基于EtherNet/IP 協(xié)議的交互式機(jī)器人控制系統(tǒng)

林松 徐凱

（深圳市越疆科技股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

Ethernet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中IP 為Industrial Protocol（工業(yè)協(xié)議）的英文首字母縮寫，可將通用工業(yè)協(xié)議（Common Industrial Protocol ，CIP）適配到標(biāo)準(zhǔn)EtherNet（一種局域網(wǎng)技術(shù)）。EtherNet/IP 使用以太網(wǎng)的物理層網(wǎng)絡(luò)，也架構(gòu)在TCP/IP（是Internet 上最常用的協(xié)議，TCP/IP 分別是Transmission Control Protocol（傳輸控制協(xié)議）和 Internet Protocol（因特網(wǎng)協(xié)議）的英文首字母縮寫）的通訊協(xié)議上，用微處理器上的軟件即可實(shí)現(xiàn)，不需專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）。EtherNet/IP 可以用在一些可容許偶爾出現(xiàn)少量非決定性的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)[1]。

工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有大量使用PLC 控制的場(chǎng)景，EtherNet/IP 是基于EtherNet 的通訊協(xié)議，目前世面上的工控機(jī)以太網(wǎng)口是基本標(biāo)配，廣泛的硬件支持可以更便捷地基于EtherNet/IP 通信。EtherNet 設(shè)備應(yīng)用廣泛及其和PLC 都具有功能多、支持協(xié)議多的優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)器人廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景；通訊方式具有的便攜性和易用性，同時(shí)可以兼容已有工業(yè)場(chǎng)景下的工藝，減少現(xiàn)場(chǎng)電氣工程師、生產(chǎn)工程師、工藝工程師等人員的學(xué)習(xí)培訓(xùn)成本。

1 EtherNet/IP 協(xié)議

1.1 EtherNet/IP 協(xié)議及其在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

在機(jī)器人領(lǐng)域，EtherNet/IP 通常用于機(jī)器人控制和通信。如圖1所示為EtherNet/IP協(xié)議與機(jī)器人的實(shí)體框圖。

圖1 EtherNet/IP 協(xié)議與機(jī)器人的實(shí)體框圖

在機(jī)器人控制方面，EtherNet/IP 可以用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器和外部設(shè)備（如PLC、傳感器、人機(jī)界面等）之間的通信。通過EtherNet/IP，機(jī)器人控制器可以向外部設(shè)備發(fā)送指令，接收傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化控制。同時(shí)，EtherNet/IP 還支持多個(gè)控制器之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)同工作的控制。

在通信方面，EtherNet/IP 采用了開放式標(biāo)準(zhǔn)，可以與其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議相兼容。這使得機(jī)器人系統(tǒng)可以與其他設(shè)備進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)流程。例如，機(jī)器人可以與傳輸線、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）等進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的生產(chǎn)線。

總之，EtherNet/IP 協(xié)議在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制和通信等多種功能，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)流程和更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1.2 EtherNetIP 協(xié)議整體模塊框圖

基于EtherNet/IP 協(xié)議的交互機(jī)器人控制系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有機(jī)器人無法通過廣泛的PLC 程序?qū)ζ淇刂频膯栴}。圖2 所示為 EtherNet/IP 協(xié)議與機(jī)器人的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)包括以太網(wǎng)通信模塊、控制柜控制模塊、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊。

圖2 EtherNet/IP 協(xié)議與機(jī)器人的系統(tǒng)框圖

其中以太網(wǎng)通信模塊與控制柜控制模塊連接，外部PLC 通過以太網(wǎng)通信模塊與控制柜交互。由以太網(wǎng)硬件為主要設(shè)備，外部通過RJ45（一種網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)，用于以太網(wǎng)局域網(wǎng)中的物理連接）接口的通訊線，實(shí)現(xiàn)控制柜控制模塊和外部PLC 的通信交互，以太網(wǎng)通訊模塊承擔(dān)主要信息的接收和傳輸。

1.3 機(jī)器人控制柜控制模塊框圖

在EtherNet/IP 協(xié)議與機(jī)器人的系統(tǒng)框圖中控制柜控制模塊主要用于控制機(jī)器人本體，包含EtherNet/IP 協(xié)議通訊模塊、地址功能映射模塊、功能調(diào)用執(zhí)行模塊?？刂乒窨刂颇K的框圖如圖3 所示。

圖3 控制柜控制模塊框圖

1.3.1 EtherNet/IP 協(xié)議通訊模塊

EtherNet/IP 協(xié)議通訊模塊實(shí)現(xiàn)了與PLC 之間的雙向信息接收與發(fā)送功能；PLC 基于該模塊交互通信獲取IO狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)IO 控制、運(yùn)動(dòng)控制等功能，最終將需要的信息打包發(fā)送或接收解析。本文基于以太網(wǎng)協(xié)議的架構(gòu)封裝為EtherNet/IP 協(xié)議，該協(xié)議可以定義傳輸、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈路和物理層的特性和功能。協(xié)議使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式提供實(shí)時(shí)控制應(yīng)用所需的服務(wù)和設(shè)備配置，并促進(jìn)在各種產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)中一致地實(shí)施自動(dòng)化功能。EtherNet/IP 協(xié)議通訊模塊同樣能接收TCP 協(xié)議數(shù)據(jù)。EtherNet/IP 協(xié)議可以利用已經(jīng)存在的其他基于TCP 的協(xié)議來為控制網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)[2]。

1.3.2 地址功能映射模塊

地址功能映射模塊用于將數(shù)據(jù)塊地址預(yù)定義，通過通訊模塊交互的數(shù)據(jù)指定意義，綁定對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)功能。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包含機(jī)器人按鈕信號(hào)、機(jī)器人狀態(tài)、控制模式、負(fù)載參數(shù)、機(jī)器人電壓、數(shù)字輸入輸出、報(bào)警狀態(tài)、關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)電流、關(guān)節(jié)模式、笛卡爾位置、笛卡爾速度等，將這些數(shù)據(jù)定義在數(shù)據(jù)塊地址中，PLC基于該定義獲取信息，在自定義場(chǎng)景下根據(jù)不同信息執(zhí)行自動(dòng)化下的相應(yīng)邏輯控制。

地址功能映射模塊用專用的地址映射文件電子數(shù)據(jù)表格（Electronic Data Sheet, EDS）描述地址功能交互信息和功能調(diào)用執(zhí)行地址映射。PLC 根據(jù)不同型號(hào)機(jī)器人加載指定EDS 文件來通過協(xié)議與機(jī)器人交互。EDS 文件詳細(xì)的定義了機(jī)器人的地址功能，PLC 加載錯(cuò)誤的EDS文件會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤映射功能，可以根據(jù)固定地址獲取機(jī)器人型號(hào)，判斷EDS 文件是否與型號(hào)匹配，防止映射錯(cuò)誤[3]。

1.3.3 功能調(diào)用執(zhí)行模塊

功能調(diào)用執(zhí)行模塊用于執(zhí)行控制機(jī)器人、獲取機(jī)器人狀態(tài)、讀取IO 狀態(tài)以及進(jìn)行IO 控制等功能。該模塊執(zhí)行機(jī)器人本體操作控制，也可以通過通信獲取機(jī)器人本體相關(guān)信息，模塊下可以預(yù)先撰寫自定義腳本邏輯，適用于各種工藝場(chǎng)景，之后通過調(diào)用模塊映射到地址功能映射模塊，用于通信調(diào)用。

1.3.4 機(jī)器人控制通信模塊

機(jī)器人控制通信模塊是主要的通信與控制模塊，通過以太網(wǎng)接口，承載外部PLC 與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊之間的信號(hào)交互，并執(zhí)行機(jī)器人的運(yùn)行。該模塊集成了所有必要的控制和通信功能，充當(dāng)著PLC 和機(jī)器人之間的適配層，實(shí)現(xiàn)PLC 與機(jī)器人之間的無縫連接，使得機(jī)器人能夠準(zhǔn)確執(zhí)行PLC 發(fā)出的指令，并向PLC 傳遞機(jī)器人狀態(tài)和執(zhí)行結(jié)果等信息。

2 EtherNetIP 協(xié)議與機(jī)器人實(shí)施方式

2.1 PLC 實(shí)施流程

如圖4 所示，具有EtherNet/IP 協(xié)議功能的PLC 程序啟用EtherNet/IP 模塊，啟用后配置連接的IP 地址等待PLC 連接從站機(jī)器人；PLC 新建工程，然后加載EDS 文件，設(shè)置自定義統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符 (Uniform Resource Identifier，URI) 和通用機(jī)器人操作員 (Universal Robot Operator，URO)的本地和全局變量，以及用戶定義數(shù)據(jù)類型，在PLC 中設(shè)置允許機(jī)器人和PLC 通訊；之后將URI 和URO定義的變量與加載EDS 文件后出現(xiàn)的機(jī)器人數(shù)據(jù)類型綁定；后續(xù)程序即可通過變量來獲取機(jī)器人狀態(tài)信息，也可以操作機(jī)器人，PLC 梯形圖程序或者結(jié)構(gòu)文本 （Structured Text，ST）語言編程程序都可訪問和操作變量，寫好樣例程序后，下載程序到PLC 中并確認(rèn)IO 狀態(tài)正確，運(yùn)行PLC 程序后即可通過編寫好的樣例程序控制機(jī)器人[4]。

圖4 PLC 流程圖

2.2 控制柜控制模塊啟動(dòng)流程

如圖5所示，控制柜控制模塊啟動(dòng)部分包含以下步驟：

圖5 控制柜控制模塊啟動(dòng)的流程圖

1）使能以太網(wǎng)口，啟動(dòng)以太網(wǎng)硬件，并將硬件接口封裝成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)映射到系統(tǒng)以太網(wǎng)模塊；

2）啟動(dòng)線程初始化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊，使能機(jī)器人伺服控制及相應(yīng)硬件接口，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)日志服務(wù)和文件系統(tǒng)服務(wù)；

3）在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊啟動(dòng)的同時(shí)，綁定使能后的以太網(wǎng)端口，并開啟TCP 和UDP 服務(wù)；

4）控制柜控制模塊啟動(dòng)步驟完成后，初始化EtherNet/IP 協(xié)議服務(wù)，開啟監(jiān)聽線程，接收EtherNet/IP協(xié)議指令，等待外部PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)指令；

5）根據(jù)初始化EtherNet/IP 時(shí)的數(shù)據(jù)大小和類型，將數(shù)據(jù)根據(jù)EDS預(yù)定義的類型，劃分定義類型及其數(shù)據(jù)大??；

6）EtherNet/IP 協(xié)議模塊正確啟動(dòng)完成，將之前劃分好的數(shù)據(jù)與機(jī)器人控制模塊的功能做函數(shù)回調(diào)綁定（綁定的數(shù)據(jù)包含機(jī)器人按鈕信號(hào)、機(jī)器人狀態(tài)、控制模式、負(fù)載參數(shù)、機(jī)器人電壓、數(shù)字輸入輸出、報(bào)警狀態(tài)、關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)電流、關(guān)節(jié)模式、笛卡爾位置、笛卡爾速度以及腳本啟動(dòng)、停止等），回調(diào)綁定后即可通過地址數(shù)據(jù)的變化觸發(fā)相關(guān)功能；

7）地址功能映射模塊完成后等待EtherNet/IP 協(xié)議接收數(shù)據(jù)，PLC 程序根據(jù)運(yùn)行邏輯循環(huán)和系統(tǒng)交互，發(fā)送和接收EtherNet/IP 數(shù)據(jù)包，功能調(diào)用執(zhí)行模塊根據(jù)數(shù)據(jù)變化和指令執(zhí)行綁定回調(diào)功能，地址功能映射模塊通過機(jī)器人控制模塊獲取機(jī)器人狀態(tài)和控制機(jī)器人等，并將數(shù)據(jù)通過EtherNet/IP 協(xié)議傳輸反饋至PLC 控制程序；

8）PLC 程序通過協(xié)議不斷地交互以獲取和控制機(jī)器人，這一過程將持續(xù)到程序執(zhí)行結(jié)束。

2.3 PLC 與機(jī)器人配置與通信

2.3.1 PLC 與機(jī)器人配置

PLC 與機(jī)器人配置步驟如下：

1）在Sysmac Studio（歐姆龍PLC 上位機(jī)軟件）編程軟件中定義好需要進(jìn)行EtherNet/IP 通訊的變量；如圖6所示，在全局變量頁(yè)面中定義兩個(gè)數(shù)組類型的全局變量，分別對(duì)應(yīng)總線地址定義中的輸入與輸出，輸入變量長(zhǎng)度為472 字節(jié)，輸出變量長(zhǎng)度為224 字節(jié)。

圖6 變量添加

2）如圖7 所示，進(jìn)入工具 > EtherNet/IP 連接設(shè)置 >內(nèi)置EtherNet/IP 端口設(shè)置頁(yè)面，右鍵單擊右上角目標(biāo)設(shè)備下方的空白處，選擇顯示EDS 庫(kù)。

圖7 連接設(shè)置

3）如圖8 所示，在內(nèi)置EtherNet/IP 端口設(shè)置界面的右側(cè)空白處，雙擊右側(cè)工具箱下目標(biāo)設(shè)備的空白處鼠標(biāo)右鍵進(jìn)入顯示EDS 庫(kù)，選擇需要安裝的EDS 文件；在EDS 庫(kù)頁(yè)面中單擊安裝，選擇機(jī)器人配套的EDS 文件。

圖8 EDS 文件安裝

4）EDS 文件安裝完成后，關(guān)閉EDS 庫(kù)，單擊右上角工具箱下方的+，配置節(jié)點(diǎn)信息后單擊添加。如圖9 所示，節(jié)點(diǎn)地址即機(jī)器人的IP 地址為192.168.5.1；型號(hào)名稱即EDS 文件對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品名稱為“Dobot CR”；修訂版即EDS 文件的版本號(hào)為4。

圖9 添加對(duì)象操作

5）如圖10 所示，在內(nèi)置Ethernet/IP 端口設(shè)置頁(yè)面中央的標(biāo)簽組區(qū)域內(nèi)通過右鍵菜單分別創(chuàng)建一個(gè)輸入標(biāo)簽組和一個(gè)輸出標(biāo)簽組（名稱自定義），然后分別導(dǎo)入之前在全局變量中定義的輸入。

2.3.2 PLC 和機(jī)器人通信建立

如圖11 所示，切換Sysmac Studio 至在線模式，并將配置與程序傳送到控制器（即下載至PLC）后，PLC便開始與機(jī)器人進(jìn)行EtherNet/IP 通訊，用戶可以通過Sysmac Studio 進(jìn)行監(jiān)控。

圖11 PLC 和CR 機(jī)器EtherNet/IP 通信建立

至此，完成了PLC 的配置，并使其能夠與機(jī)器人通過EtherNet/IP 交換數(shù)據(jù)，達(dá)到控制機(jī)器人的目的。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文提出的基于EtherNet/IP 協(xié)議的交互機(jī)器人控制系統(tǒng)，可以與所有支持EtherNet/IP 協(xié)議的PLC 軟件通信，適配更多用戶使用場(chǎng)景，滿足不同客戶使用及控制需求。EtherNet/IP 協(xié)議基于以太網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)，擁有廣泛的硬件支持，模塊同樣適用于基于TCP 協(xié)議通信控制，能適用更多通信情況，提高了機(jī)器人對(duì)外通訊的靈活性，滿足更多靈活、高效、自定義的生產(chǎn)場(chǎng)景。