智能制造中S7-1200 Modbus/TCP與工業(yè)機(jī)器人通信應(yīng)用

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 翟秀麗 孫錫保

制造業(yè)正加快向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變，智能制造對制造業(yè)競爭力的影響越來越大。PLC和工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能制造的最底層設(shè)計(jì)，兩者數(shù)據(jù)交換和控制特別重要，涉及到智能加工系統(tǒng)動(dòng)作的協(xié)調(diào)一致性，務(wù)必保證所有動(dòng)作同步和信息的實(shí)時(shí)傳輸交換。本文基于智能制造生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用上，研究了通過Modbus/TCP通信設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了PLC對工業(yè)機(jī)器人在智能制造中應(yīng)用控制。

智能制造切削加工單元采用西門子S7-1200系列PLC作為系統(tǒng)的中央控制器，型號CPU1215C，用于編程、HMI通訊以及設(shè)備間的通訊，通過電氣連接與數(shù)控車床、加工中心和立體倉庫實(shí)現(xiàn)控制。PLC作為底層設(shè)備的總控制器，它接收上位機(jī)的調(diào)度命令并進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，然后將對應(yīng)的指令發(fā)送給底層執(zhí)行設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人作為底層執(zhí)行設(shè)備，接收PLC發(fā)來的運(yùn)行指令，執(zhí)行相應(yīng)的示教任務(wù)，并將自身的運(yùn)行狀態(tài)信息返回至PLC，由PLC進(jìn)行處理，以保證系統(tǒng)流程的正常運(yùn)行。

1 PLC和工業(yè)機(jī)器人的調(diào)用交換數(shù)據(jù)

（1）機(jī)器人執(zhí)行的工作

①工件出庫和入庫；②數(shù)控車床上下料；③加工中心上下料。

實(shí)現(xiàn)以上功能的機(jī)器人子程序如表1所示。

表1 機(jī)器人運(yùn)行子程序

（2）PLC發(fā)送至ROBOT

為了實(shí)現(xiàn)表1所示各指令及信息的交互，PLC發(fā)送給機(jī)器人的關(guān)鍵數(shù)據(jù)有：

①機(jī)器人控制字：“通信全局?jǐn)?shù)據(jù)塊”.“PLC-R寫”[1]；②機(jī)器人命令號：“通信全局?jǐn)?shù)據(jù)塊”.“PLC-R寫”[2]。

還包括物料倉位信息，工件類型，機(jī)床卡盤和門的狀態(tài)等。

（3）ROBOT發(fā)送至PLC

機(jī)器人反饋給PLC的重要信息，機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)字：“通信全局?jǐn)?shù)據(jù)塊·PLC-R讀”[1]，100為空閑，200為忙碌，用于對各指令的響應(yīng)和系統(tǒng)狀態(tài)信息的反饋，還包括機(jī)器人自身的運(yùn)行狀態(tài)信息，如各軸角度、笛卡爾空間坐標(biāo)、工作模式及運(yùn)行速度等。

2 PLC程序設(shè)計(jì)

2.1 建立通信全局?jǐn)?shù)據(jù)塊

以數(shù)組的形式建立16個(gè)寫地址和16個(gè)讀地址，用于PLC數(shù)據(jù)對ROBOT數(shù)據(jù)的寫和讀操作暫存，以及1個(gè)便捷的PLC給Robot命令，數(shù)據(jù)類型為Int型。

2.2 Modbus/TCP的PLC客戶端配置

設(shè)置REQ：與Modbus TCP服務(wù)器之間的通信請求，DISCONNECT：與Modbus服務(wù)器建立和終止連接。

設(shè)置客戶端的CONNECT_ID為1、機(jī)器人IP地址為192.168.8.103以及IP端口號（默認(rèn)值：502），選擇請求模式（0讀取、1寫入或診斷）。

設(shè)置MB_MODE模式為寫或者讀，MB_DATA_PTR PLC客戶端數(shù)據(jù)保存的寫或讀首地址、DATA_LEN數(shù)據(jù)長度以及服務(wù)端的數(shù)據(jù)首地址MB_DATA_ADDR寫為40001（讀為40017）。

注意修改背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)MB_UNIT_ID為1（與CONNECT_ID對應(yīng)）。

2.3 設(shè)計(jì)PLC控制機(jī)器人控制程序

設(shè)計(jì)PLC梯形圖程序如圖1所示，當(dāng)機(jī)器人處于空閑時(shí)并且條件M10.0滿足，將PLC給Robot命令號數(shù)據(jù)傳送給PLC-R寫2#通道數(shù)據(jù)，機(jī)器人處于忙碌時(shí)，將PLC-R寫2#通道數(shù)據(jù)清零，其中：機(jī)器人控制字?jǐn)?shù)據(jù)和機(jī)器人命令號數(shù)據(jù)通過觸摸屏設(shè)置。

圖1 PLC程序

3 組態(tài)TP-700觸摸屏畫面

設(shè)計(jì)HMI人機(jī)界面如圖2所示，HMI做為上位機(jī)完成PLC控制機(jī)器人命令下達(dá)，機(jī)器人回安全點(diǎn)后顯示運(yùn)行狀態(tài)為100時(shí)等待啟動(dòng)機(jī)器人，在機(jī)器人控制字輸入100和機(jī)器人命令號輸入11、12、21、22、31和32等，然后點(diǎn)擊啟動(dòng)機(jī)器人按鈕，正常情況下機(jī)器人開始執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并且機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)?00表示忙碌時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行完相應(yīng)的動(dòng)作后機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)?00時(shí)，等待下一個(gè)啟動(dòng)命令。

圖2 HMI界面

4 工業(yè)機(jī)器人主程序main

啟動(dòng)工業(yè)機(jī)器人程序：手抓松開、回安全點(diǎn)，給PLC返回當(dāng)前機(jī)器人空閑狀態(tài)數(shù)字100，當(dāng)PLC發(fā)控制運(yùn)行數(shù)字100時(shí)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入條件判斷的重復(fù)循環(huán)過程中，PLC發(fā)命令號后工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)智能制造的動(dòng)作：11-倉庫取料，12-倉庫放料，21-數(shù)控車床取料，22-數(shù)控車床放料，31-加工中心取料，32-加工中心放料。采用江蘇匯博機(jī)器人其參考機(jī)器人主程序如下：

結(jié)束語：通過Modbus/TCP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)直接建立通信，設(shè)置簡單，傳輸數(shù)據(jù)量大，信號傳輸穩(wěn)定，完全可以實(shí)現(xiàn)PLC對工業(yè)機(jī)器人在智能制造中進(jìn)行自動(dòng)上下料，極大的提高機(jī)床工件的裝夾效率，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”工作。