基于Profinet协议的协同控制方案 | 涵盖硬件配置、通信设置、编程实现全流程
在现代工业自动化体系中，PLC（可编程逻辑控制器）与工业机器人的协同作业已成为核心环节。西门子PLC凭借其稳定的控制性能，KUKA机器人以其高精度的运动控制能力，二者的联动应用在汽车制造、电子装配等自动化产线中不可或缺，能够显著提升生产效率、降低人工干预成本。
本文聚焦于通过Profinet协议实现西门子PLC对KUKA机器人的外部控制，达成二者的精准协调作业。内容覆盖硬件选型、软件配置、信号时序设计及核心程序编写，核心目标是通过外部自动运行接口，实现上级控制器（西门子PLC）对机器人进程的全面管控，包括运行许可下发、故障状态反馈、程序启动执行等关键功能。
外部自动运行接口的核心逻辑是：上级控制系统（PLC）向机器人控制系统发送控制信号，机器人控制系统向上级反馈运行状态与故障信息，通过标准化的IO配置实现双向通信。
KUKA机器人系统：完整机器人本体、KRC机器人控制器、SmartPAD示教器
通信模块：Profinet控制器/设备模块、DeviceNet主站/从站模块
网络设备：普通交换机（单设备连接）或PN/PN Coupler（多设备组网）
外部主控设备：西门子1214PLC（核心控制单元）
PLC组态工具：博途（TIA Portal）- 用于PLC的硬件组态、程序编写与调试
机器人配置工具：WorkVisual - 用于KUKA机器人的Profinet通信参数配置
版本兼容性要求：确保PLC与机器人的Profinet选项版本匹配（例如KRC4-ProfiNet4.1）
1. 启动WorkVisual软件，为机器人添加Profinet通信选项
2. 配置设备名称与网络参数：设置IP地址、子网掩码（需与PLC保持同一网段）
3. IO映射优化：删除冗余信号（如256字节安全信号），仅保留关键输入/输出端
4. 导出GSDML文件：该文件包含机器人的Profinet设备描述，用于PLC端导入组态
1. 打开博途软件，导入KUKA机器人的GSDML文件（路径：AdditionalFilesGSD）
2. 添加Profinet设备：在设备组态界面中添加KUKA机器人Profinet设备，分配输入/输出地址（起始字节可自定义，无需与WorkVisual完全一致）
3. 网络参数匹配：设置PLC的IP地址、子网掩码（示例：IP 192.168.1.4，子网掩码 255.255.255.0），确保与机器人端网络参数一致
4. 机器人IO模块配置：在博途软件中完成机器人IO模块的逻辑组态，建立信号映射关系
| 配置项< | 机器人端设置< | PLC端设置 |
|---|---|---|
| 设备名称 | 自定义（如krc5搬运机器人） | 与机器人端完全一致 |
| IP地址 | 192.168.1.X（X≠PLC地址） | 192.168.1.4（示例） |
| 子网掩码 | 255.255.255.0 | 255.255.255.0 |
| 关键文件 | 导出GSDML文件 | 导入GSDML文件 |
输入端信号用于PLC向机器人发送控制指令，核心信号定义如下：
| 信号名称< | 功能描述< | 信号类型< | 关键参数 |
|---|---|---|---|
| PGNO | 当前程序号 | 数字信号 | 最大值由PGNO_LENGTH定义 |
| PGNO_TYPE | 程序号类型 | 数字信号 | 默认值为1 |
| PGNO_LENGTH | 程序号位字节宽度 | 数字信号 | 示例值7（最大值127） |
| PGNO_VALID | 程序编号有效 | 脉冲信号 | IN[42]（示例），信号为TRUE时程序号生效 |
| $EXT_START | 外部启动 | 脉冲信号 | 上升沿触发，IN[100]（示例） |
| $MOVE_ENABLE | 运行开通 | 电平信号 | TRUE=允许运行，IN[1025]（示例） |
| $CONF_MESS | 故障确认 | 脉冲信号 | IN[1026]（示例），故障复位触发 |
| $DRIVES_ON | 驱动装置接通 | 脉冲信号 | 高脉冲≥20ms，IN[100]（示例） |
| $DRIVES_OFF | 驱动装置关闭 | 电平信号 | 下降沿生效，IN[1025]（示例） |
输出端信号用于机器人向PLC反馈运行状态，核心信号定义如下：
$PERI_RDY：中间回路充电完成，驱动装置就绪（逻辑1=就绪）
$ALARM_STOP：急停状态反馈（正常=1，急停按下=0）
$USER_SAF：安全防护状态（护栏开关/确认开关状态反馈）
$PRO_ACT：机器人程序运行中（处理程序/中断时=1）
$IN_HOME：机器人位于原点（HOME点=1）
$ON_PATH：机器人位于编程轨迹上（无公差，偏离即复位）
PGNO_REQ：程序号请求（信号变化时需PLC发送程序号）
APPL_RUN：机器人正在处理应用程序（运行中=1）
$STOPMESS：要求停止机器人的信息提示（如急停、防护装置触发）
在T1模式下将用户程序（如EXAMPLE1()）插入CELL.src，选定该程序后，将机器人运行模式切换至EXT_AUTO（外部自动模式）。
PLC上电后，立即向机器人发送$MOVE_ENABLE高电平信号（IN[1025]），该信号需持续保持。
延迟500ms后，PLC向机器人发送$DRIVES_OFF高电平信号（IN[1025]），持续保持。
延迟500ms后，PLC向机器人发送$DRIVES_ON脉冲信号（IN[100]）；机器人接收后反馈$PERI_RDY信号，PLC收到该信号后断开$DRIVES_ON。
PLC发送$EXT_START脉冲信号（IN[100]），触发机器人启动CELL.src程序（此时机器人暂不运动）。
PLC接收到机器人的PGNO_REQ信号后，发送目标程序号（如CASE1对应EXAMPLE1()，通过IN[33]高电平实现）。
延迟500ms后，PLC发送PGNO_VALID脉冲信号（IN[42]），机器人程序号生效，开始执行EXAMPLE1()程序。
程序号变更：重复步骤6-7，PLC重新发送程序号与PGNO_VALID脉冲，机器人切换至新程序
机器人停止：断开$DRIVES_OFF信号，机器人伺服系统关闭（紧急停止可通过$ALARM_STOP信号触发）
停止后重启：重复步骤3-5，即可重新启动机器人自动运行
故障复位：机器人出现故障时，PLC发送$CONF_MESS脉冲信号（IN[1026]），即可完成故障复位
在博途软件中定义PLC与机器人的信号映射关系，分为输入映射（KUKA→PLC）和输出映射（PLC→KUKA）：
| 信号名称< | 数据类型< | 偏移量< | 默认值< | 功能描述 |
|---|---|---|---|---|
| robot_out1_ALARM_STOP | Bool | 0.0 | false | 机器人急停状态 |
| robot_out2_USER_SAF | Bool | 0.1 | false | 操作人员防护装置状态 |
| robot_out3_PER_RDY | Bool | 0.2 | false | 驱动装置就绪 |
| robot_out4_HOME | Bool | 0.3 | false | 机器人原点位置反馈 |
| robot_out5_IO_ACTCONF | Bool | 0.4 | false | 外部自动运行激活状态 |
| robot_out6_STOPMESS | Bool | 0.5 | false | 故障停止信号 |
| robot_out7_PRO_ACT | Bool | 0.6 | false | 程序运行中反馈 |
| robot_out8_pgno_req | Bool | 0.7 | false | 程序编号请求 |
| 信号名称< | 数据类型< | 偏移量< | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| robot_in1_PGNO_PARITY | Bool | 34.0 | 程序号奇偶校验（0=无校验） |
| robot_in2_PGNO_VALID | Bool | 34.1 | 程序编号有效 |
| robot_in3_EXT_START | Bool | 34.2 | 程序启动 |
| robot_in4_MOVE_ENABLE | Bool | 34.3 | 运行开通 |
| robot_in5_CONF_MESS | Bool | 34.4 | 故障复位 |
| robot_in6_DRIVES_OFF | Bool | 34.5 | 驱动器关闭 |
| robot_in7_DRIVES_ON | Bool | 34.6 | 驱动装置接通 |
| robot_in17-24 | Byte | 36.0 | 程序号（默认16#0） |
