word狀態(tài)字，（2）Position actual value位置實際值，（3）Error code故障代碼，（4）Mode of operation display控制模式顯示；必需的讀寫PDO有：（1）Control word控制字，（2）Target position位置目標值，（3）Modes of operation控制模式設(shè)定。將所需PDO按照預(yù)先規(guī)定的格式定義編寫程序代碼，并封裝成共享內(nèi)存功能塊，調(diào)用實例如圖4所示。

圖4 共享內(nèi)存功能塊實例

3.3 驗證效果

連續(xù)運行機器人，監(jiān)控CODESYS編程軟件中的EtherCAT主站狀態(tài)（如圖5所示），未發(fā)現(xiàn)丟幀等異常狀態(tài)，且機器人運行平滑無卡頓。

圖5 EtherCAT主站狀態(tài)監(jiān)控

在機器人運行期間，使用清能德創(chuàng)的調(diào)試軟件連接伺服驅(qū)動器，監(jiān)控數(shù)據(jù)狀態(tài)，通過監(jiān)控到的數(shù)據(jù)曲線（如圖6所示）得知，EtherCAT主站周期穩(wěn)定。

圖6 伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)監(jiān)控

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于CODESYS平臺的機器人控制器。以六軸工業(yè)機器人為控制對象，結(jié)合EtherCAT總線通信技術(shù)和共享內(nèi)存IPC通信方式，設(shè)計了一種同時具備PLC邏輯控制和機器人運動控制功能的控制器。該控制器有很好的開放性和可移植性，同時，僅僅是CODESYS和機器人算法程序雙方各新增一個共享內(nèi)存功能塊，代碼實現(xiàn)較為簡單，故還具備開發(fā)成本低、開發(fā)周期短以及兼容性好的優(yōu)勢。