工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的I/O通信研究

戴俊良 伍耿民 凌旭 張冠勇

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器已廣泛應(yīng)用于不同的生產(chǎn)線上。在生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的數(shù)據(jù)共享、信號互傳是不可避免的問題。因此，必須要實現(xiàn)二者通信［1?2］。

目前，工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器可通過工業(yè)以太網(wǎng)來建立通信，有以下2種實現(xiàn)方式：一是通過組態(tài)的方式進(jìn)行通信。硬件端通過以太網(wǎng)線將二者連接起來，軟件端通過可編程控制器編程軟件來完成組態(tài)，實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的通信，但此種方式要由工業(yè)機(jī)器人廠商提供組態(tài)所需的GSD文件，而工業(yè)機(jī)器人的GSD文件要單獨(dú)購買，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加；二是采用通信程序，即在可編程控制器編程軟件中編寫通信程序，同時工業(yè)機(jī)器人端也要編寫通信程序，這是因為工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器要實時傳遞數(shù)據(jù)，通信程序就要一直運(yùn)行。因此，該方式要求工業(yè)機(jī)器人端能支持多任務(wù)同時運(yùn)行，保證通信程序和工作程序能并行執(zhí)行，而此部分功能也要單獨(dú)購買，此外提供可編程控制器和工業(yè)機(jī)器人的廠家不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式也不一致。因此，采用第二種方式通信時還要編寫數(shù)據(jù)解析程序，才能保證二者通信無誤，這就導(dǎo)致生產(chǎn)線的建設(shè)周期延長。

目前，遠(yuǎn)程I/O的可靠性高、價格實惠，可編程控制器與遠(yuǎn)程I/O、工業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程I/O的單獨(dú)通信已廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)方式也很簡單?？删幊炭刂破髋c遠(yuǎn)程I/O的通信通過組態(tài)即可實現(xiàn)，遠(yuǎn)程I/O的GSD文件也無須單獨(dú)購買；工業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程I/O的通信只用配置信號即可完成。因此，對基于遠(yuǎn)程I/O來實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的通信進(jìn)行研究是很有必要的。

1 硬件架構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人采用ABB IRB120，其是ABB公司目前制造的最小機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的控制器采用IRC5緊湊型控制器，其支持DEVICENET通信［3］，借助DEVICENET接口來實現(xiàn)機(jī)器人與遠(yuǎn)程I/O的連接，滿足數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入輸出?？删幊炭刂破鞑捎梦鏖T子公司生產(chǎn)的1212C DC/DC/DC，其 支持PROFINET通信，可借助PROFINET接口來實現(xiàn)可編程控制器與遠(yuǎn)程I/O的連接［4］。遠(yuǎn)程I/O采用南京華太公司生產(chǎn)的高性能總線FR系列模塊。其中，工業(yè)機(jī)器人端的遠(yuǎn)程I/O適配器選擇FR8030，通過DEVICENET總線與工業(yè)機(jī)器人連接；可編程控制器端的遠(yuǎn)程I/O適配器選擇FR8210，通過PROFINET通信線纜與可編程控制器進(jìn)行連接。通信實驗平臺的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。其中，F(xiàn)R1108為數(shù)字量輸入模塊，F(xiàn)R2108為數(shù)字量輸出模塊，F(xiàn)R3004為模擬量輸入模塊，F(xiàn)R4004為模擬量輸出模塊，①~⑧為各模塊上對應(yīng)的接線孔位，輸入輸出模塊通過電纜線進(jìn)行連接。

2 遠(yuǎn)程I/O信號配置及組態(tài)

2.1 機(jī)器人端遠(yuǎn)程I/O信號配置

工業(yè)機(jī)器人端通過示教器在控制面板中配置I/O信號，包括8個數(shù)字量輸入信號、8個數(shù)字量輸出信號以及1個模擬量輸出信號，工業(yè)機(jī)器人端遠(yuǎn)程I/O信號的名稱、地址、信號類型及對應(yīng)的物理孔位詳見表1。

表1 機(jī)器人端遠(yuǎn)程I/O信號表

2.2 可編程控制器端遠(yuǎn)程I/O組態(tài)

可編程控制器端在TIA Portal中完成對可編程控制器和遠(yuǎn)程I/O的硬件組態(tài)，可編程控制器端遠(yuǎn)程I/O模塊的信號地址、信號類型以及對應(yīng)的物理模塊詳見表2，包括一組數(shù)字量輸入信號、一組數(shù)字量輸出信號及一組模擬量輸入信號。

表2 可編程控制器端遠(yuǎn)程I/O模塊信號表

3 試驗驗證

按照三類情況分別驗證工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的通信，即工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送數(shù)字量信號、可編程控制器向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送數(shù)字量信號及工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送模擬量信號。

3.1 工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送數(shù)字量信號

工業(yè)機(jī)器人通過數(shù)字量輸出模塊FR2108向可編程控制器數(shù)字量輸入模塊FR1108發(fā)送數(shù)據(jù)，并監(jiān)視可編程控制器對應(yīng)地址的變量。試驗結(jié)果如圖2所示，機(jī)器人對FR2108_1~FR2108_8信號循環(huán)寫入0和1，機(jī)器人端的數(shù)字量輸出模塊FR2108對應(yīng)的物理孔位也會根據(jù)相應(yīng)的信號來斷開和接通，即信號值為0的孔位會斷開、信號值為1的孔位會接通。

機(jī)器人端的數(shù)字量輸出模塊FR2108的物理孔位通過電纜線與可編程控制器端的數(shù)字量輸入模塊FR1108對應(yīng)的物理孔位進(jìn)連接。因此，可編程控制器端的數(shù)字量輸入模塊FR1108的對應(yīng)孔位也會相應(yīng)地斷開和接通，即可編程控制器端的數(shù)字量輸入模塊FR1108的每個點位也接收到0和1?？删幊炭刂破鞫说臄?shù)字量輸入模塊FR1108將接收到的值傳遞給可編程控制器對應(yīng)的I10.0~I10.7地址，即I10.0~I10.7地址也會相應(yīng)地接收到0和1。由圖2可知，可編程控制器對應(yīng)地址接收到的數(shù)據(jù)值與機(jī)器人對應(yīng)信號的發(fā)送值一致，這說明機(jī)器人傳遞給可編程控制器的數(shù)字量信號是正確的。

3.2 可編程控制器向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送數(shù)字量信號

可編程控制器通過數(shù)字量輸出模塊FR2108向工業(yè)機(jī)器人數(shù)字量輸入模塊FR1108發(fā)送數(shù)據(jù)，從而監(jiān)視工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)地址的變量。試驗結(jié)果見圖3、圖4。

可編程控制器向QB10寫入0，即Q10.0~Q10.7地址的值都為0，也即可編程控制器端的數(shù)字量輸出模塊FR2108每個孔都是斷開的。而機(jī)器人端的數(shù)字量輸入模塊FR1108的物理孔位通過電纜線與可編程控制器端的數(shù)字量輸出模塊FR2108對應(yīng)的物理孔位連接在一起。因此，機(jī)器人端的數(shù)字量輸入模塊FR1108的所有孔位都處于斷開狀態(tài)，與之對應(yīng)的FR1108_1~FR1108_8的信號值都為0。由圖3可知，工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)的所有DI信號接收到的值都為0。

可編程控制器向QB10寫入255，Q10.0~Q10.7地址對應(yīng)的值都變?yōu)?，即可編程控制器端的數(shù)字量輸出模塊FR2108的每個孔都為1，因此可編程控制器端的數(shù)字量輸出模塊FR2108的每個孔都變?yōu)榻油顟B(tài)。與之對應(yīng)的是，機(jī)器人端的數(shù)字量輸入模塊FR1108的所有孔位也處于接通狀態(tài)，即FR1108_1~FR1108_8的信號值都為0。由圖4可知，工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)的所有DI信號接收到的值都為1。

由圖3和圖4的試驗結(jié)果可以得出，工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)地址接收到的數(shù)據(jù)值與可編程控制器的發(fā)送值一致，這說明可編程控制器傳遞給工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字量信號是正確的。

3.3 工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送模擬量信號

工業(yè)機(jī)器人通過模擬量輸出模塊FR4004向可編程控制器模擬量輸入模塊FR3004發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)視可編程控制器對應(yīng)地址的變量。工業(yè)機(jī)器人通過程序循環(huán)發(fā)送變化的實數(shù)值，發(fā)送值從0開始，每次遞增8.2，遞增10次后，每次再遞減6.5。試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，可編程控制器對應(yīng)地址接收到的數(shù)據(jù)值與工業(yè)機(jī)器人發(fā)送值一致，這說明機(jī)器人傳遞給可編程控制器的模擬量信號是正確的。

4 結(jié)語

通過硬件接線將工業(yè)機(jī)器人端的遠(yuǎn)程I/O點位與可編程控制器端對應(yīng)的遠(yuǎn)程I/O點位連接起來，同時在工業(yè)機(jī)器人端配置I/O信號，在可編程控制器端組態(tài)對應(yīng)遠(yuǎn)程I/O模塊，并進(jìn)行試驗驗證。試驗證明工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送數(shù)字量信號、可編程控制器向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送數(shù)字量信號及工業(yè)機(jī)器人向可編程控制器發(fā)送模擬量信號都能正確傳遞，通過遠(yuǎn)程I/O通信實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器的通信，完成二者的數(shù)據(jù)共享與信息傳遞，能有效解決通過工業(yè)以太網(wǎng)通信存在的GSD文件要單獨(dú)購買、多任務(wù)并行運(yùn)行模塊需單獨(dú)配置、不同廠家數(shù)據(jù)格式不一致的問題。