基于EtherNet/IP 協議的交互式機器人控制系統

林松 徐凱

（深圳市越疆科技股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

Ethernet/IP 是一種工業網絡協議，其中IP 為Industrial Protocol（工業協議）的英文首字母縮寫，可將通用工業協議（Common Industrial Protocol ，CIP）適配到標準EtherNet（一種局域網技術）。EtherNet/IP 使用以太網的物理層網絡，也架構在TCP/IP（是Internet 上最常用的協議，TCP/IP 分別是Transmission Control Protocol（傳輸控制協議）和 Internet Protocol（因特網協議）的英文首字母縮寫）的通訊協議上，用微處理器上的軟件即可實現，不需專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）或現場編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）。EtherNet/IP 可以用在一些可容許偶爾出現少量非決定性的自動化網絡[1]。

工業生產領域有大量使用PLC 控制的場景，EtherNet/IP 是基于EtherNet 的通訊協議，目前世面上的工控機以太網口是基本標配，廣泛的硬件支持可以更便捷地基于EtherNet/IP 通信。EtherNet 設備應用廣泛及其和PLC 都具有功能多、支持協議多的優點，使得機器人廣泛用于工業領域的多個應用場景；通訊方式具有的便攜性和易用性，同時可以兼容已有工業場景下的工藝，減少現場電氣工程師、生產工程師、工藝工程師等人員的學習培訓成本。

1 EtherNet/IP 協議

1.1 EtherNet/IP 協議及其在機器人領域中的應用

在機器人領域，EtherNet/IP 通常用于機器人控制和通信。如圖1所示為EtherNet/IP協議與機器人的實體框圖。

圖1 EtherNet/IP 協議與機器人的實體框圖

在機器人控制方面，EtherNet/IP 可以用于實現機器人控制器和外部設備（如PLC、傳感器、人機界面等）之間的通信。通過EtherNet/IP，機器人控制器可以向外部設備發送指令，接收傳感器數據，實現機器人的自動化控制。同時，EtherNet/IP 還支持多個控制器之間的通信，可以實現多個機器人協同工作的控制。

在通信方面，EtherNet/IP 采用了開放式標準，可以與其他工業以太網協議相兼容。這使得機器人系統可以與其他設備進行集成，從而實現更高效的生產流程。例如，機器人可以與傳輸線、倉庫管理系統和制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）等進行集成，實現完全自動化的生產線。

總之，EtherNet/IP 協議在機器人領域中的應用非常廣泛，可以實現機器人控制和通信等多種功能，幫助企業實現更高效的生產流程和更高質量的產品。

1.2 EtherNetIP 協議整體模塊框圖

基于EtherNet/IP 協議的交互機器人控制系統，用于解決現有機器人無法通過廣泛的PLC 程序對其控制的問題。圖2 所示為 EtherNet/IP 協議與機器人的系統框圖，系統包括以太網通信模塊、控制柜控制模塊、機器人運動模塊。

圖2 EtherNet/IP 協議與機器人的系統框圖

其中以太網通信模塊與控制柜控制模塊連接，外部PLC 通過以太網通信模塊與控制柜交互。由以太網硬件為主要設備，外部通過RJ45（一種網絡接口標準，用于以太網局域網中的物理連接）接口的通訊線，實現控制柜控制模塊和外部PLC 的通信交互，以太網通訊模塊承擔主要信息的接收和傳輸。

1.3 機器人控制柜控制模塊框圖

在EtherNet/IP 協議與機器人的系統框圖中控制柜控制模塊主要用于控制機器人本體，包含EtherNet/IP 協議通訊模塊、地址功能映射模塊、功能調用執行模塊?？刂乒窨刂颇K的框圖如圖3 所示。

圖3 控制柜控制模塊框圖

1.3.1 EtherNet/IP 協議通訊模塊

EtherNet/IP 協議通訊模塊實現了與PLC 之間的雙向信息接收與發送功能；PLC 基于該模塊交互通信獲取IO狀態、設備狀態、運動狀態，并實現IO 控制、運動控制等功能，最終將需要的信息打包發送或接收解析。本文基于以太網協議的架構封裝為EtherNet/IP 協議，該協議可以定義傳輸、網絡、數據鏈路和物理層的特性和功能。協議使用面向對象的設計方式提供實時控制應用所需的服務和設備配置，并促進在各種產品生態系統中一致地實施自動化功能。EtherNet/IP 協議通訊模塊同樣能接收TCP 協議數據。EtherNet/IP 協議可以利用已經存在的其他基于TCP 的協議來為控制網絡提供服務[2]。

1.3.2 地址功能映射模塊

地址功能映射模塊用于將數據塊地址預定義，通過通訊模塊交互的數據指定意義，綁定對應數據功能。對應數據包含機器人按鈕信號、機器人狀態、控制模式、負載參數、機器人電壓、數字輸入輸出、報警狀態、關節位置、關節速度、關節電流、關節模式、笛卡爾位置、笛卡爾速度等，將這些數據定義在數據塊地址中，PLC基于該定義獲取信息，在自定義場景下根據不同信息執行自動化下的相應邏輯控制。

地址功能映射模塊用專用的地址映射文件電子數據表格（Electronic Data Sheet, EDS）描述地址功能交互信息和功能調用執行地址映射。PLC 根據不同型號機器人加載指定EDS 文件來通過協議與機器人交互。EDS 文件詳細的定義了機器人的地址功能，PLC 加載錯誤的EDS文件會導致錯誤映射功能，可以根據固定地址獲取機器人型號，判斷EDS 文件是否與型號匹配，防止映射錯誤[3]。

1.3.3 功能調用執行模塊

功能調用執行模塊用于執行控制機器人、獲取機器人狀態、讀取IO 狀態以及進行IO 控制等功能。該模塊執行機器人本體操作控制，也可以通過通信獲取機器人本體相關信息，模塊下可以預先撰寫自定義腳本邏輯，適用于各種工藝場景，之后通過調用模塊映射到地址功能映射模塊，用于通信調用。

1.3.4 機器人控制通信模塊

機器人控制通信模塊是主要的通信與控制模塊，通過以太網接口，承載外部PLC 與機器人運動模塊之間的信號交互，并執行機器人的運行。該模塊集成了所有必要的控制和通信功能，充當著PLC 和機器人之間的適配層，實現PLC 與機器人之間的無縫連接，使得機器人能夠準確執行PLC 發出的指令，并向PLC 傳遞機器人狀態和執行結果等信息。

2 EtherNetIP 協議與機器人實施方式

2.1 PLC 實施流程

如圖4 所示，具有EtherNet/IP 協議功能的PLC 程序啟用EtherNet/IP 模塊，啟用后配置連接的IP 地址等待PLC 連接從站機器人；PLC 新建工程，然后加載EDS 文件，設置自定義統一資源標識符 (Uniform Resource Identifier，URI) 和通用機器人操作員 (Universal Robot Operator，URO)的本地和全局變量，以及用戶定義數據類型，在PLC 中設置允許機器人和PLC 通訊；之后將URI 和URO定義的變量與加載EDS 文件后出現的機器人數據類型綁定；后續程序即可通過變量來獲取機器人狀態信息，也可以操作機器人，PLC 梯形圖程序或者結構文本 （Structured Text，ST）語言編程程序都可訪問和操作變量，寫好樣例程序后，下載程序到PLC 中并確認IO 狀態正確，運行PLC 程序后即可通過編寫好的樣例程序控制機器人[4]。

圖4 PLC 流程圖

2.2 控制柜控制模塊啟動流程

如圖5所示，控制柜控制模塊啟動部分包含以下步驟：

圖5 控制柜控制模塊啟動的流程圖

1）使能以太網口，啟動以太網硬件，并將硬件接口封裝成系統驅動映射到系統以太網模塊；

2）啟動線程初始化機器人運動模塊，使能機器人伺服控制及相應硬件接口，同時啟動系統日志服務和文件系統服務；

3）在機器人運動模塊啟動的同時，綁定使能后的以太網端口，并開啟TCP 和UDP 服務；

4）控制柜控制模塊啟動步驟完成后，初始化EtherNet/IP 協議服務，開啟監聽線程，接收EtherNet/IP協議指令，等待外部PLC 發送數據指令；

5）根據初始化EtherNet/IP 時的數據大小和類型，將數據根據EDS預定義的類型，劃分定義類型及其數據大??；

6）EtherNet/IP 協議模塊正確啟動完成，將之前劃分好的數據與機器人控制模塊的功能做函數回調綁定（綁定的數據包含機器人按鈕信號、機器人狀態、控制模式、負載參數、機器人電壓、數字輸入輸出、報警狀態、關節位置、關節速度、關節電流、關節模式、笛卡爾位置、笛卡爾速度以及腳本啟動、停止等），回調綁定后即可通過地址數據的變化觸發相關功能；

7）地址功能映射模塊完成后等待EtherNet/IP 協議接收數據，PLC 程序根據運行邏輯循環和系統交互，發送和接收EtherNet/IP 數據包，功能調用執行模塊根據數據變化和指令執行綁定回調功能，地址功能映射模塊通過機器人控制模塊獲取機器人狀態和控制機器人等，并將數據通過EtherNet/IP 協議傳輸反饋至PLC 控制程序；

8）PLC 程序通過協議不斷地交互以獲取和控制機器人，這一過程將持續到程序執行結束。

2.3 PLC 與機器人配置與通信

2.3.1 PLC 與機器人配置

PLC 與機器人配置步驟如下：

1）在Sysmac Studio（歐姆龍PLC 上位機軟件）編程軟件中定義好需要進行EtherNet/IP 通訊的變量；如圖6所示，在全局變量頁面中定義兩個數組類型的全局變量，分別對應總線地址定義中的輸入與輸出，輸入變量長度為472 字節，輸出變量長度為224 字節。

圖6 變量添加

2）如圖7 所示，進入工具 > EtherNet/IP 連接設置 >內置EtherNet/IP 端口設置頁面，右鍵單擊右上角目標設備下方的空白處，選擇顯示EDS 庫。

圖7 連接設置

3）如圖8 所示，在內置EtherNet/IP 端口設置界面的右側空白處，雙擊右側工具箱下目標設備的空白處鼠標右鍵進入顯示EDS 庫，選擇需要安裝的EDS 文件；在EDS 庫頁面中單擊安裝，選擇機器人配套的EDS 文件。

圖8 EDS 文件安裝

4）EDS 文件安裝完成后，關閉EDS 庫，單擊右上角工具箱下方的+，配置節點信息后單擊添加。如圖9 所示，節點地址即機器人的IP 地址為192.168.5.1；型號名稱即EDS 文件對應的產品名稱為“Dobot CR”；修訂版即EDS 文件的版本號為4。

圖9 添加對象操作

5）如圖10 所示，在內置Ethernet/IP 端口設置頁面中央的標簽組區域內通過右鍵菜單分別創建一個輸入標簽組和一個輸出標簽組（名稱自定義），然后分別導入之前在全局變量中定義的輸入。

2.3.2 PLC 和機器人通信建立

如圖11 所示，切換Sysmac Studio 至在線模式，并將配置與程序傳送到控制器（即下載至PLC）后，PLC便開始與機器人進行EtherNet/IP 通訊，用戶可以通過Sysmac Studio 進行監控。

圖11 PLC 和CR 機器EtherNet/IP 通信建立

至此，完成了PLC 的配置，并使其能夠與機器人通過EtherNet/IP 交換數據，達到控制機器人的目的。

3 結束語

綜上所述，本文提出的基于EtherNet/IP 協議的交互機器人控制系統，可以與所有支持EtherNet/IP 協議的PLC 軟件通信，適配更多用戶使用場景，滿足不同客戶使用及控制需求。EtherNet/IP 協議基于以太網硬件實現，擁有廣泛的硬件支持，模塊同樣適用于基于TCP 協議通信控制，能適用更多通信情況，提高了機器人對外通訊的靈活性，滿足更多靈活、高效、自定義的生產場景。