張慶樂

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

0 引言

PROFINET是一項(xiàng)先進(jìn)的工業(yè)通信技術(shù)，在全球得到了廣泛的應(yīng)用。PROFINET兼顧高性能和開放性，技術(shù)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通道兼容TCP/IP、UDP/IP通信，并且能夠保證至少50%的帶寬，可用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。對(duì)于某機(jī)器人裝配工作站，其中的FOXBOT-A1700機(jī)器人與S7-1200 PLC之間的通信實(shí)現(xiàn)是重要的內(nèi)容之一，需要充分考慮通信中的約束條件與作業(yè)任務(wù)具體的工藝要求，其中最重要的一個(gè)指標(biāo)是通信延遲小于1s。進(jìn)行通信設(shè)計(jì)有兩條路線多個(gè)方案進(jìn)行選擇：使用單網(wǎng)卡通信或雙網(wǎng)卡通信，TCP通信鏈路連接成功后，數(shù)據(jù)傳輸可以雙向進(jìn)行，但是不能實(shí)時(shí)全雙工通信，數(shù)據(jù)雙向傳輸需要進(jìn)行分時(shí)處理，同時(shí)還需要在PLC和機(jī)器人的作業(yè)程序間進(jìn)行同步協(xié)調(diào)，由于網(wǎng)絡(luò)延遲的影響，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)阻塞，嚴(yán)重的時(shí)候數(shù)據(jù)刷新延遲的時(shí)間高達(dá)幾秒至數(shù)十秒，導(dǎo)致無法進(jìn)行正常的調(diào)度協(xié)調(diào)，滿足不了作業(yè)的工藝要求。使用單網(wǎng)卡進(jìn)行雙向通信需要需要較長的調(diào)整時(shí)間，穩(wěn)定性也不好。雙網(wǎng)卡通信方案可以比較好的規(guī)避雙向傳送時(shí)的數(shù)據(jù)阻塞問題，每個(gè)網(wǎng)卡建立一條通信鏈路實(shí)現(xiàn)單向數(shù)據(jù)傳送。本文以工作站中的通信部分為研究對(duì)象，通過分析、設(shè)計(jì)與實(shí)踐驗(yàn)證，探尋切實(shí)可行的解決方案。

1 工作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信環(huán)境

某機(jī)器人裝配工作站的系統(tǒng)構(gòu)成包括富士康FOXBOT-A1700機(jī)器人系統(tǒng)、迅捷智能視覺檢測系統(tǒng)、可調(diào)速流水線輸送鏈，各設(shè)備的控制系統(tǒng)基于PROFINET現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行了互聯(lián)，總控制柜使用了西門子S7-1200PLC進(jìn)行集中控制調(diào)度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。工作站進(jìn)行作業(yè)任務(wù)時(shí)，通過PROFINET-IO與變頻器通信實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線的控制；智能相機(jī)將采集到工件信息加工處理后，通過MODBUS-TCP通信將數(shù)據(jù)傳送到總控PLC，總控PLC接收到工件位置數(shù)據(jù)二次處理后通過TCP通信發(fā)送到機(jī)器人，同時(shí)讀取機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行決策調(diào)度。

圖1 裝配工作站系統(tǒng)組成

工作站在實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人的通信設(shè)計(jì)時(shí)使用了如表1所示的軟硬件環(huán)境。

表1 軟硬件環(huán)境及IP地址分配

2 機(jī)器人FOXBOT-A1700端通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人端通信配置選擇

FOXBOT機(jī)器人控制系統(tǒng)配置了雙網(wǎng)卡進(jìn)行通信，型號(hào)分別為Intel 82567V-3 Gigabit Network(以下簡寫為NC1)和Intel 82583 Gigabit Network(以下簡寫為NC2)，在通信功能上有所區(qū)別。本案例中在TCP通信策略上可以選擇通過單網(wǎng)卡雙工通信，也可以選擇雙網(wǎng)卡分別進(jìn)行單工通信，下面以雙網(wǎng)卡通信進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

型號(hào)A1700機(jī)器人的TCP通信節(jié)點(diǎn)有2個(gè)，0號(hào)節(jié)點(diǎn)可設(shè)置機(jī)器人作為通信客戶端或服務(wù)器端，1號(hào)節(jié)點(diǎn)僅可將機(jī)器人設(shè)置為客戶端。在與PLC進(jìn)行TCP通信時(shí)，網(wǎng)卡與通信節(jié)點(diǎn)間的約束關(guān)系如表2所示。

表2 FOXBOT-A1700機(jī)器人與S71200-PLC 間TCP通信約束關(guān)系表

機(jī)器人與上位機(jī)(PLC)進(jìn)行TCP通信連接時(shí)，若作為客戶端，需要上位機(jī)(PLC)的TCP服務(wù)先行啟動(dòng)，否則容易出現(xiàn)連接中斷后無法連接的情況出現(xiàn)；做通信服務(wù)器端時(shí)，則不受影響。工作站進(jìn)行作業(yè)任務(wù)時(shí)，PLC發(fā)送到機(jī)器人的數(shù)據(jù)量大，通信的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性要求較高。根據(jù)以上需求，結(jié)合機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)通信功能，得出機(jī)器人與PLC進(jìn)行TCP通信的最優(yōu)配置如表3所示。

表3 A1700機(jī)器人與S71200-PLC TCP通信時(shí)配置選擇

2.2 機(jī)器人通信參數(shù)配置

(1)網(wǎng)卡IP地址的設(shè)置

通過機(jī)器人示教器進(jìn)入“系統(tǒng)選項(xiàng)”，通過“網(wǎng)絡(luò)線路設(shè)置”分別給2個(gè)網(wǎng)卡設(shè)置IP地址(見表1)和網(wǎng)絡(luò)掩碼(255.255.255.0)。

(2)通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

通過機(jī)器人示教器新建工程項(xiàng)目，在“通信設(shè)置”選項(xiàng)窗口按表4輸入?yún)?shù)，并通過“啟用”按鈕使得通信節(jié)點(diǎn)生效。

表4 FOXBOT-A1700通信節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

2.3 機(jī)器人作業(yè)任務(wù)程序中的通信處理

機(jī)器人作業(yè)程序的通信部分包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、通信指令應(yīng)用、通信數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用，參考如下：

'說明:當(dāng)使用TcpSendEx/TcpRecvEx指令進(jìn)行通信時(shí)，需要自定義結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型的變量進(jìn)行數(shù)據(jù)包的封裝

Type WORKPIECE '定義工件信息結(jié)構(gòu)體

GX As Integer

GY As Integer

GA As Integer

GNO As Integer

GWZ As Integer

GOF As Integer

PGD As Integer

PWZ As Integer

POF As Integer

PZP As Integer

CW As Integer

End Type

Type ROBOT '定義機(jī)器人狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)體

SW As Integer

PG As Integer

End Type

Dim FXT As ROBOT '定義ROBOT結(jié)構(gòu)體變量,用于接收PLC傳送過來的數(shù)據(jù)

Dim PRT As WORKPIECE '定義WORKPIECE結(jié)構(gòu)體變量,用于存放發(fā)送到PLC的數(shù)據(jù)

Sub Main

While True

FXT.SW = 0

FXT.PG = 0

TcpSendEx 1,FXT '向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)

Delay 500

TcpRecvEx 0,PRT '接受來自PLC的數(shù)據(jù)

Delay 500

'...其他作業(yè)任務(wù)代碼

Wend

End Sub

3 S7-1200 PLC端通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 通信方式選擇

S7-1200 PLC有十分強(qiáng)大的通信功能，支持串行通信、以太網(wǎng)通信、PROFINET 通信，在選擇通信方式時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備支持的通信協(xié)議及通信需求進(jìn)行選擇。本案例中FOXBOT-A1700機(jī)器人設(shè)備在西門子工控系統(tǒng)中屬于第三方設(shè)備，基于PROFINET總線接入系統(tǒng)后需要使用S7-1200 CPU 以太網(wǎng)通信方式，其中OUC通信(開放式用戶通信)服務(wù)適用于PLC與上位機(jī)或第三方設(shè)備進(jìn)行通信。

OUC通信支持的連接類型有：

ISO-on-TCP(指令有TCON、TDISCON、TSEND、TRCV、TSEND_C、TRCV_C)，最大通信字節(jié)數(shù)8192。

TCP(指令有TCON、TDISCON、TSEND、TRCV、TSEND_C、TRCV_C)，最大通信字節(jié)數(shù)8192。

UDP(TCON、TUSEND、TURCV)，最大通信字節(jié)數(shù)1472。

根據(jù)以上分析，選擇TCP通信連接類型能滿足需求，分別使用TSEND_C和TRCV_C建立2條通信鏈路進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送，其中每條鏈路只執(zhí)行單向數(shù)據(jù)傳送，可有效降低數(shù)據(jù)阻塞的問題。

3.2 通信程序處理及連接參數(shù)配置

PLC與機(jī)器人單次通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為26字節(jié)，發(fā)送到機(jī)器人22字節(jié)數(shù)據(jù)，從機(jī)器人接收4字節(jié)數(shù)據(jù)，通信程序的主模塊見圖2。通信指令參數(shù)的配置關(guān)系到通信鏈路是否能正常建立，設(shè)置為“主動(dòng)建立連接”側(cè)的單元為客戶端，另外一側(cè)為服務(wù)器端。TSEND_C用于PLC向機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)，連接參數(shù)配置見圖3，TRCV_C用于接收機(jī)器人發(fā)送的數(shù)據(jù)，連接參數(shù)配置見圖4。

圖2 PLC與機(jī)器人通信程序主模塊

圖3 TSNED_C連接參數(shù)配置

圖4 TRCV_C連接參數(shù)配置

4 結(jié)論

經(jīng)過分析對(duì)比和實(shí)踐驗(yàn)證，工作站的總控PLC與機(jī)器人之間使用單網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)TCP通信時(shí)，程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，協(xié)同性要求高，網(wǎng)絡(luò)延遲高。使用雙網(wǎng)卡進(jìn)行TCP通信時(shí)，程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提升，網(wǎng)絡(luò)延遲低，滿足了作業(yè)任務(wù)工藝要求。