對基于實時以太網的機器人通信總線控制系統研究

陳文駿 王寧

摘要：近年來科學技術不斷進步，機器人被應用于各個行業，深刻影響了人們的生活，基于此，本文研究基于實時以太網的機器人通信總線控制系統相關內容，分析實時以太網控制與通信同步的實現，討論控制系統的方案設計，思考網絡誘導時延預測的實現，希望本文的觀點能為關注此話題的研究者提供參考意見。

關鍵詞：以太網;控制系統;時延預測

引言：使用Somachine軟件平臺開發程序，其標準的開發環境以IEC6為基礎，具備完整的現場組態工具，不僅結構水平高，而且有非常強大的功能。可應用的語言形式有六種，為程序設計提供了極大的便利性，有更高的智能水平。應當以設備的控制要求和硬件限制為依據，完成混合編程的工作，這一過程會用到多種語言形式。

一、實時以太網控制與通信的同步

處于網絡中的設備通信宏周期由兩部分構成，分別是通信時間片以及控制時間片。通信宏周期中有一部分為周期報文時間片，其余的部分即為控制時間片。處于通信時間片中的設備以確定性的通信時間調度執行周期性的報文傳輸任務，也就是通信任務，位于控制時間片中的設備會執行EPA通信所需要的所有的功能模塊，屬于控制性任務。在通信時間片中按照確定性的通信調度執行周期性的報文傳輸任務，則屬于通信任務。完成EPA的通信功能需要在控制時間片中完成，這屬于一種控制型任務。在循環往復中就能到達通信時間片和控制時間片，各自完成通信任務和控制任務。在通信宏周期中，所有的功能模塊都只能單次執行，這是為了避免功能模塊的無效執行[1]。從設備的角度而言，EPA-CCS的方法能保證在控制時間片內單次執行，從而有效解決通信模塊在通信宏周期中的無效執行，同時也能有效解決運行效率低的問題。就控制回路而言，這種方法使回路上所有的設備都能在通信宏周期中實現周期同步。

二、控制系統的方案設計

（一）系統組成

所設計的方案共有10個移動旋轉副，其中共有7個移動旋轉副，需要相應執行機構的支持才能實現精準運行。這其中一共設置了7個伺服的電機，在另外3個運動副上，要保證執行機構能在行程的起點和終點上確保機構的形態，則需要配置3個氣缸來實現這一目標。機器人在執行某些功能的過程中，需要水作為其中的介質，要保證能精準控制水的流量，應用蠕動泵就能實現這一目標，系統的組成包括上位機、PLC、伺服驅動器、伺服電機、蠕動泵和氣缸。所選用的控制器是施耐德M241 PLC，該組成配備了開關量IO模塊，使得控制系統的供能得以實現。工業計算機與PLC實現通信，運用的是工業以太網的形式。

（二）協議形式

選用Modbus TCP協議的形式，促進應用層更好實現功能，工業以太網的傳輸速率為100Mb/s，這能保證Modbus TCP協議的運行更為穩定。PLC與各個伺服驅動器在進行信號傳輸的工作時，會屏蔽雙絞線，鏈接方式為梅花型，CAN總線運用的是優先仲裁機制，這對并行控制是有利的，使得機器人的聯動功能得以實現，傳輸速率為1MB/s。與傳統的RS485總線通信相比較，傳輸速率提高了近100倍，這一標準完全能夠實現對伺服電機的實時控制。布線時，要主要將120Ω的電阻放置在CAN總線兩端，起到匹配阻抗的作用，增強通信功能的穩定性。將EIA-RS485物理層設置在蠕動泵和PLC通信中，連接時同樣會屏蔽雙絞線，由蠕動泵自帶的通信協議構成協議層。

（三）程序控制

就程序控制而言，上位機構成了整個系統的控制核心，能實現的供能有接收和傳輸數據、設定和發出控制參數、設定設備的動態參數、顯示設備的實時狀態。使用PLC設備編寫程序，以實現對伺服電機和輔助設備的控制，這其中涉及到了不同電機的運行模式以及并行運動的模式。驅動裝置會受到上位機和PLC的協同控制，設備表現出了不同的特征，通過PLC各個主體程序都能完成循環掃描，在上位機程序中沒有實體的控制程序，只是設定參數并控制開關量。

三、網絡誘導時延預測

實時以太網的網絡誘導時延的值變化范圍比較小，而且時延值也比較小，總的網絡幼時延值為控制器的網絡時延和從控制器到執行機構網絡時延的和。實時以太網誘導時延值非常小，在網絡吞吐量不大的情況下，可將控制器的網絡時延看作是一個變化范圍比較小的可測量的值，而在吞吐量的值增加到一定大小時，網絡誘導時延就會出現急劇增大的情況。控制器實現相關的功能主要是依靠相應數學模型所發揮的作用，控制器所能起到的控制效果與網絡延時參數有直接聯系。就目前時刻的傳感器而言，可運用時間戳的方式來測得準確的控制器網絡延時，但是卻不能在發出控制量之前測得該指標，只能通過預測的方法得到一個預估值，需要把總的網絡誘導時延合并成一個參數。在當前時刻之前會產生一個網絡誘導時延序列，以此為依據來估計目前網絡時延的值，運用最小二乘向量機的方法來完成。采用時間戳的方法會得到目前時刻以前的網絡時延觀測值，把這些數據排列成時間序列，在時間序列的觀測值中，網絡延遲值和之前所觀測的網絡延遲值序列具有非線性的映射關系。

四、PLC程序

控制伺服電機是一個比較復雜的步驟，有很高的實時性要求，需用到結構化的語言。在自由口的作用下，水泵才能實現通信。所選擇的模塊是比較直觀的CFC流程圖編程。使用電磁閥來控制氣缸，編程會用到梯形圖，從而實現通電和斷電之間的轉換。在CAN的總線中，有對OSI網絡模型的定義，同時體現在第一層和第二層中。實現完整的通信還需要用到一個高層協議，也就是CANOpen協議，該協議在發布不久后，就得到了廣泛認可。現如今，該協議在CAN的總線系統中處于領導地位，對象字典是該設備的核心概念[2]。借助于對象字典，能夠有效訪問伺服驅動器中的所有參數，同時在伺服驅動器中也對相關的功能都有定義。除此之外，CAN總線還具備較為完備的錯誤處理機制，如果數據發送之后，未能接收正確的應答位，硬件就會重新發送該數據，這使得數據傳輸的有效性明顯增強。

CANOpen的通訊方式有兩種，一種是過程數據對象，還有一種是網絡管理。就過程數據對象而言，特點是通信速度快，而且有很高的實時性。在網絡管理通信中，主機能實現對節點狀態的有效控制，開始執行主程序需要用到網絡管理的通信形式，以實現對各個節點的有效配置，起到輸出控制的作用。對運行中的電機實時控制，采用網絡管理的形式編寫電機在運轉時的程序，從站會發送心跳報文，報文描述設備的運行狀態，為開展監管工作提供便利條件。

總結：綜上所述，將以太網作為通信和伺服控制總線，實現機器人系統的建構，所表現出的優勢是時延短，有較強的擴展性，同時還能實現實時性的分布式控制。研究網絡誘導時延對機器人總線控制系統的影響，有效控制和校正PID網絡控制方法。

參考文獻：

[1]王琳，李星鑫.基于PROFIBUS-DP總線下的自動化設備系統集成[J].自動化應用，2019（03）：11-13.

[2]王亞峰，陳昊，任杰夫.基于CAN的分布式機器人控制系統設計[J].電子設計工程，2017，25（14）：148-151.

作者簡介：陳文駿（1990-），男，江蘇省南京市，漢，在職研究生，研究方向：汽車制造與新能源制造

第二作者：王寧，單位：同濟大學