黃楷歌，郭樹青，文 猛，岳玲玲

（1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451192；2.宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人作為主控制系統(tǒng)，需要與底層設(shè)備PLC 進(jìn)行通信，目前智能生產(chǎn)線控制的思路：主站通過(guò)PLC 向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，工業(yè)機(jī)器人接收信號(hào)并執(zhí)行任務(wù)，完成任務(wù)后向PLC發(fā)送反饋信息。PROFINET 通信依靠自身優(yōu)勢(shì)，有效保證了PLC與工業(yè)機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。

1 PROFINET IO 通信介紹

PROFINET 是一種基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信模式，具有可靠的實(shí)時(shí)性、強(qiáng)大的抗干擾性、高速低成本等優(yōu)點(diǎn)，是極具競(jìng)爭(zhēng)力的自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線。PROFINET 分為PROFINET IO 和PROFINET CBA 兩種。其中，PROFINET IO 用于分布式IO 自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間并行傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了傳輸速率。

PROFINET IO 系統(tǒng)由IO 控制器、IO 設(shè)備及IO 監(jiān)視器3個(gè)部分組成：①IO 控制器：PROFINET IO 系統(tǒng)的主站，執(zhí)行自動(dòng)化控制任務(wù)，同時(shí)與連接的現(xiàn)場(chǎng)IO 設(shè)備通過(guò)輸入和輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；②IO 設(shè)備：PROFINET IO 系統(tǒng)的從站，指一個(gè)或多個(gè)分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如：遠(yuǎn)程IO、機(jī)器人等；③IO 監(jiān)視器：用于調(diào)試、監(jiān)視及診斷的編程設(shè)備、HMI 設(shè)備及PC 機(jī)。

2 S7-1200 與KUKA 通信配置

智能生產(chǎn)線基料上料站，通過(guò)西門子PLC S7-1200（CPU 1215C）主站發(fā)送信號(hào)，KUKA 機(jī)器人（KR3 R540）接收信號(hào)，將物料從基料盤搬運(yùn)至AGV 小車送往下一站，等待接收PLC 信號(hào)。闡述S7-1200 與KUKA 機(jī)器人之間的PROFINET IO 通信配置。

2.1 S7-1200 通信配置

PROFINET IO 總線通信時(shí)，組態(tài)第三方設(shè)備時(shí)需要安裝對(duì)應(yīng)設(shè)備的GSD 文件。生產(chǎn)商基于標(biāo)準(zhǔn)通信接口開發(fā)對(duì)應(yīng)的GSD文件，包括生產(chǎn)廠商和設(shè)備的名稱、硬件和軟件的版本狀況等，保證了不同設(shè)備之間可以靈活進(jìn)行PROFINET 通信。

（1）在博途軟件中新建一個(gè)項(xiàng)目并打開，點(diǎn)擊上方的菜單欄中的“選項(xiàng)”>“管理通用站描述文件”安裝KUKA 機(jī)器人GSD 文件（圖1）。

圖1 安裝GSD 文件

（2）安裝成功后，在右側(cè)的“硬件目錄”>“其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”>“PROFINET IO”>“I/O”>“KUKA Roboter GmbH”選擇“KRC4-ProfiNet_3.3”雙擊添加到“網(wǎng)絡(luò)視圖”界面。

3)聯(lián)合速度控制能夠有效降低車輛制動(dòng)的熱量集聚和工作溫度，防止制動(dòng)器的熱衰退和高溫磨損，有效保護(hù)車輛制動(dòng)器，延長(zhǎng)剎車片更換里程，降低了人員的工作強(qiáng)度。

（3）先點(diǎn)擊剛添加的“KRC4”的圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊下方菜單欄中的“屬性”>“PROFINET 接口［X1］”>“以太網(wǎng)地址”將KUKA硬件組件分配到PROFINET 子網(wǎng)中。

（4）修改下面的“IP 協(xié)議”中的IP 地址，保證和PLC 地址在同一子網(wǎng)且不沖突。在“PROFINET”中選擇“自動(dòng)生成PROFINET設(shè)備名稱”，自動(dòng)生成的設(shè)備名稱為“KPC4”，修改IP 地址（圖2）。

圖2 修改IP 地址

（5）雙擊“KRC4”的圖標(biāo)進(jìn)入KUKA 硬件組件的“設(shè)備視圖”，點(diǎn)擊右側(cè)的“設(shè)備數(shù)據(jù)”并展開。在這里可以設(shè)置PLC 與KUKA機(jī)器人之間PROFINET 通信IO 地址。

（6）刪除64 個(gè)安全I(xiàn)O。按照以上步驟設(shè)置完成后重新編譯下載到PLC。這時(shí)下載完成后PLC 因?yàn)闄C(jī)器人端的PROFINET通信配置還沒(méi)有完成，提示下位組件錯(cuò)誤而亮紅燈報(bào)錯(cuò)。

2.2 KUKA 機(jī)器人通信配置

KUKA 機(jī)器人的PROFINET 通信配置需要借助KUKA 的線下編程軟件WorkVisual，它集合了配置、編程、調(diào)試和診斷等多種功能。

（1）將編程的電腦、PLC、機(jī)器人設(shè)置成同一網(wǎng)段。雙擊WorkVisual 圖標(biāo)，在彈出的“WorkVisual 項(xiàng)目瀏覽器”中點(diǎn)擊“搜索”，搜索到項(xiàng)目后點(diǎn)擊右下角“打開”。

（2）打開項(xiàng)目后，在左側(cè)的“項(xiàng)目結(jié)構(gòu)”中選擇打開的項(xiàng)目右鍵“設(shè)為激活的控制系統(tǒng)”，在展開的目錄中右鍵“總線結(jié)構(gòu)”點(diǎn)添加，在彈出的窗口里選擇“PROFINET”點(diǎn)擊“OK”。

（3）雙擊左側(cè)剛添加的“PROFINET”。因?yàn)樵赑LC 添加的KUKA 硬件組件中刪除了安全I(xiàn)O，所以“Number of safe I/Os”中選擇“0”，下面的“Number of IOs”與PLC 中保持一致為“256”。按照說(shuō)明對(duì)PROFINET 進(jìn)行設(shè)置，其他保持默認(rèn)。最后點(diǎn)擊“OK”。

（4）在界面的左側(cè)欄中選擇“數(shù)字輸入端”或者“數(shù)字輸出端”，右側(cè)欄中點(diǎn)擊上方的“現(xiàn)場(chǎng)總線”然后選擇“PROFINET”進(jìn)行信號(hào)的映射，注意輸入（IN）對(duì)輸入（Input）、輸出（OUT）對(duì)輸出（Output）。

（5）映射完信號(hào)后，首先點(diǎn)擊右上方功能欄中的“生產(chǎn)代碼”，接著點(diǎn)擊“安裝”下載到機(jī)器人。

2.3 通信調(diào)試

完成S7-1200 與KUKA 機(jī)器人之間的PROFINET IO 通信配置，然后進(jìn)行通信信號(hào)的確認(rèn)工作，保證PLC 與機(jī)器人之間能正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（1）PLC 的輸出（OUT）對(duì)應(yīng)機(jī)器人側(cè)的輸入（IN），PLC 輸入（IN）對(duì)應(yīng)機(jī)器人側(cè)的輸出（OUT）。機(jī)器人的信號(hào)按照順序依次排列，PLC 側(cè)的信號(hào)給定的地址頭自動(dòng)生成地址尾一共256位（bit）。假設(shè)給定的PLC 這邊的輸入、輸出地址頭都是22（即從I22.0、Q22.0 開始），則機(jī)器人輸入信號(hào)$IN［1］～$IN［7］分別對(duì)應(yīng)PLC 輸出信號(hào)Q22.0～Q22.6，則PLC 輸入信號(hào)I22.0～I(xiàn)22.6 分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人輸出信號(hào)$OUT［1］～ $OUT［7］，以此類推。

（2）在機(jī)器人示教器上，可以在主菜單中選擇“顯示”>“輸入/輸出端”>選擇“數(shù)字輸入”或者“輸出端”來(lái)監(jiān)控、置位/復(fù)位輸入輸出。

首先KUKA 機(jī)器人需要安裝PROFINET 軟件包，然后完成PLC 與機(jī)器人的通信配置。設(shè)置完成后將配置文件下載到機(jī)器人柜進(jìn)行更新，然后對(duì)PLC 和機(jī)器人進(jìn)行通信測(cè)試。根據(jù)設(shè)置的映射地址，機(jī)器人強(qiáng)制輸入信號(hào)IN［1］在博圖中在線查看PLC輸出信號(hào)Q22.0 是否接收到，反過(guò)來(lái)PLC 強(qiáng)制輸入信號(hào)I22.0 看機(jī)器人端輸出信號(hào)OUT［1］能否接收到，收發(fā)測(cè)試正常說(shuō)明組態(tài)成功，通信調(diào)試完成。

3 機(jī)器人與PLC 通信實(shí)現(xiàn)

案例：某智能生產(chǎn)線基料上料站，料盤在伸出位時(shí)按下設(shè)備上的“啟動(dòng)”按鈕，PLC 給機(jī)器人$IN［7］“機(jī)器人取料”信號(hào)，機(jī)器人先去料盤利用氣爪上的物料傳感器$IN［11］檢測(cè)取料位是否有料，檢測(cè)到物料并取料放到一個(gè)固定位置，未檢測(cè)到物料機(jī)器人移動(dòng)至下一位置取料檢測(cè)，直到檢測(cè)到物料或者料盤無(wú)料縮回。

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 程序設(shè)計(jì)是在博圖V15 環(huán)境下完成，PLC 給機(jī)器人取料信號(hào)（$IN［7］），當(dāng)機(jī)器人抓取物料快上到安全點(diǎn)后，發(fā)送取料完成信號(hào)（$OUT［7］），將PLC 給的取料信號(hào)復(fù)位掉，S7-1200 LAD 程序如圖3 所示。

圖3 S7-1200 LAD 程序

3.2 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

在編寫類似的程序時(shí)，根據(jù)程序的功能和機(jī)器人的動(dòng)作可以將程序劃分成一個(gè)個(gè)子程序，方便編寫和調(diào)取。料盤上一共有12 個(gè)取料位置。將1 號(hào)位置取料的子程序命名為Pos_1（）、2 號(hào)位置取料的子程序命名為Pos_2（），以此類推12 號(hào)位置取料的子程序命名為Pos_12（）。

機(jī)器人等待PLC 發(fā)送的取料信號(hào)$IN［7］，若傳感器$IN［11］檢測(cè)到有料，則通過(guò)發(fā)送有料信號(hào)，機(jī)器人進(jìn)行取料，完成后向PLC反饋取料完成信號(hào)$OUT［7］；若物料，則運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)取料位置。根據(jù)程序設(shè)置取料順序進(jìn)行取料，取料位置1 為例，主要代碼如下：

編寫好程序邏輯架構(gòu)，然后通過(guò)示教器對(duì)取料、等待、放料等工位逐一示教，示教完成后在低速空載下對(duì)自動(dòng)程序進(jìn)行驗(yàn)證，保證PLC 與機(jī)器人之間的信號(hào)正常通信和示教點(diǎn)的合理性，并隨時(shí)修改不合適的示教點(diǎn)。反復(fù)測(cè)試無(wú)誤后帶載測(cè)試，料盤各取料位置都帶料測(cè)試，驗(yàn)證無(wú)誤后調(diào)試完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

PROFINET 通信具有實(shí)時(shí)性、安全性、低故障的特性，廣泛運(yùn)用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?；谥悄苌a(chǎn)線基料上料站，介紹了西門子PLC S7-1200 與KUKA 機(jī)器人之間的PROFINET 通信配置與調(diào)試方法。