李 付

（北京首鋼股份有限公司質(zhì)量檢驗(yàn)部，河北 遷安 064404）

1 概 述

工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中單機(jī)工作較少，更多需要與其他工業(yè)機(jī)器人或PLC等外部設(shè)備組建自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同設(shè)備之間信息交互的控制方式包括I/O點(diǎn)對點(diǎn)、工業(yè)現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)等。以一個風(fēng)動接收站和一臺機(jī)器人為例，通過介紹西門子S7-300 PLC與安川工業(yè)機(jī)器人DX100控制柜之間的Profibus-DP通信，描述PLC與機(jī)器人控制系統(tǒng)的信號交互過程[1]。

2 控制過程及分析

2.1 控制過程

西門子S7-300 PLC控制的樣品傳輸系統(tǒng)將樣品裝入樣盒，并通過風(fēng)動管道送到化驗(yàn)室接收站，由另一臺S7-300 PLC向機(jī)器人DX100控制柜下發(fā)搬運(yùn)啟動信號，然后機(jī)器人開始執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)。任務(wù)完成后，機(jī)器人向PLC返回一個完成信號，以便PLC進(jìn)行下一個循環(huán)控制。

2.2 控制分析

西門子S7-300是一款緊湊型、模塊化的PLC，具有集成Profinet接口，支持Profibus和Profinet等多種通信協(xié)議。安川工業(yè)機(jī)器人DX100控制器可利用自身I/O單元與外部設(shè)備進(jìn)行通信，也可以通過工業(yè)現(xiàn)場總線擴(kuò)展卡進(jìn)行Profibus和CC-link等多種通信連接。通常來說，PLC給安川機(jī)器人的輸出信號包括啟動信號、停止信號、允許機(jī)器人取件信號以及遠(yuǎn)程啟動機(jī)器人信號。安川機(jī)器人給PLC的輸出信號包括狀態(tài)信號、取件完成信號、報(bào)警信號以及復(fù)位完成信號等。文中主要闡述PLC與機(jī)器人通信的兩個交互信號，一個是樣盒到達(dá)接收站后PLC作為主站向機(jī)器人從站發(fā)送的搬運(yùn)啟動信號，另一個是搬運(yùn)任務(wù)完成后機(jī)器人作為從站向PLC主站返回的工作完成信號[2]。

3 控制實(shí)施

3.1 PLC端組態(tài)配置

西門子S7-300 PLC作為主站，可以對從站進(jìn)行讀寫操作。硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在西門子組態(tài)軟件Step7中完成。硬件組態(tài)配置中，各個模塊的位置及含義如圖1左半圖所示。1號插槽為電源PS 307（5 A）模塊；2號插槽為CPU 317-2DP，用以實(shí)現(xiàn)Profibus-DP通信；3號插槽為空；4號和5號插槽分別為DI 16/DO 16×24 V/0.5 A的輸入模塊和輸出模塊；6號插槽為CP343-1通信模塊，用以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的Profinet通信。硬件組態(tài)完成后，雙擊機(jī)架插槽中的DP，將其設(shè)為主站，地址設(shè)為2。點(diǎn)擊新建生成一個DP網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊屬性按鈕設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，將傳輸速率設(shè)為1.5 Mb/s，行規(guī)選擇DP，點(diǎn)擊確定，完成主站組建[3]。完整的組態(tài)圖如圖1所示。

圖1 DP組態(tài)圖

實(shí)現(xiàn)PLC 300與機(jī)器人的主從通信除了需要具有Profibus接口的PLC外，還需要安裝機(jī)器人GSD文件，而PLC用這個文件來識別安川機(jī)器人。在硬件組態(tài)界面，點(diǎn)擊選項(xiàng)下拉菜單，選擇安裝GSD，找到GSD安裝目錄文件。安裝完成后點(diǎn)擊右側(cè)硬件目錄窗口，添加第三方組件。點(diǎn)擊general，在DP網(wǎng)絡(luò)中添加Anybus-S DP-V1機(jī)器人從站，雙擊設(shè)置從站地址、傳輸速率以及波特率。選擇添加Universal module硬件，分配I/O起始地址和字節(jié)長度后保存編譯。組態(tài)全部完成后下載到PLC，便可實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人的主從通信[4]。

系統(tǒng)主站的型號為CPU 317-2 DP，西門子的型號為S7-300 PLC。安川機(jī)器人作為從站，用來完成樣盒的搬運(yùn)、放置以及倒樣等工作。以DP網(wǎng)絡(luò)中地址12為例，它的輸入輸出均為20 Byte，I/O地址范圍輸入為IB60～I(xiàn)B79，輸出地址范圍為QB60～QB79。

3.2 機(jī)器人端的配置

DX100控制柜安裝的通信擴(kuò)展板卡位于控制柜下方，柜內(nèi)有2個PCI插槽。正確安裝后，長按示教器主菜單鍵重啟控制柜，將機(jī)器人改到維護(hù)模式。在板卡設(shè)置選項(xiàng)里選擇AB3601，設(shè)置I/O大小為20 Byte，分配輸入范圍為20070～20267，輸出范圍為30070～30267。節(jié)點(diǎn)地址設(shè)置成組態(tài)時的對應(yīng)地址，波特率選默認(rèn)，點(diǎn)擊確認(rèn)。此時，顯示板卡信息如圖2所示。

圖2 機(jī)器人板卡信息

4 程序編寫

4.1 PLC與機(jī)器人信號交互原理

首先，PLC的輸出信號通過Profibus總線轉(zhuǎn)換給機(jī)器人端的外部輸入；其次，外部輸入信號通過配置好的并行I/O程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)給到通用輸入；最后，將通用輸入信號映射給機(jī)器人主程序Main。當(dāng)觸發(fā)主程序Main調(diào)用的IN#()信號后，機(jī)器人進(jìn)行對應(yīng)工位的樣品搬運(yùn)。機(jī)器人執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)時輸出OT#()信號，OT#()信號的打開和關(guān)閉代表機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)器人輸出信號先是映射到通用輸出，再由通用輸出通過并行I/O與外部輸出進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后將外部輸出信號通過Profibus總線返回給PLC輸入端。信號交互原理如圖3所示。

圖3 信號交互原理圖

4.2 PLC與機(jī)器人信號的地址映射

PLC和機(jī)器人的程序編寫完成后，需要實(shí)現(xiàn)兩者的信號地址映射。安川機(jī)器人編程語言中，OT#()代表輸出，IN#()代表輸入。機(jī)器人的輸入輸出與PLC的輸入輸出信號轉(zhuǎn)換，主要通過Prifibus總線和并行I/O兩部分進(jìn)行。映射點(diǎn)位表如圖4所示。

以站13為例，當(dāng)樣盒到達(dá)時，PLC Q 63.4主站信號觸發(fā)，PLC將輸出信號通過Profibus總線發(fā)送到機(jī)器人，從站外部輸入20104接口。觸發(fā)后，通過機(jī)器人自身的并行I/O與機(jī)器人程序中的通用輸入信號00074進(jìn)行關(guān)聯(lián)，觸發(fā)機(jī)器人程序的IN（53）程序邏輯信號，從而實(shí)現(xiàn)PLC主站與機(jī)器人從站的信號轉(zhuǎn)換，告知機(jī)器人樣盒已到達(dá)可以搬運(yùn)。

圖4 映射點(diǎn)位表

當(dāng)機(jī)器人程序搬運(yùn)結(jié)束時，會關(guān)閉OT（53）信號。機(jī)器人通用輸出信號10074通過并行I/O關(guān)聯(lián)到外部輸出信號30104，外部輸出信號30104再通過Profibus總線將信號發(fā)送到PLC端I63.4，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從站信號與PLC主站的信號轉(zhuǎn)換，告知PLC搬運(yùn)任務(wù)已完成。

4.3 并行I/O程序

并行I/O程序是指機(jī)器人運(yùn)動程序與控制柜邏輯轉(zhuǎn)換程序完全獨(dú)立，兩者可同時進(jìn)行但不會相互干涉。并行I/O程序是安川機(jī)器人自帶的，與PLC程序類似，是循環(huán)周期掃描運(yùn)行，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外部輸入和通用輸入、通用輸出和外部輸出的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動和邏輯轉(zhuǎn)換的同時進(jìn)行。外部輸入與通用輸入轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5 外部輸入與通用輸入轉(zhuǎn)換

STR類似于PLC中連接母線的一個常開觸點(diǎn)，OUT代表輸出線圈，GSTR代表一個字節(jié)的8個位組輸入觸點(diǎn)，GOUT代表一個字節(jié)的8個位組輸出線圈。例如，GSTR 20100代表的是外部輸入組信號20100～20107，GOUT 00070代表通用輸入組信號00070～00077，兩者通過并行I/O指令GSTR和GOUT前后關(guān)聯(lián)起來，且具有一一對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)外部輸入與通用輸入信號的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)PLC主站下發(fā)搬運(yùn)任務(wù)信號給機(jī)器人從站的映射。同理，10070為通用輸出信號，30100為外部輸出信號，兩者通過指令GSTR和GOUT前后關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)通用輸出與外部輸出信號的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從站向PLC主站返回完成信號的映射[5]。至此，單一接收站PLC與機(jī)器人所需要的兩個交互信號已經(jīng)全部構(gòu)建完成。

5 結(jié) 論

技術(shù)不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場合越來越多。在與外部設(shè)備的信息交互控制中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)根據(jù)交互數(shù)量的實(shí)際要求選擇相適應(yīng)的控制方式。數(shù)據(jù)量少可通過I/O點(diǎn)對點(diǎn)控制，數(shù)據(jù)量多則應(yīng)選擇網(wǎng)絡(luò)通信。合理的控制方式能減少工作量和降低成本。工業(yè)機(jī)器人通過Profibus-DP總線通信方式與PLC主站連接，相比較傳統(tǒng)I/O點(diǎn)對點(diǎn)通信，不再有雜亂無章的電纜布線，減少了電纜數(shù)量，節(jié)省空間且不易發(fā)生故障。這種通信方式簡單方便，且明顯提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。