西门子PLC与安川机器人Profibus通信实例

李 付

（北京首钢股份有限公司质量检验部，河北 迁安 064404）

1 概 述

工业机器人在实际应用中单机工作较少，更多需要与其他工业机器人或PLC等外部设备组建自动化控制系统。系统中不同设备之间信息交互的控制方式包括I/O点对点、工业现场总线以及工业以太网等。以一个风动接收站和一台机器人为例，通过介绍西门子S7-300 PLC与安川工业机器人DX100控制柜之间的Profibus-DP通信，描述PLC与机器人控制系统的信号交互过程[1]。

2 控制过程及分析

2.1 控制过程

西门子S7-300 PLC控制的样品传输系统将样品装入样盒，并通过风动管道送到化验室接收站，由另一台S7-300 PLC向机器人DX100控制柜下发搬运启动信号，然后机器人开始执行搬运任务。任务完成后，机器人向PLC返回一个完成信号，以便PLC进行下一个循环控制。

2.2 控制分析

西门子S7-300是一款紧凑型、模块化的PLC，具有集成Profinet接口，支持Profibus和Profinet等多种通信协议。安川工业机器人DX100控制器可利用自身I/O单元与外部设备进行通信，也可以通过工业现场总线扩展卡进行Profibus和CC-link等多种通信连接。通常来说，PLC给安川机器人的输出信号包括启动信号、停止信号、允许机器人取件信号以及远程启动机器人信号。安川机器人给PLC的输出信号包括状态信号、取件完成信号、报警信号以及复位完成信号等。文中主要阐述PLC与机器人通信的两个交互信号，一个是样盒到达接收站后PLC作为主站向机器人从站发送的搬运启动信号，另一个是搬运任务完成后机器人作为从站向PLC主站返回的工作完成信号[2]。

3 控制实施

3.1 PLC端组态配置

西门子S7-300 PLC作为主站，可以对从站进行读写操作。硬件和网络组态在西门子组态软件Step7中完成。硬件组态配置中，各个模块的位置及含义如图1左半图所示。1号插槽为电源PS 307（5 A）模块；2号插槽为CPU 317-2DP，用以实现Profibus-DP通信；3号插槽为空；4号和5号插槽分别为DI 16/DO 16×24 V/0.5 A的输入模块和输出模块；6号插槽为CP343-1通信模块，用以实现与其他设备的Profinet通信。硬件组态完成后，双击机架插槽中的DP，将其设为主站，地址设为2。点击新建生成一个DP网络，点击属性按钮设置网络参数，将传输速率设为1.5 Mb/s，行规选择DP，点击确定，完成主站组建[3]。完整的组态图如图1所示。

图1 DP组态图

实现PLC 300与机器人的主从通信除了需要具有Profibus接口的PLC外，还需要安装机器人GSD文件，而PLC用这个文件来识别安川机器人。在硬件组态界面，点击选项下拉菜单，选择安装GSD，找到GSD安装目录文件。安装完成后点击右侧硬件目录窗口，添加第三方组件。点击general，在DP网络中添加Anybus-S DP-V1机器人从站，双击设置从站地址、传输速率以及波特率。选择添加Universal module硬件，分配I/O起始地址和字节长度后保存编译。组态全部完成后下载到PLC，便可实现PLC与机器人的主从通信[4]。

系统主站的型号为CPU 317-2 DP，西门子的型号为S7-300 PLC。安川机器人作为从站，用来完成样盒的搬运、放置以及倒样等工作。以DP网络中地址12为例，它的输入输出均为20 Byte，I/O地址范围输入为IB60～IB79，输出地址范围为QB60～QB79。

3.2 机器人端的配置

DX100控制柜安装的通信扩展板卡位于控制柜下方，柜内有2个PCI插槽。正确安装后，长按示教器主菜单键重启控制柜，将机器人改到维护模式。在板卡设置选项里选择AB3601，设置I/O大小为20 Byte，分配输入范围为20070～20267，输出范围为30070～30267。节点地址设置成组态时的对应地址，波特率选默认，点击确认。此时，显示板卡信息如图2所示。

图2 机器人板卡信息

4 程序编写

4.1 PLC与机器人信号交互原理

首先，PLC的输出信号通过Profibus总线转换给机器人端的外部输入；其次，外部输入信号通过配置好的并行I/O程序进行关联给到通用输入；最后，将通用输入信号映射给机器人主程序Main。当触发主程序Main调用的IN#()信号后，机器人进行对应工位的样品搬运。机器人执行搬运任务时输出OT#()信号，OT#()信号的打开和关闭代表机器人的运行状态。机器人输出信号先是映射到通用输出，再由通用输出通过并行I/O与外部输出进行关联，最后将外部输出信号通过Profibus总线返回给PLC输入端。信号交互原理如图3所示。

图3 信号交互原理图

4.2 PLC与机器人信号的地址映射

PLC和机器人的程序编写完成后，需要实现两者的信号地址映射。安川机器人编程语言中，OT#()代表输出，IN#()代表输入。机器人的输入输出与PLC的输入输出信号转换，主要通过Prifibus总线和并行I/O两部分进行。映射点位表如图4所示。

以站13为例，当样盒到达时，PLC Q 63.4主站信号触发，PLC将输出信号通过Profibus总线发送到机器人，从站外部输入20104接口。触发后，通过机器人自身的并行I/O与机器人程序中的通用输入信号00074进行关联，触发机器人程序的IN（53）程序逻辑信号，从而实现PLC主站与机器人从站的信号转换，告知机器人样盒已到达可以搬运。

图4 映射点位表

当机器人程序搬运结束时，会关闭OT（53）信号。机器人通用输出信号10074通过并行I/O关联到外部输出信号30104，外部输出信号30104再通过Profibus总线将信号发送到PLC端I63.4，从而实现机器人从站信号与PLC主站的信号转换，告知PLC搬运任务已完成。

4.3 并行I/O程序

并行I/O程序是指机器人运动程序与控制柜逻辑转换程序完全独立，两者可同时进行但不会相互干涉。并行I/O程序是安川机器人自带的，与PLC程序类似，是循环周期扫描运行，用来实现机器人外部输入和通用输入、通用输出和外部输出的转换，实现机器人运动和逻辑转换的同时进行。外部输入与通用输入转换如图5所示。

图5 外部输入与通用输入转换

STR类似于PLC中连接母线的一个常开触点，OUT代表输出线圈，GSTR代表一个字节的8个位组输入触点，GOUT代表一个字节的8个位组输出线圈。例如，GSTR 20100代表的是外部输入组信号20100～20107，GOUT 00070代表通用输入组信号00070～00077，两者通过并行I/O指令GSTR和GOUT前后关联起来，且具有一一对应关系，实现外部输入与通用输入信号的转换，从而实现PLC主站下发搬运任务信号给机器人从站的映射。同理，10070为通用输出信号，30100为外部输出信号，两者通过指令GSTR和GOUT前后关联起来，实现通用输出与外部输出信号的转换，从而实现机器人从站向PLC主站返回完成信号的映射[5]。至此，单一接收站PLC与机器人所需要的两个交互信号已经全部构建完成。

5 结 论

技术不断发展，工业机器人应用场合越来越多。在与外部设备的信息交互控制中，工业机器人应根据交互数量的实际要求选择相适应的控制方式。数据量少可通过I/O点对点控制，数据量多则应选择网络通信。合理的控制方式能减少工作量和降低成本。工业机器人通过Profibus-DP总线通信方式与PLC主站连接，相比较传统I/O点对点通信，不再有杂乱无章的电缆布线，减少了电缆数量，节省空间且不易发生故障。这种通信方式简单方便，且明显提高了生产稳定性和生产效率。