《工业机器人应用系统集成》（王仲） 项目二（工业机器人应用系统集成）

工业机器人应用系统集成（第2版）工业机器人应用系统集成的关键技术项目二项目导读近年来，随着智能制造概念的提出，工业机器人应用系统集成也被提升到了一个新的高度。通过工业机器人应用系统集成构建自动化生产线，可实现生产流程一体化管理，极大地提高生产效率和生产质量。I/O通信技术和外围通信技术作为工业机器人应用系统集成过程中的两项关键技术，是实现整个应用系统协同工作的基础。本项目先学习工业机器人I/O通信技术和外围通信技术，然后分析这两项关键技术在实际生产中的典型应用案例。思政目标树立爱党爱国的坚定信念，具备专业使命感和社会责任感。培养虚心学习、勇于创新、爱岗敬业、无私奉献的职业精神。学习目标了解工业机器人控制系统的基本结构与控制方式。掌握工业机器人控制器的I/O通信。了解基于控制器的工业机器人外部控制。了解ABB机器人I/O接口实验的实施步骤。了解常用的现场总线技术。熟悉基于PLC的工业机器人应用系统的连接与设计。熟悉工业机器人应用系统的人机界面。了解ABB机器人之间DeviceNet总线通信实验的实施步骤。熟悉工业机器人应用系统集成的一般过程。CONTENTS1工业机器人I/O通信技术认知2工业机器人现场总线技术认知工业机器人I/O通信技术认知1工业机器人I/O通信技术认知任务引入某钢铁生产厂安装了一套用于改进生产工艺的工业机器人应用系统，技术员张师傅和实习生小李负责安装和配置标准I/O板。完成安装和配置工作后，张师傅告诉小李，“虽然我们已经在系统中添加并设置好了I/O板的数字输入信号和数字输出信号，但这些信号并没有进行关联设置，现在还无法通过这些信号来控制工业机器人和外围设备。”随后，张师傅开始教小李如何将设置好的I/O信号与工业机器人自身的控制功能与状态关联起来，以便通过I/O通信技术控制工业机器人和外围设备。小李在张师傅的指导下恍然大悟，很快掌握了这项技能，不禁感叹道：“还真是实践出真知，虚心使人进步呀！”工业机器人I/O通信技术认知任务引入本任务首先介绍工业机器人控制系统的概况，然后介绍工业机器人控制器的I/O通信和基于控制器的工业机器人外部控制。知识与技能要求工业机器人I/O通信技术认知一、工业机器人控制系统的概况工业机器人的控制系统若不具备信号反馈功能，则为开环控制系统；若具备信号反馈功能，则为闭环控制系统。开环控制系统，其任务主要是根据作业指令支配工业机器人的执行机构完成规定的动作和功能；闭环控制系统，则还需对传感器反馈回来的信号进行处理，并完成相应的动作。工业机器人I/O通信技术认知（一）控制系统的基本结构工业机器人控制系统主要由人机交互装置和工业机器人控制装置两部分组成。工业机器人控制系统的基本结构工业机器人I/O通信技术认知工业机器人控制系统的基本结构1控制器：一般为控制计算机或微处理器，是控制系统的调度指挥机构。2示教器：用来示教工业机器人的工作轨迹、设定参数和执行人机交互操作，拥有独立的CPU及存储单元，与控制器之间以串行通信的方式实现信息交互。3操作面板：由各种操作按钮和状态指示灯构成，能够完成基本功能操作。4存储磁盘：用于存储工作程序中的各种信息数据。5标准I/O板：用于数字量和模拟量的输入/输出，如各种状态信息和控制命令的输入或输出。工业机器人I/O通信技术认知工业机器人控制系统的基本结构6打印机接口：用于连接打印机，打印需要输出的各种信息。7传感器接口：用于信息的自动检测，实现工业机器人的闭环控制，常用的传感器有力觉、触觉和视觉传感器。8伺服控制器：用于完成工业机器人各关节位置、速度和加速度的控制。9辅助伺服控制器：用于控制工业机器人的各种辅助设备，如手爪变位器等。工业机器人I/O通信技术认知工业机器人控制系统的基本结构10通信接口：用于实现工业机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。11网络接口：通常包括EtherNet接口和Fieldbus接口。EtherNet接口：可通过以太网实现数台或单台工业机器人与PC之间的通信，数据传输速率高达10Mb/s，可直接在PC上用Windows库函数进行应用程序编程，支持TCP/IP通信协议。通过EtherNet接口可将数据及程序载入各工业机器人控制器中。Fieldbus接口：支持多种现场总线通信，如DeviceNet、PROFIBUS-DP等。工业机器人I/O通信技术认知（二）控制系统的控制方式工业机器人的控制系统有集中式、主从式和分布式三种控制方式。集中式控制1集中式控制是用一台计算机实现系统的全部控制功能，早期工业机器人常采用该控制方式。集中式控制具有硬件成本较低、便于信息采集与分析、易于实现系统的最优控制、整体性与协调性较好等优点，但该控制方式实时性差、缺乏灵活性且难以扩展。由于工业机器人对实时性要求很高，若采用集中式控制，当系统进行大量数据计算时，系统实时性会降低，且系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突。此外，集中式控制系统的连线复杂，会降低系统的可靠性。提示工业机器人I/O通信技术认知主从式控制2主从式控制是采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主处理器进行系统管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等，从处理器进行所有关节的动作控制。主从式控制的实时性较好，适用于高精度、高速度控制，但系统扩展性仍较差，维修困难。分布式控制3分布式控制是将系统分成几个模块，每个模块有自己的控制任务和控制策略，各模块之间可以是主从关系，也可以是平等关系。分布式控制具有实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制等优点，是目前主流的控制方式。工业机器人I/O通信技术认知分布式控制的主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调来完成控制任务。在这种控制方式中，子系统由控制器、不同被控对象或设备构成，各子系统之间通过网络相互通信。分布式控制方式提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统，常采用两级分布式控制方式。两级分布式控制系统通常由上位机、下位机和网络组成。上位机进行不同的轨迹规划和算法控制，下位机进行插补细分、控制优化等。上位机和下位机通过通信总线相互协调，通信总线可以是RS232、RS485及USB等形式。目前，新型网络集成全分布式控制系统，即现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem，FCS），已被广泛应用。在工业机器人应用系统中引入现场总线技术，有利于工业机器人在工业生产环境中集成。无论工业机器人采用哪种控制方式，控制器都是必需的。控制器用于接收各种数据，进行数据处理及存储，并执行各种程序，是工业机器人应用系统的大脑。提示工业机器人I/O通信技术认知二、工业机器人控制器的I/O通信（一）I/O通信接口概述I/O是输入/输出（input/output）的英文首字母缩写。工业机器人通过I/O通信接口与外围设备进行通信，接收各种开关或传感器的信号反馈，并发送各种控制信号和状态信号，用以控制各执行机构的动作或指示灯的亮灭。通常工业机器人都会设置丰富的I/O通信接口，方便同外围设备进行通信。工业机器人I/O通信技术认知ABB工业机器人常用的I/O通信接口（1）PC接口：一般用于ABB工业机器人与PC之间的通信，在开发和调试工业机器人本体时经常使用此类I/O接口。（2）现场总线：一般用于ABB工业机器人与外围设备之间有庞大数据量的情况。各种现场总线中最常用的是DeviceNet、PROFIBUS和EtherNet/IP三种。例如，PC可采用EtherNet/IP的通信方式，通过RJ45接口与机器人控制器连接，实现工业机器人在线控制。（3）ABB标准I/O板：ABB工业机器人最常使用的一种接口方式，其本质为一种可编程控制器（PLC）。工业机器人I/O通信技术认知利用ABB标准I/O板可以完成数字输入（DI）、数字输出（DO）、模拟输入（AI）、模拟输出（AO）、组输入（GI）、组输出（GO）及输送链跟踪等多种信号的处理；DSQC651、DSQC652、DSQC653等ABB标准I/O板可通过DeviceNet现场总线的通信方式挂接在工业机器人控制器上。IRC5控制器的接口布置以IRB120机器人为例，其IRC5控制器的接口布置如下图所示。工业机器人I/O通信技术认知

IRC5控制器各接口的功能说明ABB工业机器人若选用ABB标准PLC，则可省去与外部PLC进行通信设置的步骤，在机器人示教器上就能实现与PLC相关的操作。经验传承工业机器人I/O通信技术认知（二）ABB标准I/O板工业机器人通常需要接收其他设备或传感器的信号才能完成指定的任务。例如，利用工业机器人将工件从一个位置搬运到另一个位置时，首先应确定要进行搬运的工件是否到达指定位置，此时需要一个位置传感器（到位开关）；当工件到达指定位置后，传感器给工业机器人发送一个工件到位信号，工业机器人接收到这个信号后，便按照预定轨迹开始搬运工件。对工业机器人而言，到位开关发送的信号属于数字输入信号。在ABB工业机器人中，这种信号的接收主要是通过标准I/O板来完成的。工业机器人I/O通信技术认知这些ABB标准I/O板通常安装在控制器柜门的内侧，且与控制柜上的连接接口是通用的。常用ABB标准I/O板的型号及其说明工业机器人I/O通信技术认知DSQC651板1DSQC651板上的接口包括一个X1数字输出接口、一个X3数字输入接口、一个X5DeviceNet接口和一个X6模拟输出接口。DSQC651板的接口分布工业机器人I/O通信技术认知（1）X1数字输出接口：提供8路数字输出信号。DSQC651板X1数字输出接口各端子的使用定义和地址分配（2）X3数字输入接口：提供8路数字输入信号。DSQC651板X3数字输入接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（3）X5DeviceNet接口：ABB标准I/O板都挂载在DeviceNet总线下，由X5DeviceNet接口与DeviceNet总线进行通信，并设置I/O板在DeviceNet总线中的地址（ID）。每个标准I/O板在总线中的地址都是独一无二的，以方便识别。如下表所示为X5DeviceNet接口各端子的使用定义，其中第6～12号端子用来设定DeviceNet地址，可用范围为10～63（0～9被系统占用）。DSQC651板X5DeviceNet接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知当要获得地址10时，只需切断第8号和第10号端子所对应的针脚即可（21+23=10）；当要获得地址63时，需要同时切断第7～12号端子所对应的针脚；当要获得地址0时，则无需切断任何针脚。DSQC651板X5DeviceNet接口地址设置示意图工业机器人I/O通信技术认知（4）X6模拟输出接口：提供两路模拟信号输出。DSQC651板X6模拟输出接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知DSQC652板2DSQC652板上的接口包括一个X1数字输出接口、一个X2数字输出接口、一个X3数字输入接口、一个X4数字输入接口和一个X5DeviceNet接口。DSQC652板的接口分布工业机器人I/O通信技术认知（1）X1数字输出接口：提供8路数字输出信号。DSQC652板X1数字输出接口各端子的使用定义和地址分配（2）X2数字输出接口：提供8路数字输出信号。DSQC652板X2数字输出接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（3）X3数字输入接口：提供8路数字输入信号，其各端子的使用定义和地址分配同DSQC651板。DSQC651板X3数字输入接口各端子的使用定义和地址分配（4）X4数字输入接口：提供8路数字输入信号。DSQC652板X4数字输入接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（5）X5DeviceNet接口：其各端子的使用定义同DSQC651板。DSQC651板X5DeviceNet接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知DSQC653板3DSQC653板上的接口包括一个X1继电器数字输出接口、一个X3数字输入接口和一个X5DeviceNet接口。DSQC653板的接口分布工业机器人I/O通信技术认知（1）X1继电器数字输出接口：提供8路数字输出信号。

DSQC653板X1继电器数字输出接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（2）X3数字输入接口：提供8路数字输入信号。

DSQC653板X3数字输入接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（3）X5DeviceNet接口：其各端子的使用定义同DSQC651板。

DSQC651板X5DeviceNet接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知DSQC355A板4DSQC355A板的接口包括一个X3供电电源接口、一个X5DeviceNet接口、一个X7模拟输出接口和一个X8模拟输入接口。DSQC355A板的接口分布工业机器人I/O通信技术认知（1）X3供电电源接口：其各端子的使用定义如下表所示。

DSQC355A板X3供电电源接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知（2）X5DeviceNet接口：其各端子的使用定义同DSQC651板。

DSQC651板X5DeviceNet接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知（3）X7模拟输出接口：提供4路模拟信号输出。

DSQC355A板X7模拟输出接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知（4）X8模拟输入接口：提供4路模拟信号输入。

DSQC355A板X8模拟输入接口各端子的使用定义和地址分配工业机器人I/O通信技术认知DSQC377A板5DSQC377A板的接口包括一个X3供电电源接口、一个X5DeviceNet接口和一个X20编码器与同步开关接口。DSQC377A板的接口分布工业机器人I/O通信技术认知（1）X3供电电源接口：其各端子的使用定义同DSQC355A板。

DSQC355A板X3供电电源接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知（2）X5DeviceNet接口：其各端子的使用定义同DSQC651板。

DSQC651板X5DeviceNet接口各端子的使用定义工业机器人I/O通信技术认知三、基于控制器的工业机器人外部控制在工业机器人应用系统中，工业机器人的启动、停止、暂停和急停等功能一般可通过机器人控制器或示教器上的相应按钮来实现，但在某些情况下，为了与外围设备实现通信和动作上的同步，通常使用外部控制装置（PLC）来实现这些功能。当功能按钮接通时，外部控制装置发出相应信号，在继电器接通后，工业机器人标准I/O板接收信号并发出相应信号到机器人控制器，经过计算处理后，完成相应的动作。工业机器人的外部控制逻辑在某些特殊情况下，工业机器人应用系统中并未使用外部PLC，此时可以将对应的功能按钮直接接到工业机器人标准I/O板上来实现相应的功能。工业机器人I/O通信技术认知思政讲堂给机器人“造大脑”的中国梦践行者毕业于广东机电职业技术学院的90后小伙钟乐华，如今是广东一家大型工业机器人制造公司研发团队的重要一员。从在校期间成绩稳居前三并获得2012年全国职业院校技能大赛高职组广东选拔赛自动化生产安装与调试项目一等奖，到获得2017年广州开发区第九届技术能手大赛可编程控制系统设计师项目一等奖，成为公司软件研发团队中唯一一位高职生，每天给工业机器人设计编程“造大脑”，钟乐华完成了一次次的人生逆袭。由于在校表现优异，毕业后，钟乐华进入一家有名的校企合作企业。因为表现突出，钟乐华很快就“出师”，仅用一个星期就成为公司的工程师，而当时他的同学都花费了几个月的时间才完成了这一过渡。在这家企业里，钟乐华感觉到自己在飞速成长。参加工作的第一年，他就参与了澳门隧道自控系统的设计编程。之后两年，他还参与了许多大型项目，例如，为国家大型粮油生产企业的粮油自动生产线进行了设计编程。工业机器人I/O通信技术认知思政讲堂给机器人“造大脑”的中国梦践行者钟乐华深知，只有对技术的不断追求才能使人立于不败之地。毕业之后的第三年，钟乐华第一次摸到了技术的“天花板”，遇到了职业生涯的瓶颈期。2015年，一直在寻找突破的钟乐华参观了广州国际机器人及工业自动化展览会，他感觉人生找到了新方向，更加坚信机器人制造是未来的发展趋势。心意确定后，恰逢他所在的企业大力扩张、急需人手，钟乐华抓住时机，凭借三年的经验和成绩，他很快转型为工业机器人“大脑制造师”。“看起来都是编程，实际上有很多不同。”钟乐华谈到，“比如，要开发一个具备新功能的机器人，需要对机器人所应用的行业有全面的了解，而且在整个过程中，有些技术问题只能靠自己钻研琢磨，没有人会给你提供现成的答案。”有时，遇到新行业新技术的新要求，为了准确掌握所需产品信息，钟乐华还要进行一段时间的培训，在明确用户需求后，才会正式着手开始设计编程。工业机器人I/O通信技术认知技术实训ABB机器人I/O接口实验一、实训概况（1）进行DSQC651板数字输入接口、数字输出接口以及模拟输出接口的硬件连接。（2）通过示教器进行输入/输出接口的设定：以DSQC651板为模块，模块单元为Board10，总线连接DeviceNet1，地址为10，创建数字输入信号DI_01、数字输出信号DO_01和模拟输出信号AO_01，并实现I/O信号的监控及操作。（3）用24V稳压电源和对应的指示灯进行数字输入接口的测试，用万用表和DSQC651板载指示灯进行数字输出接口的测试，用万用表进行模拟输出接口的测试。工业机器人I/O通信技术认知二、实训步骤为了避免在工业机器人硬件接线及测试时对设备造成损坏，首先应熟悉工业机器人的电路接线方法。（一）硬件接线DSQC651板的硬件接线图中的实际接线有数字信号输出（DO_01、DO_02、DO_03）、外部电源输入（24V）、模拟信号输出（AO_01、AO_02）、数字信号输入（DI_01、DI_02、DI_05）。DSQC651通过DeviceNet总线连接到主板。工业机器人I/O通信技术认知DSQC651板是最为常用的ABB标准I/O板，下面将为其创建数字输入信号DI_01、数字输出信号DO_01和模拟输出信号AO_01。（二）配置DSQC651板定义DSQC651板的总线连接1（1）在“控制面板—配置”界面中选择“Unit”选项可进行DSQC651板的设置。Board_10配置界面（1）工业机器人I/O通信技术认知（2）双击“Unit”选项，进入如左图所示界面，然后单击“添加”按钮，进入如右图所示界面。Board_10配置界面（2）Board_10配置界面（3）工业机器人I/O通信技术认知（3）按照下表所示DSQC651板总线连接的相关参数进行输入，完成后如下图所示。单击“确定”按钮，重启之后，定义DSQC651板的总线连接操作完成。DSQC651板总线连接的相关参数

（a）（b）Board_10配置界面（4）工业机器人I/O通信技术认知定义数字输入信号和数字输出信号2（1）在“控制面板—配置”界面中选择“Signal”选项可进行DSQC651板数字输入信号的设置。

DI_01配置界面（1）（2）双击“Signal”选项，进入如左图所示界面。单击“添加”按钮，进入如右图所示界面。DI_01配置界面（2）DI_01配置界面（3）工业机器人I/O通信技术认知（3）按照表所示数字输入信号DI_01的相关参数进行输入，完成后如图所示。单击“确定”按钮，重启之后，定义数字输入信号DI_01操作完成。数字输入信号DI_01的相关参数

DI_01配置界面（4）工业机器人I/O通信技术认知（4）DSQC651模块数字输出信号的设定和数字输入信号的设定基本一致，只需要对数字输出信号DO_01的相关参数进行修改，即将“Name”设置为“DO_01”，将“TypeofSignal”设置为“DigitalOutput”，将“UnitMapping”设置为“32”等。

DO_01配置完成后的界面工业机器人I/O通信技术认知定义模拟输出信号3DSQC651模块模拟输出信号的设定和数字输入信号的设定基本一致，只需要按下表所示模拟输出信号AO_01的相关参数进行修改即可，完成后的界面如图所示。模拟输出信号AO_01的相关参数工业机器人I/O通信技术认知

（a）（b）AO_01配置完成后的界面工业机器人I/O通信技术认知用24V稳压电源和对应的指示灯进行数字输入接口的测试，用万用表和DSQC651板载指示灯进行数字输出接口的测试，用万用表进行模拟输出接口的测试。（三）测试DSQC651板的I/O信号在示教器上设定I/O信号界面DSQC651板的I/O信号测试结果工业机器人现场总线技术认知2工业机器人现场总线技术认知任务引入张师傅和小李完成工业机器人的配置后，开始对工业机器人应用系统中的外围通信进行安装和调试。由于该系统的外部控制是由PLC完成的，因此PLC控制系统与工业机器人和外围设备之间的通信十分关键。小李只知道一些外围通信技术的理论知识，对于这项工作的实际操作十分陌生。为此，张师傅开始一边操作，一边向小李讲解每个操作步骤的内容与作用。这种传帮带的方法和氛围不仅对于企业人才培养十分有效，还有利于形成和谐融洽的人际关系和团结互助的工作环境。小李在认真学习操作方法的同时，打趣着对张师傅说道：“这还真是应验了‘纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行’这句诗！”技术传帮带，和谐好氛围工业机器人现场总线技术认知任务引入技术传帮带，和谐好氛围本任务主要介绍常用的现场总线技术、工业机器人应用系统PLC的结构与组成以及工业机器人应用系统的人机界面。知识与技能要求工业机器人现场总线技术认知一、常用的现场总线技术现场总线是指安装在制造过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。随着工业机器人技术的不断发展，工业机器人应用系统对信号传输距离、速度和稳定性提出了更高的要求，相对于传统的I/O通信，总线通信能够更好地适应稳定的长距离信号传输，并且可维护性和可操作性大大提高。因此，现场总线广泛应用于工业机器人应用系统的通信过程中。目前世界上大约有四十余种现场总线，还没有统一的标准。工业机器人现场总线技术认知（一）基金会现场总线基金会现场总线（foundationfieldbus，简称FF）包括以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合了ABB、西门子等80余家公司制定的ISP协议，和以Honeywell公司为首，联合了欧洲地区150余家公司制定的WorldFIP协议，两者于1994年进行了合并。该总线在过程自动化领域应用广泛，发展前景良好。FF总线采用ISO（国际标准化组织）的开放化系统互联OSI的简化模型（第1、2、7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF总线分为低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境；后者传输速率为1Mbps和2.5Mbps，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线传输，协议符合IEC1158-2标准。FF总线物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。工业机器人现场总线技术认知曼彻斯特编码又称裂相码、同步码、相位编码，是一种用电平跳变来表示1或0的编码方法。每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，即一个周期的方波，且0码和1码的相位正好相反。资料卡工业机器人现场总线技术认知（二）控制器局域网控制器局域网（controllerareanetwork，简称CAN）最早由德国博世公司推出，广泛应用于分布式控制领域，其总线规范已被ISO制定为国际标准，得到了英特尔、摩托罗拉等公司的支持，CAN协议分为物理层和数据链路层两层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能和较强的抗干扰能力。CAN支持多种工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，最远通信距离可达10km（传输速率低于5kbps），最高传输速率可达1Mbps（通信距离不超过40m），网络节点数实际可达110个。工业机器人现场总线技术认知（三）DeviceNetDeviceNet是一种低成本的通信连接，也是一种简单的网络解决方案，具有开放的网络标准。DeviceNet具有直接互联性，不仅改善了设备间的通信，而且提供了相当重要的设备级阵地功能。位于DeviceNet网络上的设备可以自由地连接或断开，不影响网络上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet基于CAN技术，提供125kbps、250kbps及500kbps三种不同的数据传输速度。根据使用的通信线种类不同，DeviceNet允许的通信线长度也有所不同。圆形粗电缆的通信距离最远可达500m；一般圆电缆则为100m；扁平形电缆在传输速率为125kbps时可达380m，在传输速率为500kbps时则只有75m。该通信连接方式的网络节点数可达64个，采用生产者/用户（producer/consumer）通信模式和多信道广播信息发送方式。工业机器人现场总线技术认知（四）PROFIBUSPROFIBUS由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA组成。其中，DP用于分布式外围设备之间的数据传输，适用于加工自动化领域；FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器及低压开关等；PA用于过程自动化控制系统中。PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等多种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6～12000kbps，在传输速率为9.6kbps下最大传输距离为1200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或光缆，最多可挂接127个站点。工业机器人现场总线技术认知（五）CC-LinkCC-Link（control&communicationlink，控制与通信链路）是1996年11月由以三菱电机为主导的多家公司推出的一种开放式现场总线，在亚洲市场占有较大份额。2005年7月，CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。CC-Link数据容量大，通信速度多级可选。它是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。一般情况下，CC-Link的一层网络可由1个主站和64个从站组成。网络中的主站由PLC控制，从站可以是远程I/O模块、特殊功能模块、带有CPU和PLC的本地站、人机界面、变频器及各种测量仪表、阀门等。CC-Link具有较高的数据传输速度，最高可达10Mbps。CC-Link的底层通信协议遵循RS-485协议标准。一般情况下，CC-Link主要采用广播轮询的方式进行通信，也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。工业机器人现场总线技术认知（六）INTERBUSINTERBUS作为国际标准IEC61158之一，广泛应用于制造业，主要用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。它采用OSI的简化模型（第1、2、7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。INTERBUS采用集总帧型的数据环通信，广泛应用于汽车、仓储、造纸、包装等行业，成为国际现场总线的领先者。INTERBUS能够提供从控制级设备至底层限定开关一致的网络互联，可通过一根单一电缆来连接所有的设备，而无需考虑操作的复杂程度，并允许用户充分利用这种优势来减少整体系统的安装和维护成本。工业机器人现场总线技术认知INTERBUS总线上的主要设备有安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板，总线终端上的BK模块和I/O模块。总线控制板用于实现协议的控制、错误诊断、组态存储等功能。BK模块用于将远程网络数据转换为本地网络数据。I/O模块用于实现总线控制板和传感器/执行器之间的数据接收和传输，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号，但所使用的电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据，采用RS-485协议标准与全双工方式进行通信，通信速率为500kbps；本地总线网络则是连接到远程总线网络上。工业机器人现场总线技术认知二、基于PLC的工业机器人应用系统的连接与设计PLC是一种可编程控制器，它利用其内部存储的程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出信号控制各种机械生产过程。作为工业控制装置的核心部分，PLC不仅可以代替传统的继电器系统，使硬件软化，提高工具的可靠性与系统的灵活性，还具有运算、计数、调节、通信、联网等功能。随着工厂自动化技术的发展，基于PLC的工业机器人应用系统得到了广泛应用。工业机器人现场总线技术认知（一）基于PLC的工业机器人应用系统的连接电路PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作，即在PLC运行时，CPU根据用户编制并保存于存储器中的程序，按指令序号做周期性循环扫描，若没有跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至程序结束，然后返回至第一条指令，开始下一轮新的扫描。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。输出刷新阶段，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外围设备。工业机器人现场总线技术认知在工业机器人应用系统中，除了工业机器人本体外，还会配备各种外围设备，因此需要大量的信号通信，这也使得PLC的使用成为必然。PLC通过执行用户预先编制好的程序指令，根据接收到的输入信号，经过逻辑运算和判断后，输出相应的信号来控制继电器，将PLC的输出信号转化为工业机器人I/O板的输入信号。I/O板接收到信号后，并不会进行处理，而是通过总线将信号传递给工业机器人控制器，经过工业机器人控制器处理后再进行相应的信号反馈或控制机器人的机械臂进行相关动作。基于PLC的工业机器人应用系统的连接电路工业机器人现场总线技术认知（二）基于PLC的工业机器人应用系统的设计（1）了解和分析被控制对象的控制要求，确定输入和输出设备的类型和数量。（2）根据输入和输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数，并选择相应点数的PLC机型。（3）合理分配I/O点数，绘制PLC接线图。（4）根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。基于PLC的工业机器人应用系统的设计流程工业机器人现场总线技术认知（5）根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。（6）用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中。（7）程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。（8）调试结束后，整理技术资料，投入运行。工业机器人现场总线技术认知工匠精神工业机器人应用系统的设计过程主要是在掌握理论知识的基础上进行软件和硬件的设计与调试等实践操作。通常设计与调试工作要反复进行，要求工作人员应具有认真踏实的钻研精神，在一次次失败中总结规律、积累经验，不断掌握工业机器人应用系统调试的专业知识与技能。这正是新时代工匠精神的要求。新时代工匠精神不仅包括熟练精湛的技艺，还包括认真踏实的职业态度、追求完美的职业精神以及对所从事职业的责任感与认同感。我国制造业正处于稳步上升时期，弘扬工匠精神、培养大国工匠是我国从制造大国转变成制造强国的现实需要。工业机器人现场总线技术认知三、工业机器人应用系统的人机界面触摸屏（touchpanel，简称TP）是由显示器和触摸面板组成的触摸式可编程终端。随着科学技术的发展，触摸屏作为一种全新的计算机输入设备，目前已成为最简单、方便、自然的人机交互方式。在实际操作中，通常用触摸屏代替鼠标、键盘及显示器上的开关与按钮，使用时用户首先用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单选项来确定信息输入内容。在使用触摸屏时，所触摸的位置会被触摸屏检测出来，并将位置信息转变为坐标值。触摸屏的位置坐标是绝对坐标，一般以屏幕的左上角为原点。工业机器人现场总线技术认知根据工作原理和传输介质的不同，触摸屏可分为1234电阻式触摸屏电容式触摸屏红外线式触摸屏表面声波式触摸屏每一种触摸屏都有各自的优缺点与使用场合，对于用于工业自动化控制的触摸屏，其主要功能包括显示和状态监视功能、数字输入功能、控制功能、实时报警功能和网络通信功能等。工业机器人现场总线技术认知（一）触摸屏与PLC的连接触摸屏TP与PLC（或上位机）的通信方式主要是串口通信，但不同型号的产品使用的通信协议不尽相同，可以是RS-232，也可以是RS-485或RS-422。NT631/NT631C与PLC的通信方式1NT631/NT631C与PLC之间有三种通信方式，分别为上位链接方式NT链接（1∶1）方式NT链接（1∶N）方式工业机器人现场总线技术认知1上位链接方式：TP发出命令信息给PLC，PLC返回响应信息，并以会话式的顺序将各种设定状态信息读出或写入PLC继电器和数据存储器中。上位机以1∶1的链接方式连接到TP，上位机的字和位通过上位链接方式读出并显示。这种方式可用于连接大多数类型的PLC。2NT链接（1∶1）方式：是一种用直接连接功能与PLC高速通信的方式，它将PLC与TP一对一连接，通过NT链接（1∶1）方式读出并显示。这种通信方式的通信速度比上位链接方式快。3NT链接（1∶N）方式：一台PLC连接多台TP。PLC的字和位通过NT链接（1∶N）方式读出并显示，每台TP可以分别向PLC传送数据或从PLC接收数据，并且它们可以有独立的画面显示。这种方式提供了PLC与多台TP的快速通信，每一种通信方式都需要根据所连接PLC的运行条件进行设置。工业机器人现场总线技术认知NT631/NT631C与PLC的连接方法2欧姆龙公司生产的PLC类型很多，各种机型所带的通信接口类型不尽相同，主要有RS-232C、RS-485、RS-422A等。NT631/NT631C有串口A和串口B两组通信接口。串口A仅用于RS-232C的通信连接，此接口可支持工具和条形码阅读器。串口B有连接器接口和终端块接口两个接口，连接器接口仅用于RS-232C的通信连接，但不支持工具和条形码阅读器；终端块接口仅用于RS-485或RS-422A的通信连接，且连接器接口和终端块接口不能同时使用。由于TP与PLC的接口形式不同，所以它们连接时就会出现不同的情况。工业机器人现场总线技术认知（1）TP和PLC之间可通过RS-232C接口连接，连接方法如下图所示。通过RS-232C电缆直接连接TP和PLC的RS-232C接口，是最简单的连接方法。RS-232C接口的连接方法（2）TP的RS-485或RS-422A接口和PLC的RS-485或RS-422A接口的连接方法有以下四种。①通过RS-485电缆直接连接TP和PLC的RS-485接口，如下图所示。此时，电缆长度最大为500m。RS-485接口的连接方法工业机器人现场总线技术认知②通过RS-422A电缆直接连接TP和PLC的RS-422A接口。此时，电缆长度最大为500m。③多台TP的RS-485接口与PLC的RS-485接口通过RS-485电缆以1∶N链接方式连接。这种方法适用于RS-485型NT链接（1∶N）方式。RS-422A接口的连接方法RS-485接口的1∶N连接方法工业机器人现场总线技术认知④多台TP的RS-422A接口与PLC的RS-422A接口通过RS-422A电缆以1∶N链接方式连接。这种方法适用于RS-422A型NT链接（1∶N）方式。RS-422A接口的1∶N连接方法工业机器人现场总线技术认知（3）TP的RS-485或RS-422A接口和PLC的RS-232C接口的连接方法有以下四种。①TP的RS-485接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元NT-AL001以1∶1链接方式连接。TP的RS-485接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元连接②TP的RS-422A接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元NT-AL001以1∶1链接方式连接。TP的RS-422A接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元连接工业机器人现场总线技术认知③多台TP的RS-485接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元NT-AL001以1∶N链接方式连接。这种方法适用于RS-485型NT链接（1∶N）方式。④多台TP的RS-422A接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元NT-AL001以1∶N链接方式连接。这种方法适用于RS-422A型NT链接（1∶N）方式。多台TP的RS-485接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元连接多台TP的RS-422A接口和PLC的RS-232C接口通过转换单元连接工业机器人现场总线技术认知（二）触摸屏控制工业机器人运行的组态方法组态是指用户通过类似于“搭积木”的简单方式来满足自己需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，有时也称为二次开发。组态软件又称组态监控软件或系统软件，是指一些具有数据采集与过程控制功能的专用软件。组态软件本身不是监控系统，它只是将监控系统中通用的内容封装起来，以直观的方式提供给用户，使用户通过组态软件可以轻松地实现系统监控功能。因此，组态软件本身是一个半成品。工业机器人现场总线技术认知组态软件的使用环境1组态软件的使用环境包括系统开发环境和系统运行环境。01系统开发环境：是自动化设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下自动生成应用程序所必须依赖的工作环境，由若干个组态程序组成，如图形界面开发程序、实时数据库系统组态程序等。系统开发环境通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，以供系统运行环境下使用。02系统运行环境：由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库系统运行程序等。在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。组态软件支持在线组态，即在不退出系统运行环境的情况下，可以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。工业机器人现场总线技术认知组态软件的组件2组态软件必备的典型组件包括应用程序管理器、图形界面开发程序、图形界面运行程序、实时数据库系统组态程序、实时数据库系统运行程序、I/O驱动程序等。01应用程序管理器：是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用功能的专用管理工具。02图形界面开发程序：是自动化设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑器工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发程序。图形界面开发程序通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，以供系统运行环境下使用。03图形界面运行程序：在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。工业机器人现场总线技术认知04实时数据库系统组态程序：是建立实时数据库的组态工具，它可定义实时数据库的结构、数据来源、数据链接、数据处理任务及各种相关参数。有些组态软件只在系统开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前较为先进的组态软件都有独立的实时数据库系统组态程序，以提高系统的实时性，并增强系统的处理能力。05实时数据库系统运行程序：在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统和运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算与数据处理任务。06I/O驱动程序：用于同I/O设备通信并互相交换数据，是组态软件中必不可少的组成部分。DDE和OPCclient是两个标准的I/O驱动程序，用来支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通信。在多数组态软件中，DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPCclient则单独存在。工业机器人现场总线技术认知组态软件的基本功能3目前市场上的组态软件主要分为工控硬件厂家提供的配套组态软件和专业工控软件厂家推出的组态软件两大类。由于工控硬件厂家不是专业的组态软件生产商，因此其提供的配套组态软件存在一定的局限性，如对设备硬件接口的支持程度有限、功能不完善，软件开发环境相对封闭，灵活性较差等。专业工控软件厂家推出的组态软件能够支持大多数知名品牌的设备，而且开发工具完善、功能丰富。国内中文组态软件主要有MCGS组态王和力控等。具有类似资源浏览器的窗口结构。能对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面、控制流程等）进行配置和编辑。使用脚本语言提供二次开发功能。提供多种数据设备驱动程序。工业机器人现场总线技术认知利用组态软件组建新工程4利用组态软件组建新工程的一般流程如下。01工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中设备的数据采集和传输通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量应与设备连接，哪些变量用于软件内部的数据传输与动画显示。02工程立项及搭建框架：包括定义工程名称、封面窗口名称、启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库及其名称，设定动画刷新的周期等。通过这些操作，建立主要由这五部分组成的工程结构框架。工业机器人现场总线技术认知03设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态和工作流程进行有效的调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单一般分两步进行，第一步是搭建菜单的框架，第二步是对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加和删除，以不断完善工程的菜单。04制作动画显示画面：分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。静态图形设计是指用户通过组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内组合成各种复杂的画面；动态属性设置是指设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的链接关系，从而作为动画图形的驱动源。05编制控制流程：在运行策略窗口内，从策略构件箱中选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（又称策略块），通过这些模块实现各种人机交互操作。组态软件还为用户提供了编程用的功能构件（即脚本程序功能构件），使用简单的编程语言即可编写控制程序。工业机器人现场总线技术认知06完善菜单功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能进行组态，实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表的输出功能，实现报警功能，建立工程安全机制等。07程序调试：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。08连接设备：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的处理方式，完成设备属性的设置。09工程完工综合测试：测试新工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，并实施工程交接。工业机器人现场总线技术认知思政讲堂蒋新松：中国机器人之父蒋新松，中共党员，1931年8月出生，江苏江阴人，中国科学院沈阳自动化研究所原所长、研究员、博士生导师；“863计划”自动化领域首席科学家、中国工程院院士，被誉为“中国机器人之父”，1997年3月去世。他曾荣获全国五一劳动奖章，1996年获中国工程院首届工程科技奖。蒋新松牵头创建了国家机器人技术研究开发工程中心和中科院机器人学开放实验室，为我国机器人学研究及机器人技术工程化建立了基地。他主持完成的鞍钢冷轧厂1200轧机准停控制、系统负荷张力系统、自适应厚度控制系统，获得全国科学大会成果奖，中国科学院重大成果奖。他参加了“863计划”的制定，连续四届担任自动化领域首席科学家。工业机器人现场总线技术认知思政讲堂蒋新松：中国机器人之父1977年，蒋新松在中科院自然科学规划大会上提出了发展机器人和人工智能