工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：針對(duì)企業(yè)自動(dòng)化改造過(guò)程中利用工業(yè)機(jī)器人與企業(yè)原有設(shè)備互聯(lián)互通需要重新布線的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信方案。該方案采用PL3120雙頻電力載波技術(shù)，利用雙頻二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制手段，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備之間的相互通信與控制。工業(yè)機(jī)器人采用IO通信模式，利用電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與電力載波節(jié)點(diǎn)控制器匹配通信。本設(shè)計(jì)為電力載波技術(shù)在工廠車間這種諧波噪音干擾嚴(yán)重環(huán)境下的應(yīng)用推廣提供有效解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；電力載波；群控通信

1概述

工業(yè)機(jī)器人作為高端自動(dòng)化載體，必須與外界進(jìn)行集成交互，實(shí)現(xiàn)群控通信，這樣才能發(fā)揮出其強(qiáng)大的協(xié)調(diào)作業(yè)功能，獨(dú)立的機(jī)器人本體應(yīng)用價(jià)值不高。工業(yè)機(jī)器人的群控通信主要包括與其它機(jī)器人的多機(jī)協(xié)作、與外圍控制器進(jìn)行信息交換、采集傳感器信號(hào)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器等方面，主要依靠RS232、Profibus、EtherNet、標(biāo)準(zhǔn)IO等通信方式，這些全部需要配備專用的通訊電纜。目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人出于自動(dòng)化升級(jí)目的[1]，都是在原有的車間和設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，但是此類企業(yè)往往車間和設(shè)備布局已經(jīng)定型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與企業(yè)原有設(shè)備互聯(lián)互通利用常規(guī)的通信媒介需要?dú)脑械幕üこ滩拍茕佋O(shè)線纜，工程施工量大，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，改造停工時(shí)間長(zhǎng)，企業(yè)改造難度和成本顯著增加。為了解決這一企業(yè)難題，提出了利用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備相互通信。

2工業(yè)機(jī)器人通信接口

工業(yè)機(jī)器人提供豐富的IO通信接口方式與周邊的外圍設(shè)備進(jìn)行集成交互，工業(yè)機(jī)器人的通信方式直接決定工業(yè)機(jī)器人能否集成到系統(tǒng)中以及能否支持復(fù)雜控制。以ABB工業(yè)機(jī)器人為例，機(jī)器人支持的通信方式有IO通信、總線通信、網(wǎng)絡(luò)通信等。IO通信是工業(yè)機(jī)器人最常見(jiàn)的通信模式，最常見(jiàn)的有8路IO，或者16路IO以及模擬量0V和24V。在較復(fù)雜的IO應(yīng)用中使用cross-function實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)IO信號(hào)邏輯關(guān)系的綁定，也可將數(shù)個(gè)單獨(dú)的IO信號(hào)合并為組用于傳輸較為復(fù)雜的信號(hào)[2]。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人與外設(shè)之間傳遞的信息數(shù)量和復(fù)雜度很大時(shí)，最優(yōu)的選擇是總線通信和網(wǎng)絡(luò)通信，采用何種總線取決于系統(tǒng)中除機(jī)器人系統(tǒng)之外的設(shè)備能夠支持的通信方式。如果PLC支持profinet總線，則PLC和機(jī)器人之間的系統(tǒng)交互易采用profinet總線。工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)通信包括Socket、PCSDK、RMQ、RWS等，Socket是基于TCP/IP的通信方式，能夠以字符串的形式發(fā)送各種數(shù)據(jù)。PCSDK提供工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信和控制的接口。RMQ用于機(jī)器人不同任務(wù)之間的通信，分為中斷模式和同步模式。中斷模式下工業(yè)機(jī)器人響應(yīng)中斷后實(shí)時(shí)對(duì)信息進(jìn)行處理。同步模式下工業(yè)機(jī)器人只在執(zhí)行讀取指令時(shí)才對(duì)信息進(jìn)行處理。RWS基于HTTP實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用，通過(guò)IE讀取機(jī)器人的信息。

3雙頻電力載波技術(shù)

電力線載波通信是以電力網(wǎng)作為通信信道的一種有線通信方式，具有可變信號(hào)衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦浴；赑L3120雙頻電力載波技術(shù)是目前一個(gè)非常完善的電力通信傳輸方案，采用雙頻BPSK（二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制）手段，根據(jù)電力線的噪聲動(dòng)態(tài)調(diào)整靈敏度，自動(dòng)消除脈沖噪聲，能夠自適應(yīng)畸變糾正，校正失真信號(hào)。根據(jù)電網(wǎng)環(huán)境自動(dòng)啟用電力載波雙載頻工作方式，當(dāng)?shù)谝惠d波頻率由于噪聲而阻塞時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到第二載波頻率，雙頻帶寬要避免由于諧波而導(dǎo)致兩個(gè)頻率同時(shí)被阻塞的發(fā)生，即使在嚴(yán)重噪聲干擾的情況下載波數(shù)據(jù)仍可靠傳輸[3-4]。通過(guò)自學(xué)習(xí)報(bào)文路由算法實(shí)現(xiàn)電力載波節(jié)點(diǎn)中繼角色，實(shí)現(xiàn)無(wú)需額外增加中繼設(shè)備就能自動(dòng)中繼，延長(zhǎng)和擴(kuò)大電力載波傳輸?shù)木嚯x和范圍。該技術(shù)利用三個(gè)能夠相互溝通的微處理器分別處理電力載波通信過(guò)程中介質(zhì)訪問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用處理任務(wù)，基于OSI模型的標(biāo)準(zhǔn)化LonTalk通信協(xié)議憑借專有的雙頻載波手段有效提高電力載波通信的質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合豐富的接口電路和智能路由算法有效降低電力載波設(shè)備開(kāi)發(fā)難度，節(jié)約設(shè)備的開(kāi)發(fā)成本。

4工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信設(shè)計(jì)

利用常用的IO通信模式實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信原理圖如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人利用基于PL3120雙頻電力載波技術(shù)的節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人互聯(lián)互通。電力載波節(jié)點(diǎn)控制器將一個(gè)Neuron處理器核心和一個(gè)電力線收發(fā)器集成在一起，控制器中以PL3120為核心的中央處理單元結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，11個(gè)通用I/O端口可以被配置成I2C、Neu－rowire、紅外線、磁卡、邊沿記錄等34種輸入/輸出對(duì)象，使之能夠適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。PL3120內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電力線上的載波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，一是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法處理，二是將經(jīng)過(guò)算法處理的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過(guò)放大電路進(jìn)行功率放大后送到耦合電路上進(jìn)行電力載波傳輸。電力載波節(jié)點(diǎn)控制器IO管腳出信號(hào)電平是CMOS電平，而ABB工業(yè)機(jī)器人IO管腳的工作電壓是24V，因此工業(yè)機(jī)器人IO管腳與電力載波節(jié)點(diǎn)控制器IO管腳之間需要電平轉(zhuǎn)換，可以采用74LS07或三極管等器件實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。ABB機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)IO板接口使用直流電壓電流，其輸入的公共端是0V，輸出的公共端是24V，因此要輸入輸出接線都形成一個(gè)回路，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人電力載波群控通信首先要對(duì)機(jī)器人IO信號(hào)板進(jìn)行參數(shù)配置：首先配置IO信號(hào)板模塊單元，設(shè)定模塊單元的名稱、類型、總線和地址，其次配置IO信號(hào)，設(shè)定信號(hào)名稱、類型、占用的模塊單元和地址，建立對(duì)應(yīng)IO信號(hào)之后，重啟信號(hào)生效。電力載波節(jié)點(diǎn)控制器軟件編寫采用NeuronC，它在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，直接支持PL3120的固化軟件，并刪除了標(biāo)準(zhǔn)C中一些不需要的功能，如某些標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)庫(kù)，并為載波通信環(huán)境提供了特定的對(duì)象集合及訪問(wèn)這些對(duì)象的內(nèi)部函數(shù)，它提供了內(nèi)部類型的檢查，是一個(gè)開(kāi)發(fā)載波通信應(yīng)用的強(qiáng)有力的工具。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序包括調(diào)度程序、定時(shí)器、I/O對(duì)象和網(wǎng)絡(luò)變量。調(diào)度程序負(fù)責(zé)芯片的任務(wù)調(diào)度，而定時(shí)器用來(lái)干涉任務(wù)的調(diào)度，I/O對(duì)象實(shí)現(xiàn)神經(jīng)芯片和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送[5]。程序運(yùn)行采用事件觸發(fā)方式，當(dāng)給定的一個(gè)條件為真時(shí)，與該條件相關(guān)聯(lián)的一段程序代碼將被執(zhí)行，程序中的事件通常是I/O對(duì)象的改變、網(wǎng)絡(luò)變量的改變、定時(shí)器的終止等。

5結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為電力載波技術(shù)在工廠車間這種諧波噪音干擾嚴(yán)重環(huán)境下的應(yīng)用推廣提供有效解決方案，降低了企業(yè)車間利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)施自動(dòng)化改造的工程施工量，簡(jiǎn)化了改造方案，節(jié)省了成本，有效提升企業(yè)通過(guò)工業(yè)機(jī)器人升級(jí)自動(dòng)化的積極性，促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人在中小型企業(yè)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者：楊帥 王子辰 魯紹函 單位：淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院