基于開放式通信實現(xiàn)機器人與PLC數(shù)據(jù)傳輸研究

摘 要：針對機器人與PLC數(shù)據(jù)傳送時硬件接線多、成本高的問題，提出開放式通信實現(xiàn)機器人與PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā嶒灂r，開放式通信以機器人作為客戶端，PLC作為服務(wù)端，通過建立連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、斷開連接，來實現(xiàn)PLC與機器人之間的數(shù)據(jù)傳輸。實驗表明：開放式通信方式不同于接線連接方式，不同于Profinet通信方式，無需連接多根線纜，也無需擴展機器人Profinet通信選項，即可穩(wěn)定、實時實現(xiàn)PLC與機器人間的數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：開放式通信；數(shù)據(jù)傳輸；接線連接；Profinet通信；PLC；機器人

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

機器人自動產(chǎn)線在進行生產(chǎn)時，需要PLC與機器人進行數(shù)據(jù)傳輸，來實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。PLC與機器人常用的數(shù)據(jù)傳輸方式有：接線連接方式、Profinet通信方式。接線連接方式是指：PLC的I/O模塊與機器人擴展I/O模塊端口進行硬件接線，PLC與機器人通過控制相應(yīng)的輸入輸出點位實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸[1-2]。接線連接方式的優(yōu)點是：兩者輸入輸出點位通過接線一一對應(yīng)，數(shù)據(jù)傳輸清晰明了。其缺點是：每個點位數(shù)據(jù)傳輸均需硬件接線，受硬件條件限制，信號傳輸點位數(shù)量有限；當硬件接線出現(xiàn)破損或斷裂時，信號傳輸會中斷。Profinet通信是一種以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準[3-4]，它基于工業(yè)以太網(wǎng)，具有很好的實時性，可以直接連接現(xiàn)場設(shè)備，使用組件化設(shè)計，支持分布式自動化控制方式[5]。該通信方式要求通過網(wǎng)線連接機器人與PLC，機器人需要預(yù)裝Profinet軟件包。機器人端對I/O進行配置，在示教器端對Profinet組件進行地址映射。PLC端導(dǎo)入機器人的GSD文件，將機器人作為PLC的分布式I/O進行組態(tài)[6]。PLC與機器人的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段下，兩者通過Profinet協(xié)議通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。Profinet通信的優(yōu)點是：硬件方面僅需通過一根網(wǎng)線連接PLC與機器人網(wǎng)口，無需在兩者的輸入輸出點位之間再接線。其缺點是：需要擴展對應(yīng)的Profinet通信選項，成本較高。

1 開放式通信

開放式通信通過以太網(wǎng)發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)，適用于與第三方設(shè)備的通信。通過開放式用戶通信，PLC可以使用集成的PN/IE接口進行數(shù)據(jù)交換。開放式用戶通信的主要特點是在所傳送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面具有高度的靈活性[7-8]。這就允許CPU與任何通信設(shè)備進行開放式數(shù)據(jù)交換，通信伙伴可以是兩個PLC，也可以是PLC和相應(yīng)的第三方設(shè)備，前提是這些設(shè)備支持該集成接口可用的連接類型。由于此通信僅由用戶程序中的指令進行控制，因此可以在程序中建立和終止事件驅(qū)動型連接。在運行期間，也可以通過用戶程序修改連接。

2 硬件搭建與編程

2.1 硬件搭建

選用ABB IRB120型號機器人、西門子1200系列PLC，觸摸屏通過博圖仿真軟件實現(xiàn)。PLC與機器人編寫工藝程序。通過PLC向機器人發(fā)送工序指令，控制機器人自動產(chǎn)線執(zhí)行相應(yīng)工序。例如PLC發(fā)送A1工序，機器人接收到數(shù)據(jù)后，機器人自動產(chǎn)線執(zhí)行A1工序。A1工序執(zhí)行過程中，機器人需要發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC，在觸摸屏界面顯示相關(guān)狀態(tài)信息。

圖1所示為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 編寫程序

2.2.1 建立連接

PLC與機器人開放式通信的實現(xiàn)有兩種方式。一種方式是以機器人作為客戶（Client）端，PLC作為服務(wù)（Server）端。另一種方式是以PLC作為客戶端，機器人作為服務(wù)端。本實驗以機器人作為服務(wù)端，PLC作為客戶端。

PLC開放式通信支持TCP/IP通信、ISO_on_TCP通信和UDP通信。機器人Socket通信是一種無協(xié)議的TCP/IP通信，在微軟環(huán)境下稱為Socket通信。PLC通過TCON指令，機器人通過socketcreate、socketconnect指令，建立PLC與機器人間的連接。機器人無論是LAN3口還是WAN口都可以實現(xiàn)與PLC的開放式通信。機器人與PLC地址要在同一網(wǎng)段，并設(shè)定通信端口號。圖2所示為PLC建立連接程序。表1為機器人建立連接程序。

2.2.2 發(fā)送接收數(shù)據(jù)

PLC發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)可以使用除Bool和Array of Bool外的所有數(shù)據(jù)類型。通過Socket通信可以接收發(fā)送指定數(shù)據(jù)，包括Sting字符串、Byte數(shù)組等。這里以傳送String數(shù)據(jù)類型為例，進行實驗。當PLC發(fā)送不同String值時，先斷開連接，后建立連接，再發(fā)送String數(shù)據(jù)。圖3所示為PLC發(fā)送數(shù)據(jù)程序。表2為機器人接收數(shù)據(jù)程序。

PLC通過TSEND指令輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，機器人執(zhí)行socketreceive指令進行數(shù)據(jù)接收。若機器人接收不到數(shù)據(jù)，需核對PLC與機器人數(shù)據(jù)類型是否一致。機器人執(zhí)行socketsend指令發(fā)送數(shù)據(jù)，PLC端通過TRCV指令進行數(shù)據(jù)接收。通信連接成功建立后，機器人或PLC只能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，無法同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

2.2.3 斷開連接

為了保證通信的穩(wěn)定性，每次通信結(jié)束，PLC和機器人均需斷開通信連接，等下次通信時再次連接。若一直保持通信連接狀態(tài)，則無法發(fā)送或接收新數(shù)據(jù)。PLC通過TDISCON指令，機器人通過socketclose指令關(guān)閉PLC與機器人的連接。圖4所示為PLC斷開連接程序。表3為機器人斷開連接程序。

通過PLC與機器人之間連續(xù)發(fā)送和接收不同的字符串，來測試開放式通信在兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、穩(wěn)定性和實時性。繪制觸摸屏作為人機界面，測試PLC與機器人數(shù)據(jù)傳輸是否正確、穩(wěn)定、實時。按下觸摸屏通信接通按鈕，即PLC端做好與機器人端建立通信連接的準備，在PLC傳送值中寫入數(shù)值，機器人執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的程序，機器人示教器后臺查看接收數(shù)據(jù)與PLC發(fā)送數(shù)據(jù)是否一致。再次傳送新數(shù)據(jù)時，為保證通信穩(wěn)定，先按下“通信斷開”按鈕，之后重新按下“通信接通”按鈕，由PLC向機器人傳入新的數(shù)據(jù)，機器人端再次查看數(shù)據(jù)是否一致。同理，機器人發(fā)送數(shù)據(jù)，PLC接收數(shù)據(jù)時，按下觸摸屏“通信接通”按鈕，機器人執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)程序，通過觸摸屏查看PLC的接收數(shù)據(jù)與機器人發(fā)送的數(shù)據(jù)是否一致。再次發(fā)送數(shù)據(jù)時，按下“通信斷開”按鈕，之后按下“通信接通”按鈕，機器人輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)程序，在觸摸屏上觀察是否接收到新的數(shù)據(jù)。通過以上方法來測驗開放式通信在PLC與機器人數(shù)據(jù)傳輸方面的效果。通過觸摸屏進行操作與實時監(jiān)控，系統(tǒng)運行狀態(tài)一目了然[9]。圖5所示為觸摸屏顯示界面。表4和表5分別為機器人接收數(shù)據(jù)實驗、機器人發(fā)送數(shù)據(jù)實驗。

在機器人自動產(chǎn)線進行實驗發(fā)現(xiàn)：PLC端發(fā)送A1、B1、C1工序信息，機器人端可以實時接收到數(shù)據(jù)，且機器人自動產(chǎn)線執(zhí)行A1工序。執(zhí)行A1工序時，機器人向PLC發(fā)送A1數(shù)據(jù)，觸摸屏接收數(shù)據(jù)界面顯示A1工序相關(guān)內(nèi)容。A1工序執(zhí)行完后，機器人自動產(chǎn)線執(zhí)行B1工序，觸摸屏接收數(shù)據(jù)界面顯示B1工序相關(guān)內(nèi)容。C1工序執(zhí)行顯示流程同上。把發(fā)送數(shù)據(jù)改為純數(shù)字、純字符，或者數(shù)字字符的組合進行實驗，PLC和機器人均能實時接收到正確數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果表明：機器人可以接收來自PLC發(fā)送的字符串，字符串可為純字符、純數(shù)字、字符數(shù)字組合、字符特殊符號組合、數(shù)字特殊符號組合，并且可以連續(xù)實時接收。PLC同樣可以實時接收來自機器人的數(shù)據(jù)。上述實驗傳輸數(shù)據(jù)為字符串類型，機器人和PLC若想接收數(shù)字類型或Bool類型數(shù)據(jù)，只需要編寫數(shù)據(jù)處理程序即可實現(xiàn)。

4 數(shù)據(jù)傳輸方式對比實驗

為與開放式通信數(shù)據(jù)傳送方式進行直觀對比，本文對采用接線方式和Profinet通信方式的數(shù)據(jù)傳輸進行實驗。

4.1 接線方式數(shù)據(jù)傳輸

工業(yè)機器人安裝有I/O擴展模塊，共16個輸入輸出口，與PLC的輸入輸出模塊一一對應(yīng)[10]。機器人示教器在DeviceNetDevice中添加了工業(yè)機器人的I/O擴展模塊，控制面板中配置有相應(yīng)信號接口。當以Bool量形式進行數(shù)據(jù)傳輸時，只需根據(jù)電路圖把機器人I/O擴展模塊與PLC逐個對應(yīng)，編寫程序觸發(fā)對應(yīng)點位即可。這種傳輸方式中，數(shù)據(jù)只能以0、1形式傳輸。以8個Bool量組成1個字節(jié)，或者以16個Bool量組成1個字，機器人端以數(shù)據(jù)組形式實現(xiàn)與PLC端字節(jié)或字的傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸方式只能傳輸一定范圍之間的數(shù)據(jù)，不能進行字符、字符串或特殊符號的傳輸。

4.2 Profinet通信方式數(shù)據(jù)傳輸

機器人需要開通Profinet軟件包，并在機器人端設(shè)置ProfiNet work的IP地址。在示教器配置系統(tǒng)參數(shù)，建立通信板卡，添加PN從站，從站配置16個輸出字節(jié)、16個輸入字節(jié)。在控制面板配置界面配置信號，信號可以配置為Bool量，也可以配置為字節(jié)或者字。PLC安裝機器人GSD文件，將機器人的IP設(shè)置為與PLC相同的網(wǎng)段，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包，并把PLC端地址與機器人端地址進行映射。這種數(shù)據(jù)傳送方式可以傳送Bool量、字節(jié)或者字。該方法可以在從站配置多個輸入輸出字節(jié)，相比接線式數(shù)據(jù)傳輸更為靈活。但該方法依舊不能進行字符、字符串或特殊符號的傳輸。

5 結(jié) 語

實驗發(fā)現(xiàn)，利用開放式通信，通過建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開連接的方式，能正確、穩(wěn)定、實時實現(xiàn)PLC與機器人間的數(shù)據(jù)傳輸。該方法與接線連接方式、Profinet通信方式比較，無需連接多根線纜，無需擴展Profinet通信選項，即可實現(xiàn)PLC與機器人間的數(shù)據(jù)傳輸。接線連接方式和Profinet通信方式傳送的數(shù)據(jù)可為Bool量、字節(jié)或者字，但不能進行字符、字符串或特殊符號的傳輸，而開放式通信可以實現(xiàn)字符、字符串或特殊符號的傳輸；也可在PLC與視覺控制器數(shù)據(jù)傳輸、機器人與視覺控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M行開放式通信的應(yīng)用研究。

注：本文通訊作者為張翼風(fēng)。

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作者簡介：張翼風(fēng)（1993—），男，碩士，助教，研究方向為機器人控制技術(shù)。

馬澄宇（1990—），男，碩士，助教，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-02-26