基于軟PLC和EtherCAT總線的DELTA2機器人控制系統設計與實現

陳健，楊亞威，鄭天江，宋孫浩

(1.浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州 310016;

2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波 315201)

基于軟PLC和EtherCAT總線的DELTA2機器人控制系統設計與實現

陳健1，2，楊亞威2，鄭天江2，宋孫浩2

(1.浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州 310016;

2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波 315201)

由于傳統PLC需要依賴于特定的軟硬件，其硬件、軟件系統封閉，系統開放性和擴展性不足，并且現場數據傳輸實時性不高。針對這些問題，提出了一種利用實時以太網EtherCAT協議通訊，基于PC的軟PLC運動控制方案。該方案通訊總線采用分布式時鐘技術，使用標準以太網協議，無需專用網卡，便能夠實現多軸精確同步控制，適合高速機器人的高精度伺服控制。通過在DELTA2高速并聯機器人上的測試分析，結果表明:該控制方案使機器人的運動控制性能得到了很大的提升。

軟PLC;EtherCAT;DELTA 2;電子凸輪

0 前言

目前國內外大部分運動控制器均采用基于DSP和FPGA的多軸運動控制卡方式，其一般帶有PCI接口，集成于PC的PCI插槽。但其系統布線復雜、可靠性差，可以控制的軸數有限，且技術封閉、拓展性差、價格昂貴，不易和工廠其他設備集成在一個控制系統中。

軟PLC是集控制、人機界面、數據處理、通訊功能等集成于一臺PC的解決方案。隨著PC機性能的不斷提升，數值計算、程序運行和邏輯處理能力大幅度提高。目前各大廠商都不斷致力于把傳統的硬PLC移植到PC平臺上，通過不斷的實踐這種軟PLC技術已經日趨成熟。例如西門子公司的WinAC、亞控的KinACT、3S公司的Codesys、然而這些公司的軟PLC控制方案，應用范圍還不太廣泛，應用案例不多，實時性和穩定性得不到保證。德國的倍福公司在基于實時以太網EtherCAT的基礎上，開發了一系列的軟PLC集成方案，其應用結構簡單、實時性高、開發調試方便，因此，本文作者選用了倍福的的TwinCAT控制平臺進行了相關研究，該平臺將修改了Windows的內核結構，結合倍福公司的EtherCAT技術，能夠實現多達256軸的實時運動控制。

EtherCAT技術是德國倍福公司提出的一種新型實時工業以太網總線，其網絡拓撲結構簡單靈活，具有分布時鐘的精確校準，100 Mb/s的傳輸速率，是目前最安全、可靠、高效的總線之一，特別適合那些快速而高性能的機械控制系統。EtherCAT技術的使用保證了軟PLC的控制指令有效快速地傳遞到下位機執行，同時下位機接收的反饋信息也可以及時地傳送到上位機進行處理。

1 基于PC的軟PLC控制體系結構

軟PLC將傳統PLC的控制功能封裝在軟件內移植到了PC機上。如圖1所示，根據傳統的PLC體系結構，軟PLC可以分為開發系統和運行系統兩部分。開發系統和運行系統是客戶/服務模式，上下間通過C-OM/DCOM模式通訊，運行環境作為服務器提供了標準通信接口。開發環境作為C-OM客戶端應用，可以訪存問這些接口后進行操作。

圖1 軟PLC體系結構

開發系統就是帶有調試和編譯功能的PLC編程器，現在實際是按照IEC61131-3標準設計的［1］。如圖2所示，IEC61131-3軟件模型是一種分層結構，描述了很多概念包括配置 (Configuration)、資源 (Resource)、任務 (Task)、程序 (Program)、功能塊(Function Block)以及功能 (Function)等和它們之間的關系，將一個復雜的項目分成若干獨立的單元，每個單元下又有單元。

圖2 基于IEC61131-3標準軟件模型

運行系統是軟PLC的核心部分，是連接開發系統和具體硬件的樞紐。它通常包括虛擬機、I/O驅動程序、OPC服務程序等模塊［2－3］。虛擬機解釋執行由開發系統生成的目標代碼，調取命令區的控制指令，代碼區執行目標代碼通過I/O驅動模塊進行數據的輸入輸出處理，通過狀態描述區可查看虛擬機運行狀態。I/O口采用標準的OPC接口，OPC包括了一套接口、屬性和方法的標準集，過程中無論是什么軟件或設備，OPC都可以為控制設備間通信提供公共接口。例如通過OPC接口與SCADA相連實現監控功能。

軟PLC將本來有DSP或者FPGA完成的功能全部集成到了計算機中處理，因此對于信號傳輸的實時性要求較高。所以必須運行在實時系統上。

2 DELTA2機械機構與運動學分析

2.1 DELTA2機器人結構介紹

DELTA2機器人如圖3所示，由基座、動平臺、以及兩組分支運動鏈構成，各關節間采用鉸接連接，兩組從動臂由與肘關節相連的平行四邊形機構構成，中間裝有交叉加強筋用來消除鉸鏈間隙，其中連架從動臂和右臂上增設了一根平行外從臂增強了運動平面的靜、動剛度。工作時，伺服電機轉動經由減速器減速后帶動主動臂旋轉，根據平行四邊形姿態保持性原理，兩從臂帶動末端平臺平動，在末端平臺上可以根據需要安裝不同的末端執行器來完成相應的工作。

圖3 DELTA2機器人機構示意圖

2.2 DELTA2機器人軌跡規劃

DELTA2機械手主要用于平面內物體的抓取和放置操作。如圖4所示，在一個工作周期內，機械手經過上升 (AD段)、平移 (DE段)和下降 (EH段)3個階段，設計其最大行程為250 mm+680 mm+150 mm。為防止與抓取物件干涉，要求手抓在上升和下降階段須有一定距離的直線運動 (AB段和GH段)，且要保證一定的軌跡精度。

圖4 DELTA2機器人運動示意圖

在軌跡規劃中，把末端的運動軌跡可粗分為AC，CF，FH三段，這里為進一步減小運動周期，將BD、EG段軌跡設計為弧線段，每段的運動過程為靜止－加速－減速－靜止，這樣就要求其速度和加速度在起點和末點都為零。

在空間中先取8個關鍵點，通過運動學逆解解得關節空間中對應的關節變量，關節變量之間通過Spline插值，可以在關鍵點中加入更多的插值點，來節點控制彎曲程度的順滑的自由曲線，這樣很容易調節曲線的曲率和走向。由輸出軸的速度、加速度和加加速度曲線圖如圖5所示，其速度大小小于等于100 rad/s，加速度大小均小于等于1 530 rad/s2，加加速度大小均小于等于12 000 rad/s3，運動時間過程沖擊和終端抖動較小［4］。

圖5 關節空間擬合曲線圖

3 基于軟PLC的DELTA2機器人控制系統方案

整個控制系統采用一臺普通的工控機作為上位機硬件平臺，使用倍福的TwinCAT作為軟件控制平臺，該平臺主要完成系統管理、插補運算、運動學與動力學計算、機器人邏輯控制等任務。TwinCAT開發環境分為兩部分，System Manager主要完成整個系統設置和I/O硬件的配置，而邏輯程序的編寫和調試，都在PLC Conltrol中進行。此外運用PTP的電子凸輪功能控制機器人機械手臂，提高了機械手臂的速度和柔性［4］。

上位機與下位機，下位機內部之間采用級連方式連接，物理連接介質使用普通網線或光纖即可。DELTA2機器人采用2臺倍福EtherCAT伺服電機經蝸輪蝸桿減速器減速后驅動機械臂運動。在兩臺伺服電機軸上安裝有12位的絕對式編碼器，通過倍福EtherCAT端子模塊EL5001直接連接增量式編碼器SSI接口。SSI接口電路產生一個脈沖信號來讀取數據，并將數據流提供給控制器。這樣整個系統構成一個半閉環的控制系統。由于整個控制系統采用了Ether-CAT的通訊方式，一跟網線一網到底，簡化了布線和調試工作，節省很多空間，降低了系統成本。

在整個系統的設計當中，軌跡規劃和運動插補計算都在上位機的軟PLC中進行，計算結果在上位機轉換為數字信號通過太網EtherCAT總線實時傳輸到下位機的伺服驅動器從而控制兩個伺服電機聯動，上位機控制單元每次根據編碼器反饋的信息調整插補指令，控制機械臂運動。

4 程序設計與應用

DELTA2機器人的上位機控制程序主要分為三部分:(1)在TwinCAT System Manager里配置各個伺服軸的參數、虛擬一根時間軸作為主軸和兩根NC軸作為從軸、繪制凸輪曲線表、加載PLC程序;(2)在TwinCAT PLC Control里編寫控制程序，包括主從軸的啟動、使能、停止、點動，以及調用凸輪表、凸輪的耦合與解耦［5］;(3)基于ADS通訊，通過TwinCAT提供的通訊連接庫文件，在Visual Studio軟件中用C#編寫機器人的控制界面。圖6為系統控制圖。

圖6 系統控制圖

整個系統主要運行步驟如下:

(1)在I/O-configuration選項卡中掃描I/O設備和從站讀取所驅動電機的狀態，并設置電子齒輪比。

(2)在NC-Configuration中添加一個NC-task1的任務，在Aixs中添加Master、Axis_L、Axis_R三根軸，其中Master作為時間主軸，Axis_L軸和Axis_R軸作為從軸跟隨Master軸運動。

(3)在Tables添加一個DELTA2的電子凸輪表，在DELTA2下中添加兩個從軸表，Axis_L表對應Axis_L軸，Axis_R表對應Axis_R軸，Master軸作為Axis_L軸和Axis_R軸共同的時間軸，這樣即指定了主軸和從軸的耦合對應關系。

凸輪表有關鍵點模式和描點模式，前者可以指定關鍵點的主從軸位置并且可以自己定義相鄰兩點的差值方式，而后者僅僅指定每個點的主從位置，兩相鄰點之間為直線插值，因此選用描點方式的凸輪表，位置點必須很密集。這里使用關鍵點模式繪制凸輪表，在DELTA2的工作空間中選取8個關鍵點，經過運動學逆解得到相應的關節空間點后插入表格中。

TwinCAT PLC Control主要完成邏輯程序的編寫和調試，PLC程序主要分為三部分，PLC軸配置模塊、PLC軸控制模塊和參數讀取模塊。其中配置模塊主要實現各軸的使能和凸輪表的耦合功能?？刂颇K有勻速運動、主從軸的點動、絕對運動、相對運動及急停等功能。參數讀取模塊主要是讀取運行軸的主要參數及系統運行信息。

ADS通信是BECKHOFF公司定義的一種協議，用于TwinCAT設備間的非周期性的通訊。在Visual Studio通過編寫C#程序調用twincat.ads庫對PLC中的變量進行連接和修改，在Winform上設計一個控制界面。

5 系統測試

為驗證基于軟PLC和EtherCAT總線的DELTA2機器人控制系統的性能，對基于EtherCAT總線通訊的從站同步精度等實時性參數和機器人的運動控制參數進行了測試分析，實驗結果達到了120次/min的抓取頻率，位置跟蹤精度小于1 mm的設計指標。

啟動控制程序使DELTA2機械手按規劃的軌跡運動。使用網絡抓包工具WireShark抓取上位機與下位機的通訊數據包。從WireShark捕獲的EtherCAT報文信息中沒有發現錯誤報文信息，說明EtherCAT數據傳送的準確性較高。從數據幀捕獲的時間可見其循環周期基本穩定在1 ms左右，報文延時為1.89μs，體現了EtherCAT協議優異的性能和高速響應，以及高精度設備同步，滿足了現場總線的實時性要求［6－7］。

通過TCatScopeView實時采集和追蹤伺服軸的參數 (圖7)。

圖7 實驗采集伺服軸的參數

從采集的數據繪制的曲線可以看到實際位移曲線和規劃的曲線有±5%的誤差，速度、加速度和加加速度都有一定的鋸齒形波動，誤差在8%以內。

6 結束語

介紹了軟PLC的系統結構，并基于軟PLC和EtherCAT總線設計了一套DELTA2并聯機器人的高速運動控制系統。在運動學分析的基礎上提出了一種電子凸輪的方式實現了機器人的運動控制。通過實驗分析EtherCAT總線通訊，和執行電機的運動參數，證明了該系統具有良好的運動控制性能。該控制系統開放性好、硬件結構簡單、可移植性高，大大縮短了工業機器人研發的周期［8］。

［1］ IEC61131-3Programmable Controll-er-Part3:Programming Languages［C］//International Eleetroteelmieal Commission，1993.

［2］周峰，王新華.軟PLC編輯系統的設計與實現［J］.計算機工程與應用，2005(7):45－49.

［3］白江，王宇晗，金永喬.數控系統軟PLC模塊的研究與開發［J］.機床設計與制造，2011(2):138－140.

［4］郎需林，靳東，張承瑞，等.基于實時以太網的DELTA并聯機械手控制系統設［J］.機器人，2013.00576.

［5］2013.00576 Beckhoff TwinCAT 軟 PLC 編程手冊［S］.2011.

［6］PRYTZG.A Performance Analysis of EtherCAT and Profinet IRT［C］.Ha-mburg，Germany:IEEE International Conference on Emerging Technolo-gies and Factory Automation，2008:408 －415.

［7］ROSTAN M，STUBBS JE，DZILINO D.EtherCAT Enabled Advanced Cont-rolArchitecture［C］.2011 IEEE/SE-MI Advanced Smiconductor Manu-facturing Conference(ASMC)，2010:39 －44.

［8］畢輝，程良鴻.關于軟PLC技術的研究及發展［J］.機電產品開發與創新，2006，19(2):118－119.

Design and Implementation of DELTA2 Robot Control System Based on Soft-PLC and EtherCAT

CHEN Jian1，2，YANG Yawei2，ZHENG Tianjiang2，SONG Sunhao2
(1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institue，Hangzhou Zhejiang 310016，China;2.Ningbo Institute of Materials Technology ＆ Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo Zhejiang 315201，China)

Most of traditional PLC rely on special hardware or software，their software and hardware system are unique and closed，with insufficient openess and expansibility，and field data has low real time transmission ratio.Aimed at these problems，a soft-programmable logical controller(PLC)motion control scheme was presented based on industrial personal computer(IPC)which utilized EtherCAT fieldbus protocol communication.The communication bus of scheme had functions of distributed clock technology，with using of standard ethernet protocols，without special network card，which was able to implement synchro-control ofmultiple-spindle with high accuracy，suitable for high speed robot in need of high precision servo control.Experimental analysiswas carried out on the high speed parallel robot DETLA2 by using this scheme.The result shows that the control schememakes themotion control performance of robot a great improvement.

Soft-PLC;EtherCAT;DELTA 2;Electronic cam

TP 39;TP241

A

1001－3881－ (2015)21－042－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.009

2014－08－07

寧波市科技計劃項目 (2014D10008)

陳健 (1989—)，男，碩士，研究方向為機電系統智能控制及應用開發。E－mail:18667813206@qq.com。