摘 要：針對(duì)機(jī)器人與PLC數(shù)據(jù)傳送時(shí)硬件接線多、成本高的問(wèn)題，提出開(kāi)放式通信實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)放式通信以機(jī)器人作為客戶端，PLC作為服務(wù)端，通過(guò)建立連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、斷開(kāi)連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明：開(kāi)放式通信方式不同于接線連接方式，不同于Profinet通信方式，無(wú)需連接多根線纜，也無(wú)需擴(kuò)展機(jī)器人Profinet通信選項(xiàng)，即可穩(wěn)定、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人間的數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式通信；數(shù)據(jù)傳輸；接線連接；Profinet通信；PLC；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)線在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要PLC與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。PLC與機(jī)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(jī)器人擴(kuò)展I/O模塊端口進(jìn)行硬件接線，PLC與機(jī)器人通過(guò)控制相應(yīng)的輸入輸出點(diǎn)位實(shí)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(diǎn)是：兩者輸入輸出點(diǎn)位通過(guò)接線一一對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)傳輸清晰明了。其缺點(diǎn)是：每個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)傳輸均需硬件接線，受硬件條件限制，信號(hào)傳輸點(diǎn)位數(shù)量有限；當(dāng)硬件接線出現(xiàn)破損或斷裂時(shí)，信號(hào)傳輸會(huì)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(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，它基于工業(yè)以太網(wǎng)，具有很好的實(shí)時(shí)性，可以直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使用組件化設(shè)計(jì)，支持分布式自動(dòng)化控制方式[5]。該通信方式要求通過(guò)網(wǎng)線連接機(jī)器人與PLC，機(jī)器人需要預(yù)裝Profinet軟件包。機(jī)器人端對(duì)I/O進(jìn)行配置，在示教器端對(duì)Profinet組件進(jìn)行地址映射。PLC端導(dǎo)入機(jī)器人的GSD文件，將機(jī)器人作為PLC的分布式I/O進(jìn)行組態(tài)[6]。PLC與機(jī)器人的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段下，兩者通過(guò)Profinet協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。Profinet通信的優(yōu)點(diǎn)是：硬件方面僅需通過(guò)一根網(wǎng)線連接PLC與機(jī)器人網(wǎng)口，無(wú)需在兩者的輸入輸出點(diǎn)位之間再接線。其缺點(diǎn)是：需要擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的Profinet通信選項(xiàng)，成本較高。

1 開(kāi)放式通信

開(kāi)放式通信通過(guò)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(guò)開(kāi)放式用戶通信，PLC可以使用集成的PN/IE接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。開(kāi)放式用戶通信的主要特點(diǎn)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(jìn)行開(kāi)放式數(shù)據(jù)交換，通信伙伴可以是兩個(gè)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(jìn)行控制，因此可以在程序中建立和終止事件驅(qū)動(dòng)型連接。在運(yùn)行期間，也可以通過(guò)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(hào)機(jī)器人、西門(mén)子1200系列PLC，觸摸屏通過(guò)博圖仿真軟件實(shí)現(xiàn)。PLC與機(jī)器人編寫(xiě)工藝程序。通過(guò)PLC向機(jī)器人發(fā)送工序指令，控制機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)線執(zhí)行相應(yīng)工序。例如PLC發(fā)送A1工序，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后，機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)線執(zhí)行A1工序。A1工序執(zhí)行過(guò)程中，機(jī)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(xiě)程序

2.2.1 建立連接

PLC與機(jī)器人開(kāi)放式通信的實(shí)現(xiàn)有兩種方式。一種方式是以機(jī)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(jī)器人作為服務(wù)端。本實(shí)驗(yàn)以機(jī)器人作為服務(wù)端，PLC作為客戶端。

PLC開(kāi)放式通信支持TCP/IP通信、ISO_on_TCP通信和UDP通信。機(jī)器人Socket通信是一種無(wú)協(xié)議的TCP/IP通信，在微軟環(huán)境下稱為Socket通信。PLC通過(guò)TCON指令，機(jī)器人通過(guò)socketcreate、socketconnect指令，建立PLC與機(jī)器人間的連接。機(jī)器人無(wú)論是LAN3口還是WAN口都可以實(shí)現(xiàn)與PLC的開(kāi)放式通信。機(jī)器人與PLC地址要在同一網(wǎng)段，并設(shè)定通信端口號(hào)。圖2所示為PLC建立連接程序。表1為機(jī)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(guò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)PLC發(fā)送不同String值時(shí)，先斷開(kāi)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(jī)器人接收數(shù)據(jù)程序。

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

2.2.3 斷開(kāi)連接

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

通過(guò)PLC與機(jī)器人之間連續(xù)發(fā)送和接收不同的字符串，來(lái)測(cè)試開(kāi)放式通信在兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。繪制觸摸屏作為人機(jī)界面，測(cè)試PLC與機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸是否正確、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)。按下觸摸屏通信接通按鈕，即PLC端做好與機(jī)器人端建立通信連接的準(zhǔn)備，在PLC傳送值中寫(xiě)入數(shù)值，機(jī)器人執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的程序，機(jī)器人示教器后臺(tái)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(shí)，為保證通信穩(wěn)定，先按下“通信斷開(kāi)”按鈕，之后重新按下“通信接通”按鈕，由PLC向機(jī)器人傳入新的數(shù)據(jù)，機(jī)器人端再次查看數(shù)據(jù)是否一致。同理，機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)，PLC接收數(shù)據(jù)時(shí)，按下觸摸屏“通信接通”按鈕，機(jī)器人執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)程序，通過(guò)觸摸屏查看PLC的接收數(shù)據(jù)與機(jī)器人發(fā)送的數(shù)據(jù)是否一致。再次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按下“通信斷開(kāi)”按鈕，之后按下“通信接通”按鈕，機(jī)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(guò)以上方法來(lái)測(cè)驗(yàn)開(kāi)放式通信在PLC與機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸方面的效果。通過(guò)觸摸屏進(jìn)行操作與實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)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(jī)器人接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。

在機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：PLC端發(fā)送A1、B1、C1工序信息，機(jī)器人端可以實(shí)時(shí)接收到數(shù)據(jù)，且機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)線執(zhí)行A1工序。執(zhí)行A1工序時(shí)，機(jī)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(jī)器人自動(dòng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，PLC和機(jī)器人均能實(shí)時(shí)接收到正確數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人可以接收來(lái)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(hào)組合、數(shù)字特殊符號(hào)組合，并且可以連續(xù)實(shí)時(shí)接收。PLC同樣可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自機(jī)器人的數(shù)據(jù)。上述實(shí)驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù)為字符串類型，機(jī)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(xiě)數(shù)據(jù)處理程序即可實(shí)現(xiàn)。

4 數(shù)據(jù)傳輸方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為與開(kāi)放式通信數(shù)據(jù)傳送方式進(jìn)行直觀對(duì)比，本文對(duì)采用接線方式和Profinet通信方式的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 接線方式數(shù)據(jù)傳輸

工業(yè)機(jī)器人安裝有I/O擴(kuò)展模塊，共16個(gè)輸入輸出口，與PLC的輸入輸出模塊一一對(duì)應(yīng)[10]。機(jī)器人示教器在DeviceNetDevice中添加了工業(yè)機(jī)器人的I/O擴(kuò)展模塊，控制面板中配置有相應(yīng)信號(hào)接口。當(dāng)以Bool量形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只需根據(jù)電路圖把機(jī)器人I/O擴(kuò)展模塊與PLC逐個(gè)對(duì)應(yīng)，編寫(xiě)程序觸發(fā)對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(gè)Bool量組成1個(gè)字節(jié)，或者以16個(gè)Bool量組成1個(gè)字，機(jī)器人端以數(shù)據(jù)組形式實(shí)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(jìn)行字符、字符串或特殊符號(hào)的傳輸。

4.2 Profinet通信方式數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)器人需要開(kāi)通Profinet軟件包，并在機(jī)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(gè)輸出字節(jié)、16個(gè)輸入字節(jié)。在控制面板配置界面配置信號(hào)，信號(hào)可以配置為Bool量，也可以配置為字節(jié)或者字。PLC安裝機(jī)器人GSD文件，將機(jī)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(jī)器人端地址進(jìn)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(gè)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(jìn)行字符、字符串或特殊符號(hào)的傳輸。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用開(kāi)放式通信，通過(guò)建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開(kāi)連接的方式，能正確、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)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(wú)需連接多根線纜，無(wú)需擴(kuò)展Profinet通信選項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)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(jìn)行字符、字符串或特殊符號(hào)的傳輸，而開(kāi)放式通信可以實(shí)現(xiàn)字符、字符串或特殊符號(hào)的傳輸；也可在PLC與視覺(jué)控制器數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)器人與視覺(jué)控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行開(kāi)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(jiǎn)介：張翼風(fēng)（1993—），男，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

馬澄宇（1990—），男，碩士，助教，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-02-26