工业机器人电力载波群控通信的设计

杨帅 王子辰 鲁绍函

摘  要：针对企业自动化改造过程中利用工业机器人与企业原有设备互联互通需要重新布线的问题，设计了一种工业机器人电力载波群控通信方案。该方案采用PL3120双频电力载波技术，利用双频二进制相移键控调制手段，实现了工业机器人与外围设备之间的相互通信与控制。工业机器人采用IO通信模式，利用电平转换实现与电力载波节点控制器匹配通信。本设计为电力载波技术在工厂车间这种谐波噪音干扰严重环境下的应用推广提供有效解决方案，具有重要的应用价值。

关键词：工业机器人;电力载波;群控通信

中图分类号：TP273 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）18-0019-03

Abstract： In order to solve the problem that the interconnection between the industrial robot and the original equipment of the enterprise needs to be rewired in the process of enterprise automation transformation， a power carrier group control communication scheme of industrial robot is designed. The scheme adopts PL3120 dual-frequency power carrier technology and dual-frequency binary phase shift keying modulation to realize the communication and control between industrial robot and peripheral equipment. The industrial robot adopts the IO communication mode and uses the level conversion to realize the matching communication with the power carrier node controller. This design provides an effective solution for the application and popularization of power carrier technology in the environment of serious harmonic noise interference in factory workshop， and has important application value.

Keywords： industrial robot; power carrier; group control communication

1 概述

工業机器人作为高端自动化载体，必须与外界进行集成交互，实现群控通信，这样才能发挥出其强大的协调作业功能，独立的机器人本体应用价值不高。工业机器人的群控通信主要包括与其它机器人的多机协作、与外围控制器进行信息交换、采集传感器信号、驱动执行器等方面，主要依靠RS232、Profibus、EtherNet、标准IO等通信方式，这些全部需要配备专用的通讯电缆。目前国内很多企业引进工业机器人出于自动化升级目的[1]，都是在原有的车间和设备基础上进行改造，但是此类企业往往车间和设备布局已经定型，实现工业机器人与企业原有设备互联互通利用常规的通信媒介需要毁坏原有的基建工程才能铺设线缆，工程施工量大，既费时又费力，改造停工时间长，企业改造难度和成本显著增加。为了解决这一企业难题，提出了利用电力载波技术实现工业机器人与周边设备相互通信。

2 工业机器人通信接口

工业机器人提供丰富的IO通信接口方式与周边的外围设备进行集成交互，工业机器人的通信方式直接决定工业机器人能否集成到系统中以及能否支持复杂控制。以ABB工业机器人为例，机器人支持的通信方式有IO通信、总线通信、网络通信等。IO通信是工业机器人最常见的通信模式，最常见的有8路IO，或者16路IO以及模拟量0V和24V。在较复杂的IO应用中使用cross-function实现数个IO信号逻辑关系的绑定，也可将数个单独的IO信号合并为组用于传输较为复杂的信号[2]。当工业机器人与外设之间传递的信息数量和复杂度很大时，最优的选择是总线通信和网络通信，采用何种总线取决于系统中除机器人系统之外的设备能够支持的通信方式。如果PLC支持profinet总线，则PLC和机器人之间的系统交互易采用profinet总线。工业机器人网络通信包括Socket、PC SDK、RMQ、RWS等，Socket是基于TCP/IP的通信方式，能够以字符串的形式发送各种数据。PC SDK提供工业机器人的远程通信和控制的接口。RMQ用于机器人不同任务之间的通信，分为中断模式和同步模式。中断模式下工业机器人响应中断后实时对信息进行处理。同步模式下工业机器人只在执行读取指令时才对信息进行处理。RWS基于HTTP实现跨平台应用，通过IE读取机器人的信息。

3 双频电力载波技术

电力线载波通信是以电力网作为通信信道的一种有线通信方式，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传输的特性。基于PL3120双频电力载波技术是目前一个非常完善的电力通信传输方案，采用双频BPSK（二进制相移键控调制）手段，根据电力线的噪声动态调整灵敏度，自动消除脉冲噪声，能够自适应畸变纠正，校正失真信号。根据电网环境自动启用电力载波双载频工作方式，当第一载波频率由于噪声而阻塞时，会自动切换到第二载波频率，双频带宽要避免由于谐波而导致两个频率同时被阻塞的发生，即使在严重噪声干扰的情况下载波数据仍可靠传输[3-4]。通过自学习报文路由算法实现电力载波节点中继角色，实现无需额外增加中继设备就能自动中继，延长和扩大电力载波传输的距离和范围。该技术利用三个能够相互沟通的微处理器分别处理电力载波通信过程中介质访问、网络通信和应用处理任务，基于OSI模型的标准化LonTalk通信协议凭借专有的双频载波手段有效提高电力载波通信的质量，同时结合丰富的接口电路和智能路由算法有效降低电力载波设备开发难度，节约设备的开发成本。

4 工业机器人电力载波群控通信设计

利用常用的IO通信模式实现工业机器人电力载波群控通信原理图如图1所示，工业机器人利用基于PL3120双频电力载波技术的节点控制器实现工业机器人互联互通。电力载波节点控制器将一个Neuron处理器核心和一个电力线收发器集成在一起，控制器中以PL3120为核心的中央处理单元结构原理框图如图2所示，11个通用I/O端口可以被配置成I2C、Neurowire、红外线、磁卡、边沿记录等34种输入/输出对象，使之能够适用于多种应用场合。PL3120内部的A/D转换器对电力线上的载波信号进行模数转换，以数字信号处理器DSP为核心，一是对A/D转换器处理后的数字信号进行算法处理，二是将经过算法处理的数字信号通过D/A转换器进行数模转换，通过放大电路进行功率放大后送到耦合电路上进行电力载波传输。

电力载波节点控制器IO管脚出信号电平是CMOS 电平，而ABB工业机器人IO管脚的工作电压是24V，因此工业机器人IO管脚与电力载波节点控制器IO管脚之间需要电平转换，可以采用74LS07或三极管等器件实现，原理如图3所示。

ABB机器人的标准IO板接口使用直流电压电流，其输入的公共端是0V，输出的公共端是24V，因此要输入输出接线都形成一个回路，实现工业机器人电力载波群控通信首先要对机器人IO信号板进行参数配置：首先配置IO信号板模块单元，设定模块单元的名称、类型、总线和地址，其次配置IO信号，设定信号名称、类型、占用的模块单元和地址，建立对应IO信号之后，重启信号生效。电力载波节点控制器软件编写采用Neuron C，它在标准C的基础上进行了自然扩展，直接支持PL3120的固化软件，并删除了标准C中一些不需要的功能，如某些标准的C函数库，并为载波通信环境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数，它提供了内部类型的檢查，是一个开发载波通信应用的强有力的工具。节点的应用程序包括调度程序、定时器、I/O对象和网络变量。调度程序负责芯片的任务调度，而定时器用来干涉任务的调度，I/O对象实现神经芯片和外设之间的数据传送[5]。程序运行采用事件触发方式，当给定的一个条件为真时，与该条件相关联的一段程序代码将被执行，程序中的事件通常是I/O对象的改变、网络变量的改变、定时器的终止等。

5 结束语

本设计为电力载波技术在工厂车间这种谐波噪音干扰严重环境下的应用推广提供有效解决方案，降低了企业车间利用工业机器人实施自动化改造的工程施工量，简化了改造方案，节省了成本，有效提升企业通过工业机器人升级自动化的积极性，促进了工业机器人在中小型企业的应用。

参考文献：

[1]杨帅，孙炳孝，薛岚，等.劳动力成本上升视阈下工业机器人对劳动密集型企业发展的影响[J].科技经济导刊，2018，26（30）：13-14.

[2]杨帅.一种新型油气悬挂系统关键工装的设计[J].机床与液压，2018，46（20）：40-43.

[3]杨帅，薛岚.船舶电力线载波通信传输信号去噪方案设计研究[J].舰船科学技术，2019，41（2）：172-174.

[4]薛岚，杨帅，孙炳孝.配电网电力载波通信关键技术的研究[J].科技创新与应用，2018（11）：140-141.

[5]杨帅，张现征，王兴龙，等.机器人信号传输方法的研究[J].科技创新与应用，2019（2）：166-167.