楊帥 王子辰 魯紹函

摘 ?要：針對企業(yè)自動化改造過程中利用工業(yè)機(jī)器人與企業(yè)原有設(shè)備互聯(lián)互通需要重新布線的問題，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信方案。該方案采用PL3120雙頻電力載波技術(shù)，利用雙頻二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制手段，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備之間的相互通信與控制。工業(yè)機(jī)器人采用IO通信模式，利用電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與電力載波節(jié)點(diǎn)控制器匹配通信。本設(shè)計(jì)為電力載波技術(shù)在工廠車間這種諧波噪音干擾嚴(yán)重環(huán)境下的應(yīng)用推廣提供有效解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;電力載波;群控通信

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0019-03

Abstract： In order to solve the problem that the interconnection between the industrial robot and the original equipment of the enterprise needs to be rewired in the process of enterprise automation transformation， a power carrier group control communication scheme of industrial robot is designed. The scheme adopts PL3120 dual-frequency power carrier technology and dual-frequency binary phase shift keying modulation to realize the communication and control between industrial robot and peripheral equipment. The industrial robot adopts the IO communication mode and uses the level conversion to realize the matching communication with the power carrier node controller. This design provides an effective solution for the application and popularization of power carrier technology in the environment of serious harmonic noise interference in factory workshop， and has important application value.

Keywords： industrial robot; power carrier; group control communication

1 概述

工業(yè)機(jī)器人作為高端自動化載體，必須與外界進(jìn)行集成交互，實(shí)現(xiàn)群控通信，這樣才能發(fā)揮出其強(qiáng)大的協(xié)調(diào)作業(yè)功能，獨(dú)立的機(jī)器人本體應(yīng)用價(jià)值不高。工業(yè)機(jī)器人的群控通信主要包括與其它機(jī)器人的多機(jī)協(xié)作、與外圍控制器進(jìn)行信息交換、采集傳感器信號、驅(qū)動執(zhí)行器等方面，主要依靠RS232、Profibus、EtherNet、標(biāo)準(zhǔn)IO等通信方式，這些全部需要配備專用的通訊電纜。目前國內(nèi)很多企業(yè)引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人出于自動化升級目的[1]，都是在原有的車間和設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，但是此類企業(yè)往往車間和設(shè)備布局已經(jīng)定型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與企業(yè)原有設(shè)備互聯(lián)互通利用常規(guī)的通信媒介需要?dú)脑械幕üこ滩拍茕佋O(shè)線纜，工程施工量大，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，改造停工時(shí)間長，企業(yè)改造難度和成本顯著增加。為了解決這一企業(yè)難題，提出了利用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備相互通信。

2 工業(yè)機(jī)器人通信接口

工業(yè)機(jī)器人提供豐富的IO通信接口方式與周邊的外圍設(shè)備進(jìn)行集成交互，工業(yè)機(jī)器人的通信方式直接決定工業(yè)機(jī)器人能否集成到系統(tǒng)中以及能否支持復(fù)雜控制。以ABB工業(yè)機(jī)器人為例，機(jī)器人支持的通信方式有IO通信、總線通信、網(wǎng)絡(luò)通信等。IO通信是工業(yè)機(jī)器人最常見的通信模式，最常見的有8路IO，或者16路IO以及模擬量0V和24V。在較復(fù)雜的IO應(yīng)用中使用cross-function實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)IO信號邏輯關(guān)系的綁定，也可將數(shù)個(gè)單獨(dú)的IO信號合并為組用于傳輸較為復(fù)雜的信號[2]。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人與外設(shè)之間傳遞的信息數(shù)量和復(fù)雜度很大時(shí)，最優(yōu)的選擇是總線通信和網(wǎng)絡(luò)通信，采用何種總線取決于系統(tǒng)中除機(jī)器人系統(tǒng)之外的設(shè)備能夠支持的通信方式。如果PLC支持profinet總線，則PLC和機(jī)器人之間的系統(tǒng)交互易采用profinet總線。工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)通信包括Socket、PC SDK、RMQ、RWS等，Socket是基于TCP/IP的通信方式，能夠以字符串的形式發(fā)送各種數(shù)據(jù)。PC SDK提供工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信和控制的接口。RMQ用于機(jī)器人不同任務(wù)之間的通信，分為中斷模式和同步模式。中斷模式下工業(yè)機(jī)器人響應(yīng)中斷后實(shí)時(shí)對信息進(jìn)行處理。同步模式下工業(yè)機(jī)器人只在執(zhí)行讀取指令時(shí)才對信息進(jìn)行處理。RWS基于HTTP實(shí)現(xiàn)跨平臺應(yīng)用，通過IE讀取機(jī)器人的信息。

3 雙頻電力載波技術(shù)

電力線載波通信是以電力網(wǎng)作為通信信道的一種有線通信方式，具有可變信號衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦浴；赑L3120雙頻電力載波技術(shù)是目前一個(gè)非常完善的電力通信傳輸方案，采用雙頻BPSK（二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制）手段，根據(jù)電力線的噪聲動態(tài)調(diào)整靈敏度，自動消除脈沖噪聲，能夠自適應(yīng)畸變糾正，校正失真信號。根據(jù)電網(wǎng)環(huán)境自動啟用電力載波雙載頻工作方式，當(dāng)?shù)谝惠d波頻率由于噪聲而阻塞時(shí)，會自動切換到第二載波頻率，雙頻帶寬要避免由于諧波而導(dǎo)致兩個(gè)頻率同時(shí)被阻塞的發(fā)生，即使在嚴(yán)重噪聲干擾的情況下載波數(shù)據(jù)仍可靠傳輸[3-4]。通過自學(xué)習(xí)報(bào)文路由算法實(shí)現(xiàn)電力載波節(jié)點(diǎn)中繼角色，實(shí)現(xiàn)無需額外增加中繼設(shè)備就能自動中繼，延長和擴(kuò)大電力載波傳輸?shù)木嚯x和范圍。該技術(shù)利用三個(gè)能夠相互溝通的微處理器分別處理電力載波通信過程中介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用處理任務(wù)，基于OSI模型的標(biāo)準(zhǔn)化LonTalk通信協(xié)議憑借專有的雙頻載波手段有效提高電力載波通信的質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合豐富的接口電路和智能路由算法有效降低電力載波設(shè)備開發(fā)難度，節(jié)約設(shè)備的開發(fā)成本。

4 工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信設(shè)計(jì)

利用常用的IO通信模式實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信原理圖如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人利用基于PL3120雙頻電力載波技術(shù)的節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人互聯(lián)互通。電力載波節(jié)點(diǎn)控制器將一個(gè)Neuron處理器核心和一個(gè)電力線收發(fā)器集成在一起，控制器中以PL3120為核心的中央處理單元結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，11個(gè)通用I/O端口可以被配置成I2C、Neurowire、紅外線、磁卡、邊沿記錄等34種輸入/輸出對象，使之能夠適用于多種應(yīng)用場合。PL3120內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對電力線上的載波信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號處理器DSP為核心，一是對A/D轉(zhuǎn)換器處理后的數(shù)字信號進(jìn)行算法處理，二是將經(jīng)過算法處理的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過放大電路進(jìn)行功率放大后送到耦合電路上進(jìn)行電力載波傳輸。

電力載波節(jié)點(diǎn)控制器IO管腳出信號電平是CMOS 電平，而ABB工業(yè)機(jī)器人IO管腳的工作電壓是24V，因此工業(yè)機(jī)器人IO管腳與電力載波節(jié)點(diǎn)控制器IO管腳之間需要電平轉(zhuǎn)換，可以采用74LS07或三極管等器件實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。

ABB機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)IO板接口使用直流電壓電流，其輸入的公共端是0V，輸出的公共端是24V，因此要輸入輸出接線都形成一個(gè)回路，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信首先要對機(jī)器人IO信號板進(jìn)行參數(shù)配置：首先配置IO信號板模塊單元，設(shè)定模塊單元的名稱、類型、總線和地址，其次配置IO信號，設(shè)定信號名稱、類型、占用的模塊單元和地址，建立對應(yīng)IO信號之后，重啟信號生效。電力載波節(jié)點(diǎn)控制器軟件編寫采用Neuron C，它在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，直接支持PL3120的固化軟件，并刪除了標(biāo)準(zhǔn)C中一些不需要的功能，如某些標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)庫，并為載波通信環(huán)境提供了特定的對象集合及訪問這些對象的內(nèi)部函數(shù)，它提供了內(nèi)部類型的檢查，是一個(gè)開發(fā)載波通信應(yīng)用的強(qiáng)有力的工具。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序包括調(diào)度程序、定時(shí)器、I/O對象和網(wǎng)絡(luò)變量。調(diào)度程序負(fù)責(zé)芯片的任務(wù)調(diào)度，而定時(shí)器用來干涉任務(wù)的調(diào)度，I/O對象實(shí)現(xiàn)神經(jīng)芯片和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送[5]。程序運(yùn)行采用事件觸發(fā)方式，當(dāng)給定的一個(gè)條件為真時(shí)，與該條件相關(guān)聯(lián)的一段程序代碼將被執(zhí)行，程序中的事件通常是I/O對象的改變、網(wǎng)絡(luò)變量的改變、定時(shí)器的終止等。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)為電力載波技術(shù)在工廠車間這種諧波噪音干擾嚴(yán)重環(huán)境下的應(yīng)用推廣提供有效解決方案，降低了企業(yè)車間利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)施自動化改造的工程施工量，簡化了改造方案，節(jié)省了成本，有效提升企業(yè)通過工業(yè)機(jī)器人升級自動化的積極性，促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人在中小型企業(yè)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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