機器人自動化焊接設備實時監(jiān)控系統設計
陳 浩 成群林 姜 恒 王學遠
（上海航天精密機械研究所，上海201600）
摘要：為了便于機器人自動化焊接設備記錄焊接過程參數，設計了一種基于歐姆龍Host Link通信協議和lab VIEW開發(fā)平臺的實時監(jiān)控系統。該系統利用PLC采集焊接過程實時數據；通過Host Link通信協議，將數據上傳至上位計算機；最終，由上位機監(jiān)控軟件實現數據及曲線的顯示、存儲等功能。應用結果表明，該系統測量結果準確、操作簡單、穩(wěn)定性好，具有一定的推廣價值。
關鍵詞：自動化焊接監(jiān)控系統 PLC Host Link串口通信現場總線Lab VIEW機器人
中圖分類號：TP274；TH86DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201604013
0引言
隨著焊接領域內自動化水平的不斷提高，采用工業(yè)機器人進行自動化焊接操作已是大勢所趨。焊接機器人由于具有通用性強、工作可靠等特點，可以克服傳統手工焊接質量不穩(wěn)定的缺點，從而增加產量、提高質量。
為了方便機器人自動化焊接設備記錄焊接過程參數，確保生產過程的實時可控，并可用于后續(xù)焊接工藝的優(yōu)化，本文針對已有的Plasma - MIG復合焊接自動化設備，在研究歐姆龍Host Link通信協議的基礎上，以虛擬儀器編程軟件Lab VIEW為上位機開發(fā)平臺，設計了一套實時監(jiān)控系統，以進行焊接過程狀態(tài)和參數的實時監(jiān)控。該系統不但確保了焊接參數采集顯示的實時性和準確性，而且具有通用性強、方便移植推廣等特點。
1 總體方案設計
1.1復合焊接系統概述
Plasma - MIG復合焊接自動化設備主要由MOTOMAN焊接機器人、歐姆龍PLC、Fro nius TIG焊接電源以及MIG焊接電源等部分組成。其中，PLC作為復合焊接系統的控制核心，直接控制TIG、MIG兩臺焊接電源的狀態(tài)和參數；同時，協調焊接機器人和兩臺焊接電源的運行，接收焊接機器人的操作命令，協調兩臺焊接電源電弧的起弧時序以及送絲、送氣等動作；最終，實現機器人自動化焊接。PLC與焊接電源和機器人的通信依靠現場總線實現。
PLC作為現場總線網絡的主站，連接兩臺焊接電源，通過循環(huán)執(zhí)行其內部程序，將待設焊接參數從存儲區(qū)傳送到焊接電源內置寄存器。由焊機內部專家數據庫對參數進行智能化微調之后，輸出其實際工作值，PLC將其實時讀取并保存至相應存儲區(qū)。整個工作過程中，PLC存儲區(qū)和焊機寄存器對應點位的數據一一對應。
1.2監(jiān)控系統工作原理
對于歐姆龍PLC，上位機與之通信的過程實際是與其通信單元Host Link之間交換命令和響應的過程。上位機可對PLC傳送程序指令，控制PLC數據區(qū)及其工作情況，PLC對上位機發(fā)送的指令代碼進行分析，進行相應的操作后，向上位機反饋相應的響應代碼�；诖嗽恚帉懮衔粰C軟件對下位機PLC的存儲區(qū)域進行數據的寫入與讀取操作，即可控制并獲取現場
焊接設備的狀態(tài)和參數，實現對焊接系統的實時監(jiān)控。對于1：1的上位連接系統，即一臺上位機與一臺PLC之間的通信，在硬件層面，可通過RS - 232串行接口連接PC與PLC。
圖1為機器人焊接與監(jiān)控系統的總體結構示意圖。
1.3通信協議格式
在一次交換中，傳輸的命令格式和應答數據稱之為一幀。命令幀通過用戶編寫的上位機通信程序實現；PLC的Host Link單元根據上位機發(fā)來的命令幀自動生成響應幀，并返回給上位機。
歐姆龍PLC與上位機之間的通信依賴于其特有的Host Link通信協議，基于該協議的通信指令分為C-Mode指令和FINS指令兩類。C- Mode指令專用于Host Link單元的串行通信，而FINS指令還可用于多種網絡通信，其不依賴于固定的硬件傳播途徑。此外，FINS指令支持PLC內部所有存儲區(qū)域的外部訪問，可實現更為豐富的PLC監(jiān)控功能。用于串行通信時，FINS指令必須結合Host Link協議實現，即在FINS數據幀前后加上Host Link的指令頭、結構校驗序列碼(FCS)和指令終止符。
完整的通信幀格式如圖2所示。
幀中部分關鍵指令代碼具體含義說明如下。
FINS命令碼：讀取和寫入操作所對應的固定代碼。
正文：具體操作內容，包括讀寫存儲器區(qū)域的代碼、區(qū)域起始地址、數據長度等。
FCS:幀校驗序列，用來檢查在傳送幀數據時是否發(fā)生錯誤。具體算法是從幀數據的開始到幀正文結束（FCS之前），所有數據字符的ASCII碼執(zhí)行異或操作。
2 Lab VIEW程序設計
在Lab VIEW中，虛擬儀器軟件架構(virtualinstrument software architecture，VISA)是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口。其本身并不具有儀器編程能力，而是調用低層驅動器的高層應用程序編程接口（application programming interface,API）。在VISA函數模塊中，關于串口通信的VI主要有VISA串口配置、串口讀取、串口寫入、串口字節(jié)數、清空緩存區(qū)、串口關閉。
在Lab VIEW程序中，Host Link串口通信的一般流程如圖3所示。
2.1串口通信程序設計
(1)串口參數配置。
按照實際通信需求，通過VISA串口配置Ⅵ初始化串口，設定VISA資源名稱，即與PLC通信的上位機串口號、波特率、數據位、校驗方式以及停止位等通信參數。
(2) FCS校驗碼計算。
將待計算字符串轉化為由各字符的ASCII碼組成的數組序列，通過For循環(huán)函數體對數組成員進行異或運算。執(zhí)行完所有循環(huán)后，將運算結果轉換為十六進制數表示的字符串，即待求的FCS碼。
程序框圖如圖4所示。
將上述FCS碼計算程序編制成“FCS”子VI，其中的“待計算字符串”和“FCS”接口分別設為外部輸入和輸出端口，供上級VI調用。
(3)數據讀取。
歐姆龍PLC的I/O存儲區(qū)主要存儲輸入、輸出數據和中間變量等，可以通過FINS命令直接訪問。通常情況下，上位機需要從PLC中讀取的數據也位于I/O存儲區(qū)中。
當讀取PLC的I/O存儲區(qū)時，在命令幀的正文內容部分，FINS命令碼代表讀取操作，而存儲區(qū)域代碼和存儲區(qū)域地址共同指定具體的I/O存儲區(qū)，數據單元數量指定從起始地址向后偏移的數據區(qū)域長度。
數據讀取程序框圖如圖5所示。
將幀內容組合之后，輸入“FCS校驗碼計算”子VI程序進行計算。最終，由幀內容、校驗碼和結束碼共同構成完整的命令幀：@ OOFAOOOOOOOOO+通道號+通道數+FCS+*+↙。
通過“VISA寫入”函數，將幀命令輸入到指定的緩沖區(qū)，并通過串行傳遞方式傳送給PLC。在讀取響應幀之前設置一定的延時，為數據傳遞和硬件響應預留時間，以確保數據讀寫的準確完整。在用“VISA讀取”函數讀取PLC反饋的響應幀后，從中截取目標數據（包括模擬量數據和開關量數據），供后續(xù)處理。
將上述數據讀取程序編制成“READ”子VI，供上級VI調用。
(4)數據寫入。
將數據寫入PLC的1/0存儲區(qū)時，幀位構成與讀取數據操作基本相似。
程序總體與讀取數據程序類似，不同之處在于，需將待寫入數據轉換成符合命令幀格式要求的十六進制數表示的字符，并將存儲區(qū)域代碼設為“字節(jié)”模式對應的編號。若成功寫入數據，上位機可通過“VISA讀取”函數，從串口接收緩沖區(qū)中讀取到相應包含響應信息的響應幀。
對于以字節(jié)為單位的數字量數據，寫入程序框圖如圖6所示。
對于以位為單位的開關量（布爾量）數據，則需要將其轉化為2位十六進制數表示的字符串，并將存儲區(qū)域代碼設為“位”模式對應的編號。其他與數字量數據寫入相同。
將上述模擬量和開關量數據寫入程序分別編制成“WRITE( byte)”和“WRITE( bit)”子VI，供上級VI程序調用。
2.2監(jiān)控系統設計
在完成上位機監(jiān)控軟件串口通信程序各模塊設計的基礎上，對監(jiān)控系統總體進行設計。
在對PC主機串口進行初始化配置之后，主程序通過While循環(huán)體實現整個系統的持續(xù)運行。在While循環(huán)體內設置一個事件結構，檢測前面板上“開始監(jiān)控”、“退出系統”控件的動作，并根據相應的控件動作執(zhí)行不同的事件分支。
在“開始監(jiān)控”事件分支下，通過While循環(huán)體控制監(jiān)控操作的運行和停止。在順序結構內，按順序安排寫入和讀取數據操作。在寫入操作部分，調用數據寫入子VI“WRITE( byte)”和“WRITE( bit)”，將前面板中的焊接參數開關量寫入到PLC中相應的存儲區(qū)域，繼而傳送給焊接電源，以實現對其狀態(tài)的控制和參數的設定。在讀取操作部分，調用數據讀取子VI“READ”，讀取PLC中采集到的現場焊接設備狀態(tài)和參數；在對響應幀中數據進行相應的后續(xù)計算處理后，將開關狀態(tài)量和一般參數量傳遞至前面板中的顯示控件，并通過“數據記錄文件寫入”函數，將系統運行過程中均勻時間點采集到的若干組相應數據保存至設定的文件路徑。每一次循環(huán)執(zhí)行完之后，檢測前面板中“停止監(jiān)控”控件的值，以判斷是否繼續(xù)執(zhí)行該循環(huán)體。
在“退出系統”事件分支下，按順序調用“VISA關閉”和“停止執(zhí)行VI”函數，實現安全退出監(jiān)控系統程序的功能。
3系統試驗
試驗流程如圖7所示。
設計完成監(jiān)控系統之后，在Lab VIEW前面板中配置相應的串口參數，即可運行該系統程序。開始監(jiān)控后，在控制區(qū)，可對兩臺焊接電源分別進行消報警操作，并進行手動測氣和送絲退絲測試。在狀態(tài)信息顯示區(qū)，系統讀取焊機的狀態(tài)開關量，并通過指示燈顯示。在參數設定區(qū)，輸入待設焊接參數，在參數顯示區(qū)顯示其經焊機智能化微調后的實際值；同時，繪制其關于時間的參數曲線，可將參數保存至所設文件路徑。試驗完成后，停止監(jiān)控并退出系統。
試驗過程中，監(jiān)控系統獲取的復合焊接系統參數大致波形如圖8所示。
4結束語
對于現場工業(yè)設備，以PLC為下位機進行控制并采集現場設備狀態(tài)和參數，以Lab VIEW為上位機開發(fā)臺；針對歐姆龍PLC特有的Host Link通信協議，利用Lab VIEW軟件強大的數據運算和分析能力實現PC主機與PLC之間的RS - 232串口通信，以便于對PLC的內存單元進行讀寫操作；最終，實現對焊接過程的實時監(jiān)控。
本文以典型的Plasma - MIG復合焊接系統為例，基于PLC與Lab VIEW的Host Link串口通信協議，設計了相應的實時監(jiān)控系統，并在試驗中取得了良好的應用效果。該設計方法亦可修改移植到其他上位機平臺。整個實時監(jiān)控系統的設計思想，可應用于工業(yè)現場的其他場合。
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