李世成， 徐世保， 張?jiān)苿Γ?程 旭， 王石剛

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240;2.中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇 常州 213011)

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設(shè)計(jì)與制造

mxAutomation接口的機(jī)器人通信協(xié)議開發(fā)

李世成1， 徐世保2， 張?jiān)苿?， 程 旭1， 王石剛1

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240;2.中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇 常州 213011)

在智能變電站中，帶電檢修機(jī)器人對(duì)隔離斷路器進(jìn)行帶電檢修的核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)(工業(yè))機(jī)器人的控制。變電站中強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾對(duì)機(jī)器人控制的可靠性提出了難題。因此，需要制定相應(yīng)的上位機(jī)工控機(jī)(IPC)與控制機(jī)器人的可編程邏輯控制器(PLC)之間的通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)兩者之間可靠的通信，從而實(shí)現(xiàn)IPC對(duì)機(jī)器人的可靠控制。

隔離斷路器； 帶電檢修機(jī)器人； 工控機(jī)； 可編程邏輯控制器； 機(jī)器人； 通信協(xié)議

0 引 言

2014年，我國(guó)新一代智能變電站的擴(kuò)大示范與推廣建設(shè)以及各類新型設(shè)備的引入，大幅推進(jìn)變電站技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)變電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能全面飛躍。其中，隔離斷路器替代傳統(tǒng)斷路器與隔離開關(guān)的組合應(yīng)用，減少了變電站占地面積，提升了設(shè)備可靠性。對(duì)于采用隔離斷路器的戶外敞開式新一代智能變電站，盡管隔離斷路器本身可靠性較高，但仍然需要檢修。為了檢修隔離斷路器時(shí)避免同停其他電氣設(shè)備，減小設(shè)備停電范圍，以減少經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)隔離斷路器實(shí)現(xiàn)帶電檢修作業(yè)就顯得格外重要。

隔離斷路器帶電檢修機(jī)器人用于對(duì)(配套了新型連接金具的)隔離斷路器進(jìn)行帶電檢修、維護(hù)，替代了以往基于絕緣操作桿的人工作業(yè)方式，將視覺輔助定位技術(shù)與機(jī)器人結(jié)合，并且實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下無線/有線的通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行帶電檢修。

1 研究現(xiàn)狀

從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來看，當(dāng)前研制的帶電檢修機(jī)器人主要應(yīng)用在檢測(cè)和檢修2個(gè)領(lǐng)域。

方斌的220 kV支柱磁絕緣子帶電檢測(cè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在高壓電環(huán)境下進(jìn)行超聲探傷，以對(duì)變電站支柱磁絕緣子進(jìn)行帶電檢測(cè)[1]。李健等人研制出了滿足220 kV變電站帶電進(jìn)行檢修的機(jī)器人，它可以帶電檢測(cè)絕緣子零值[2]。陳中偉、戴錦春等人設(shè)計(jì)的高壓巡線機(jī)器人，基于電磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)對(duì)架空高壓輸電線路的帶電巡檢作業(yè)[3,4]。陳曉倫等人研制的330 kV變電站帶電清掃機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)遙控操作來清掃斷路器等設(shè)備，其清掃效果符合行標(biāo)[5]。Keiichi TAKAOKA等人研制的基于視覺和柔順控制的全自動(dòng)帶電檢修機(jī)器人robot-Phase III，采用柔性控制的方式實(shí)現(xiàn)了螺栓孔的識(shí)別及擰/松螺栓操作[6]。Lu Shouyin等人設(shè)計(jì)的對(duì)10 kV配電設(shè)備進(jìn)行帶電檢修(更換絕緣子，接/斷線等操作)的機(jī)器人，采用了主從人工控制與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制模式相結(jié)合的模式。通過現(xiàn)的測(cè)試，無論效率上還是魯棒性都滿足要求[7]。

本文所闡述的對(duì)隔離斷路器進(jìn)行帶電檢修的機(jī)器人，在國(guó)內(nèi)外均為首例。

目前,基于IPC控制工業(yè)機(jī)器人，已出現(xiàn)了成熟的產(chǎn)品。如Beckhoff TwinCAT 3.1中的軟件庫(kù)與KUKA的mxAutomation接口基于EtherCAT通信實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制；FANUC機(jī)器人基于Ethernet TCP/IP協(xié)議的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(FRRJIF.DLL)，或者基于EtherNet/IP協(xié)議的Rockwell PLC兩種控制方式。新松機(jī)器人控制系統(tǒng)二次開發(fā)軟件，是基于新松機(jī)器人(robot controller，RC)系統(tǒng)底層程序開發(fā)的離線編程接口庫(kù)。

由于帶電檢修現(xiàn)場(chǎng)屬于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，考慮到控制的可靠性，本文選用PLC來控制機(jī)器人；考慮到在機(jī)器人末端執(zhí)行器相同負(fù)載情況下，需保證機(jī)器人本體更輕，另外,此檢修作業(yè)對(duì)機(jī)器人精度要求高，故選用KUKA機(jī)器人。

2 關(guān)鍵技術(shù)

隔離斷路器帶電檢修機(jī)器人如圖1所示，功能分為拆卸和安裝金具，兩者操作過程類似。如圖1(b)所示，以拆卸金具為例來說明：將帶電檢修機(jī)器人移動(dòng)到地面合適的位置，將操作平臺(tái)提升到一定高度，通過視覺系統(tǒng)的定位，擰緊機(jī)器人將擰緊槍套上(L形套管上的)螺栓頭，然后擰松螺栓，夾持機(jī)器人將金具拔出。

圖1 隔離斷路器帶電機(jī)器人及拆卸/安裝金具

其控制的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下3方面：

1)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性。由于該變電站為戶外敞開式的，不可避免容易受到天氣等因素的影響，因此，對(duì)系統(tǒng)的可靠性的要求較高。

2)操作空間狹小、受限，需要機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度高。具體表現(xiàn)在：供檢修機(jī)器人行走的過道狹窄；操作時(shí),左右其他相線的影響，需要同時(shí)保證相間(線與線)安全距離。

3)C#接口標(biāo)準(zhǔn)化，方便主程序調(diào)用相應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)等接口。

因此，要求主程序可以穩(wěn)定、合理地控制機(jī)器人，讓其按照指定的路徑運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)(當(dāng)前錯(cuò)誤、當(dāng)前位置等信息)可以實(shí)時(shí)地顯示到控制臺(tái)主程序；可遠(yuǎn)程消除機(jī)器人的報(bào)警、錯(cuò)誤信息，使其可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)(或撤回)。因此，必須通過某種機(jī)制實(shí)現(xiàn)IPC與機(jī)器人之間的穩(wěn)定、可靠通信。從IPC角度來看，機(jī)器人相當(dāng)于一個(gè)外部設(shè)備，可以隨時(shí)讀取/改變其狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，需要有獨(dú)特的系統(tǒng)硬件架構(gòu)及軟件通信方式。

3 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

基于上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，選用mxAutomation作為PLC與機(jī)器人之間的通信接口。它提供相應(yīng)的功能塊(供PLC調(diào)用)，保證機(jī)器人可以完全集成到此控制系統(tǒng)中，在這個(gè)過程中，保留機(jī)器人控制器KR C4 compact以及現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，可以方便地使用機(jī)器人現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)函數(shù)及安全函數(shù)。硬件架構(gòu)如圖2所示，PLC和2臺(tái)機(jī)器人處于由交換機(jī)組成的局域網(wǎng)里，PLC與機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換通過Ethernet/IP總線。無線網(wǎng)橋1、2的作用相當(dāng)于一根網(wǎng)線，作為一個(gè)冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)光纖出故障，無線網(wǎng)橋啟動(dòng)，進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作平臺(tái)以下的電氣隔離。IPC與PLC的通信基于RS—485總線，IPC通過讀/寫PLC內(nèi)部變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

由于PLC與機(jī)器人之間的通信基于mxAutomation接口，為保證IPC與機(jī)器人之間的可靠通信，以實(shí)現(xiàn)IPC通過PLC間接控制機(jī)器人的目的，需要實(shí)現(xiàn)IPC與PLC之間的通信。兩者之間的通信通過運(yùn)行于兩者中的軟件實(shí)現(xiàn)。

PLC軟件包含兩部分，如圖3(a)所示：與機(jī)器人基于mxAutomation通信，以控制機(jī)器人；與IPC基于RS-485通信，以交換數(shù)據(jù)(讀/寫PLC內(nèi)部變量)。寫PLC變量通過RS—485總線發(fā)送字符串到PLC，由PLC程序進(jìn)行解析實(shí)現(xiàn)的；讀PLC變量基于寫PLC變量以使能PLC發(fā)送字符串到IPC，IPC對(duì)此解析出相應(yīng)變量的值。

IPC軟件的獨(dú)特之處在于包含了3個(gè)線程，如圖3(b)：1)UI主線程，負(fù)責(zé)處理用戶對(duì)界面的操作，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)；2)串口發(fā)送線程_ComSnd，負(fù)責(zé)發(fā)送串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)寫PLC變量；3)串口接收線程_ComRec，負(fù)責(zé)接收串口數(shù)據(jù)，包括對(duì)接收到(PLC返回的)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)及從PLC發(fā)送的字符串中解析出相應(yīng)的變量值。

圖3 軟件架構(gòu)

為了保證IPC與PLC之間基于RS—485通信可以穩(wěn)定進(jìn)行，需要制定相應(yīng)的專有通信協(xié)議。通過該協(xié)議，IPC與PLC對(duì)接收到的字符串進(jìn)行解析，以提取出相應(yīng)的信息，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。

4 通信協(xié)議制定

此通信協(xié)議用于IPC與PLC之間的可靠通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的交換。IPC通過修改PLC的內(nèi)部變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制以及對(duì)其內(nèi)部變量的讀取。

4.1 寫PLC變量

IPC與PLC通信過程中，寫的變量主要有以下幾種：bool變量、int變量、position變量(包含X，Y，Z，A，B，C這6個(gè)float變量，Status、Turn這2個(gè)int變量)。

IPC通過RS-485總線向PLC發(fā)送字符串完成寫變量操作，字符串結(jié)構(gòu)如圖4所示(其中“#”為分隔符)，包含：

圖4 PLC接收字符串格式

1)起始字符：當(dāng)PLC接收到起始字符時(shí)，PLC開始存儲(chǔ);

2)機(jī)器人選擇:“01”,#1 KUKA；“02”,#2 KUKA;

3)功能碼：分別指定對(duì)bool(“01”),int(“02”),position(“03”)3種數(shù)據(jù)的寫操作;

4)變量代號(hào)：(“001～”)每個(gè)變量在該種數(shù)據(jù)類型下面的唯一編號(hào)(相當(dāng)于此變量在內(nèi)存中的地址);

5)變量目標(biāo)值：在寫變量的時(shí)候，給該變量賦此值;

6)終止字符：當(dāng)接收到終止字符時(shí)，PLC停止存儲(chǔ)。

當(dāng)PLC接收到包含上述結(jié)構(gòu)的字符串后，通過其內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行解析，完成對(duì)指定變量的賦值。

4.2 讀PLC變量

IPC讀PLC變量基于寫PLC變量。每次讀PLC變量時(shí)，分為2步：1)通過修改PLC bool變量執(zhí)行Any2String功能塊；2)通過修改PLC bool變量使能串口發(fā)送功能。

Any2String功能塊的作用是將輸入的5個(gè)bool,5個(gè)Int32,5個(gè)int,6個(gè)float類型數(shù)據(jù)組成1個(gè)string類型數(shù)據(jù)，并插入起始、終止字符。如圖6所示，其中，“#”為分隔符。當(dāng)IPC收到此字符串后，解析出其內(nèi)部包含的變量值，就完成了讀PLC變量操作。

圖5 PLC發(fā)送字符串格式

4.3 通信時(shí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)

考慮到PLC處理數(shù)據(jù)能力有限，對(duì)IPC到PLC的字符串，采取了最簡(jiǎn)單的校驗(yàn)，即PLC將接收到的字符串返還給IPC，IPC將之與之前發(fā)送的字符串比較進(jìn)行校驗(yàn)以確認(rèn)PLC是否已收到該字符串。對(duì)于PLC到IPC的字符串，采用了類似于1校驗(yàn)(Mark)的方式，即在PLC發(fā)送的字符串首、尾加上“/r”(回車符)，IPC接收到PLC的字符串后，檢測(cè)其首尾是否包含“/r”來完成校驗(yàn)。

5 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述通信協(xié)議的合理性與可靠性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來求證。

5.1 IPC與PLC通信實(shí)驗(yàn)

為了監(jiān)控IPC與PLC之間的串口數(shù)據(jù)包，采用串口監(jiān)控軟件Bus Hound，它是美國(guó)Perisoft開發(fā)的專門用于PC各種總線數(shù)據(jù)包監(jiān)視的工具軟件。

1)寫PLC變量

如表1所示，OUT1為IPC發(fā)給PLC的(控制)字符串，用以寫變量代號(hào)為“001”的bool量，使其值為1。

表1 寫/讀PLC變量時(shí)IPC與PLC之間的數(shù)據(jù)交換

IN1是PLC接收到的并原樣回發(fā)給IPC的(校驗(yàn))字符串，以供IPC進(jìn)行校驗(yàn)，確保PLC已收到此字符串。

2)讀PLC變量

如表1所示，OUT1"/r01#01#010#1/r"用以執(zhí)行Any2String功能塊，將KRC_ReadActualPosition功能塊的輸出6個(gè)float量(X，Y，Z，A，B，C)，2個(gè)int量(Status,Turn)拼接成的字符串；OUT2"/r01#01#009#1/r"用以使能PLC發(fā)送串口數(shù)據(jù)。IN1，IN2是PLC(對(duì)上面2個(gè)寫操作)分別返回的校驗(yàn)字符，用于IPC校驗(yàn)，以確保PLC已收到該字符串。IN3是PLC返回的(包含當(dāng)前機(jī)器人位置信息所拼接的)字符串。

3)寫/讀PLC變量實(shí)時(shí)性測(cè)試

在控制機(jī)器人過程中，IPC需要對(duì)機(jī)器人做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，以保證機(jī)器人在狹小、受限的操作空間作業(yè)時(shí)不至于碰到變電站其他設(shè)備。在每次控制機(jī)器人前，IPC將運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃后得到的機(jī)器人目標(biāo)位置一次性下發(fā)給PLC，PLC再控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。圖6為向PLC發(fā)送50組運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置所消耗的時(shí)間，每組目標(biāo)位置包含6個(gè)float量(X,Y,Z,A,B,C)，2個(gè)int量(Status,Turn)；以及讀機(jī)器人當(dāng)前位置(X,Y,Z,A,B,C,Status,Turn)所消耗的時(shí)間。

圖6 寫/讀PLC變量所消耗的時(shí)間

消耗的時(shí)間包含：上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)(總計(jì)約4.4 s(寫)，約0.55 s(讀))；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的延時(shí)(保證PLC有足夠時(shí)間處理)(總計(jì)約10.3 s(寫)，約0.9 s(讀))。

5.2 基于此通信協(xié)議控制機(jī)器人

由于IPC通過與PLC通信來控制機(jī)器人，因此，需要對(duì)這種控制方式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包含以下功能：下發(fā)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置并使能運(yùn)動(dòng)，讀取機(jī)器人信息(錯(cuò)誤信息，當(dāng)前位置信息)。如圖7所示。

圖7 測(cè)試項(xiàng)目

如圖7(a)所示，初始狀態(tài)下，金具沒有裝入L形套管中，擰緊槍沒有插入螺栓頭。通過IPC下發(fā)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置到PLC，并使能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，2臺(tái)機(jī)器人分別運(yùn)動(dòng)到位：將金具裝入L形套管；將擰緊槍插入螺栓頭。如圖7(b)所示，讀取的mxA.(mxAutomation)錯(cuò)誤代號(hào)為510(“PLC與機(jī)器人連接中斷”)。讀取的KR C4錯(cuò)誤代號(hào)為1447(“所設(shè)置的目標(biāo)位置不可及”)。讀取的位置信息為笛卡爾坐標(biāo)系位置信息，包含6個(gè)float量(X，Y，Z，A，B，C)，2個(gè)int量(Status，Turn)。

6 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)基于專有通信協(xié)議控制機(jī)器人的方式進(jìn)行測(cè)試，可以可靠地實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)主程序可以控制機(jī)器人按照指定的路徑以不同方式運(yùn)動(dòng)(點(diǎn)到點(diǎn)、直線、JOG等)；

2)機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)(錯(cuò)誤信息，位置信息)可以實(shí)時(shí)地顯示到控制臺(tái)主程序；

3)可通過IPC程序來消除機(jī)器人的報(bào)警、錯(cuò)誤信息，使其可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)(或撤回)。

因此，本文提出的基于RS—485總線制定的IPC與PLC之間的專有通信協(xié)議是可行的。它將對(duì)機(jī)器人的控制集成到IPC軟件中，從而將PLC對(duì)機(jī)器人的控制間接地轉(zhuǎn)移到IPC對(duì)機(jī)器人的控制。

[1] 方 斌.220 kV支柱瓷絕緣子帶電檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2007.

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Development of communication protocol for robot based on mxAutomation Interface

LI Shi-cheng1, XU Shi-bao2, ZHANG Yun-jian1, CHENG Xu1, WANG Shi-gang1

(1.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.China Railway Rolling Stock Qi Shuyan Institute Co Ltd,Changzhou 213011,China)

In intelligent substations,the core technology of the robot used for hot-line isolated circuit breaker maintenance is the control of two industrial robots,because of strong electromagnetic interference in substation,which makes it difficult to control robots stably.As a result,suitable communication protocol between industrial personal computer(IPC) and programmable logic controller(PLC) is needed to realize stable communication between them,and control robots using IPC.

isolated circuit breaker;live-line maintenance robot;industrial personal computer(IPC); programmable logic controller(PLC); industrial robot;communication protocol

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0075—04

2016—07—25

TP 273

A

1000—9787(2017)07—0075—04

李世成(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。