一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统技术方案

一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，通讯总线采用分布式时钟技术，使用标准以太网协议，无需专用网卡，便能够实现多轴精确同步控制，适合高速机器人的高精度伺服控制。该控制系统开放性好、硬件结构简单、可移植性高，大大缩短了工业机器人研发的周期。

A DELTA2 robot control system based on soft PLC and EtherCAT bus

A soft PLC DELTA2 robot control system based on EtherCAT bus and bus communication, using the distributed clock technology, using standard Ethernet protocol, without special card, can realize multi axis synchronization control, suitable for high speed and high precision servo control of robot. The control system has the advantages of good openness, simple hardware structure and high portability, which greatly shortens the cycle of industrial robot research and development.

【技术实现步骤摘要】
一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统所属
本专利技术涉及一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，适用于机械领域。
技术介绍
目前国内外大部分运动控制器均采用基于DSP和FPGA的多轴运动控制卡方式，其一般带有PCI接口，集成于PC的PCI插槽。但其系统布线复杂、可靠性差，可以控制的轴数有限，且技术封闭、拓展性差、价格昂贵，不易和工厂其他设备集成在一个控制系统中。软PLC是集控制、人机界面、数据处理、通讯功能等集成于一台PC的解决方案。随着PC机性能的不断提升，数值计算、程序运行和逻辑处理能力大幅度提高。目前各大厂商都不断致力于把传统的硬PLC移植到PC平台上，通过不断的实践这种软PLC技术已经日趋成熟。例如西门子公司的WinAC、亚控的KinACT,3S公司的Codesys、然而这些公司的软PLC控制方案，应用范围还不太广泛，应用案例不多，实时性和稳定性得不到保证。德国的倍福公司在基于实时以太网EtherCAT的基础上，开发了一系列的软PLC集成方案，其应用结构简单、实时性高、开发调试方便，因此，本文作者选用了倍福的的TwinCAT控制平台进行了相关研究，该平台将修改了Windows的内核结构，结合倍福公司的EtherCAT技术，能够实现多达256轴的实时运动控制。EtherCAT技术是德国倍福公司提出的一种新型实时工业以太网总线，其网络拓扑结构简单灵活，具有分布时钟的精确校准，100Mb/s的传输速率，是目前最安全、可靠、高效的总线之一，特别适合那些快速而高性能的机械控制系统。EtherCAT技术的使用保证了软PLC的控制指令有效快速地传递到下位机执行，同时下位机接收的反馈信息也可以及时地传送到上位机进行处理。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，通讯总线采用分布式时钟技术，使用标准以太网协议，无需专用网卡，便能够实现多轴精确同步控制，适合高速机器人的高精度伺服控制。本专利技术所采用的技术方案是。所述软PLC可以分为开发系统和运行系统两部分。开发系统和运行系统是客户/服务模式，上下间通过C-OM/DCOM模式通讯，运行环境作为服务器提供了标准通信接口。开发环境作为C-OM客户端应用，可以访存问这些接口后进行操作。所述运行系统是软PLC的核心部分，是连接开发系统和具体硬件的枢纽。它通常包括虚拟机、I/O驱动程序、OPC服务程序等模块。虚拟机解释执行由开发系统生成的目标代码，调取命令区的控制指令，代码区执行目标代码通过I/O驱动模块进行数据的输入输出处理，通过状态描述区可查看虚拟机运行状态。I/O口采用标准的OPC接口，OPC包括了一套接口、属性和方法的标准集，过程中无论是什么软件或设备，OPC都可以为控制设备间通信提供公共接口。例如通过OPC接口与SCADA相连实现监控功能。所述整个控制系统采用一台普通的工控机作为上位机硬件平台，使用倍福的TwinCAT作为软件控制平台，该平台主要完成系统管理、插补运算、运动学与动力学计算、机器人逻辑控制等任务。TwinCAT开发环境分为两部分，SystemManager主要完成整个系统设置和I/O硬件的配置，而逻辑程序的编写和调试，都在PLCConltrol中进行。此外运用PTP的电子凸轮功能控制机器人机械手臂，提高了机械手臂的速度和柔性。所述上位机与下位机，下位机内部之间采用级连方式连接，物理连接介质使用普通网线或光纤即可。DELTA2机器人采用2台倍福EtherCAT伺服电机经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动机械臂运动。在两台伺服电机轴上安装有12位的绝对式编码器，通过倍福EtherCAT端子模块EL5001直接连接增量式编码器SSI接口。SSI接口电路产生一个脉冲信号来读取数据，并将数据流提供给控制器。这样整个系统构成一个半闭环的控制系统。由于整个控制系统采用了EtherCAT的通讯方式，一跟网线一网到底，简化了布线和调试工作，节省很多空间，降低了系统成本。本专利技术的有益效果是：该控制系统开放性好、硬件结构简单、可移植性高，大大缩短了工业机器人研发的周期。附图说明图1是本专利技术的软PLC体系结构。图2是本专利技术的基于IEC61131-3标准软件模型。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1，软PLC可以分为开发系统和运行系统两部分。开发系统和运行系统是客户/服务模式，上下间通过C-OM/DCOM模式通讯，运行环境作为服务器提供了标准通信接口。开发环境作为C-OM客户端应用，可以访存问这些接口后进行操作。如图2，开发系统就是带有调试和编译功能的PLC编程器，现在实际是按照IEC61131-3标准设计的。IEC61131-3软件模型是一种分层结构，描述了很多概念包括配置(Configuration)、资源(Resource)、任务(Task)、程序(Program)、功能块(FunctionBlock)以及功能(Function)等和它们之间的关系，将一个复杂的项目分成若干独立的单元，每个单元下又有单元。运行系统是软PLC的核心部分，是连接开发系统和具体硬件的枢纽。它通常包括虚拟机、I/O驱动程序、OPC服务程序等模块。虚拟机解释执行由开发系统生成的目标代码，调取命令区的控制指令，代码区执行目标代码通过I/O驱动模块进行数据的输入输出处理，通过状态描述区可查看虚拟机运行状态。I/O口采用标准的OPC接口，OPC包括了一套接口、属性和方法的标准集，过程中无论是什么软件或设备，OPC都可以为控制设备间通信提供公共接口。例如通过OPC接口与SCADA相连实现监控功能。软PLC将本来有DSP或者FPGA完成的功能全部集成到了计算机中处理，因此对于信号传输的实时性要求较高。所以必须运行在实时系统上。整个控制系统采用一台普通的工控机作为上位机硬件平台，使用倍福的TwinCAT作为软件控制平台，该平台主要完成系统管理、插补运算、运动学与动力学计算、机器人逻辑控制等任务。TwinCAT开发环境分为两部分，SystemManager主要完成整个系统设置和I/O硬件的配置，而逻辑程序的编写和调试，都在PLCConltrol中进行。此外运用PTP的电子凸轮功能控制机器人机械手臂，提高了机械手臂的速度和柔性。上位机与下位机，下位机内部之间采用级连方式连接，物理连接介质使用普通网线或光纤即可。DELTA2机器人采用2台倍福EtherCAT伺服电机经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动机械臂运动。在两台伺服电机轴上安装有12位的绝对式编码器，通过倍福EtherCAT端子模块EL5001直接连接增量式编码器SSI接口。SSI接口电路产生一个脉冲信号来读取数据，并将数据流提供给控制器。这样整个系统构成一个半闭环的控制系统。由于整个控制系统采用了EtherCAT的通讯方式，一跟网线一网到底，简化了布线和调试工作，节省很多空间，降低了系统成本。在整个系统的设计当中，轨迹规划和运动插补计算都在上位机的软PLC中进行，计算结果在上位机转换为数字信号通过太网EtherCAT总线实时传输到下位机的伺服驱动器从而控制两个伺服电机联动，上位机控制单元每次根据编码器反馈的信息调整插补指令，控制机械臂运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，其特征是：所述软PLC可以分为开发系统和运行系统两部分，开发系统和运行系统是客户/服务模式，上下间通过C‑OM/DCOM模式通讯，运行环境作为服务器提供了标准通信接口，开发环境作为C‑OM客户端应用，可以访存问这些接口后进行操作。

【技术特征摘要】
1.一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，其特征是：所述软PLC可以分为开发系统和运行系统两部分，开发系统和运行系统是客户/服务模式，上下间通过C-OM/DCOM模式通讯，运行环境作为服务器提供了标准通信接口，开发环境作为C-OM客户端应用，可以访存问这些接口后进行操作。2.根据权利要求1所述的一种基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统，其特征是：所述运行系统是软PLC的核心部分，是连接开发系统和具体硬件的枢纽，它通常包括虚拟机、I/O驱动程序、OPC服务程序等模块。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小义，
申请(专利权)人：王小义，
类型：发明
国别省市：辽宁,21