第一章

緒論第一節(jié)

智能制造概念第一節(jié)

智能制造概念一、制造業(yè)發(fā)展歷程發(fā)展階段年份里程碑主要成果機械化1760-1860水力和蒸汽機器生產(chǎn)代替手工勞動，社會經(jīng)濟基礎(chǔ)從農(nóng)業(yè)想以機械制造為主的工業(yè)轉(zhuǎn)移電氣化1861-1950電力和電動機采用電力驅(qū)動的大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品零部件生產(chǎn)與裝配環(huán)節(jié)的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式自動化1951-2010電子技術(shù)和計算機電子計算機與信息技術(shù)的廣泛應用，使得機器逐漸代替人類作業(yè)智能化2011至今網(wǎng)絡(luò)和智能化智能化實現(xiàn)制造的智能化、個性化和集成化1.制造業(yè)發(fā)展歷程

隨著計算機的問世，機械制造業(yè)大體沿著兩條路線發(fā)展：一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展，二是借助計算機和數(shù)字控制科學的智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。

20世紀以來，自動化制造的發(fā)展大體是每十年上一個臺階：20世紀50~60年代的“明星”是硬件數(shù)控（HardNC），70年代以后則是計算機數(shù)據(jù)控制（CNC）蓬勃發(fā)展，80年代世界范圍的柔性自動化熱潮興起，同時計算機集成制造開始出現(xiàn)，但由于技術(shù)局限等原因，并未大規(guī)模應用于當時的實際工業(yè)生產(chǎn)。

如今，人類社會的制造業(yè)已從機械化全面邁向智能化、個性化、“私人定制”式工業(yè)生產(chǎn)將成為最新一次技術(shù)革命的主要標志。2.智能制造概念

智能制造是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)與設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)融合，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。

特點：它具備以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐的四大特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源消耗，對推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。3.智能制造系統(tǒng)模型

結(jié)合智能制造技術(shù)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)架構(gòu)、價值鏈和產(chǎn)品生命周期等三個維度構(gòu)建了智能制造標準化參考模型，有助于認識和理解智能制造標準的對象、邊界、各部分的層級關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系。(1)系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)自下向上分為五層。

1）設(shè)備層(現(xiàn)場層）包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、數(shù)控機床、機器人等感知和執(zhí)行單元。

2）控制層包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)無線（WIA）控制系統(tǒng)等。

3）管理層（操作層）由控制車間/工廠進行生產(chǎn)的系統(tǒng)所構(gòu)成，主要包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件等。

4）企業(yè)層由企業(yè)的生產(chǎn)計劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財務管理等信息化系統(tǒng)所構(gòu)成，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的整體管控，主要包括企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、供應鏈管理（SCM）系統(tǒng)和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)等。

5）網(wǎng)絡(luò)層由產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)共享信息實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、配套生產(chǎn)、物流配送、制造服務等。(2)價值鏈

智能制造系統(tǒng)的價值鏈包含以下五部分

1）制造資源

代表現(xiàn)實世界的物理實體，如文件、圖樣、設(shè)備、車間、工廠等人員可視為制造資源的一個組成部分。

2）系統(tǒng)集成

代表通過二維碼、射頻識別、軟件、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)集成原材料、零部件、能源、設(shè)備等各種制造資源。由小到大實現(xiàn)從智能裝備/產(chǎn)品到智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、智能工廠乃至智能制造系統(tǒng)的集成。

3）互聯(lián)互通

是指用同域網(wǎng)、馬聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)、專線等通信技術(shù)，實現(xiàn)資源間的連接及制造資源與企業(yè)管理系統(tǒng)間的連接。

4）信息融合

是指在系統(tǒng)集成和通信的基礎(chǔ)上，利用云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，在保障信息安全的前提下，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)間乃至更大范圍的信息協(xié)同共享。

5）新興業(yè)

包括個性化足制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)開發(fā)、工業(yè)云服務、電子商務等服務型制造模式。

(3)智能制造系統(tǒng)生命周期

智能制造系統(tǒng)生命周期包括設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務五個環(huán)節(jié)，是一系列相互聯(lián)系的價值創(chuàng)造活動組成的鏈式集合。產(chǎn)品生命周期中各項活動相互關(guān)聯(lián)、相互影響。不同行業(yè)的產(chǎn)品生命周期構(gòu)成不盡相同。在智能制造的大趨勢下，企業(yè)從主要提供產(chǎn)品向提供產(chǎn)品和服務轉(zhuǎn)變，使價值鏈得以延伸。

智能制造系統(tǒng)模型是一個通用模型，適用于智能制造全價值鏈所有合作伙伴公司的產(chǎn)品和服務，它為智能制造相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建、開發(fā)、集成和運行提供一個框架。通過建立智能制造參考模型，可以將現(xiàn)有標準（如工業(yè)通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、設(shè)備集成、數(shù)字工廠等）和擬制定的新標準（如語義化描述和數(shù)據(jù)字典、互聯(lián)互通、系統(tǒng)能效、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）一起納入一個新的全球制造參考體系。第一章

緒論

第二節(jié)

智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

一、全球智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

從全球范圍看，除了美國、德國和日本走在全球智能制造的前端，其他國家也在積極布局智能制造發(fā)展。

例如，歐盟各成員國將發(fā)展先進制造業(yè)作為重要的戰(zhàn)略，在2010年制定了第七框架計劃（FP7）的制造云項目，并在2014年實施歐盟。“2020地平線”計劃，將智能型先進制造系統(tǒng)作為創(chuàng)新研發(fā)的優(yōu)先項目。2013年，英國政府提出《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》，該計劃是定位于2050年英國制造業(yè)發(fā)展的一項長期戰(zhàn)略研容通討分析制業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)，提出英國制造業(yè)發(fā)展與復蘇的政策。隨著國際分工體系的變化，韓國制業(yè)面臨著競爭力下滑的挑戰(zhàn)，迫切需要新的發(fā)展戰(zhàn)略。2014年6月韓國政府正式推出《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略》，為韓國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了明確的方向。二、中國智能制造背景及驅(qū)動因素

第一個驅(qū)動因素：我國經(jīng)濟發(fā)展正處在新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時期，新的經(jīng)濟增長必須依靠勞動者素質(zhì)的提高，以及科技進步和全要素生產(chǎn)力的提高。所以經(jīng)濟增長進入高質(zhì)量增長階段的要求為我國智能制造的發(fā)展提供了一個重要的動力。圖1-12010-2017年中國城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員平均工資圖1-22012-2020年工業(yè)機器人成本回收期測算(單位：年）第二個驅(qū)動因素：中國的數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)進入了一個趕超爭先的階段。第三個驅(qū)動因素，技術(shù)背景全網(wǎng)時代的到來社會已經(jīng)進入一個人、機、物全面互聯(lián)，在全球廣域范圍內(nèi)的全網(wǎng)時代、信息化是鮮明的全網(wǎng)時代特征，新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)不斷創(chuàng)新突破數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、深入發(fā)展，信息革命正從技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命向經(jīng)濟社會變革加速演變、世界經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為大勢所趨，為智能制造帶來重大的機遇。新一代的人工智能在全網(wǎng)的條件下出現(xiàn)和發(fā)展，實現(xiàn)人、機、物之間即時交互，依靠這些技術(shù)人類終將實現(xiàn)真正意義上的智能制造。三、中國制造2025戰(zhàn)略

2015年5月，國務院發(fā)布《中國制造2025》，是中國實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領(lǐng)。這一規(guī)劃由工業(yè)和信息化部牽頭，會同國家發(fā)改委、科技部、財政部、質(zhì)檢總局、工程院等20多個部門編制而成，前期組織了50多名院士、100多位專家歷時一年半時間進行戰(zhàn)略研究。其創(chuàng)新之處在于通篇貫穿了應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的內(nèi)容，重點實施了制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)、智能制造、工業(yè)強基、綠色發(fā)展、高端裝備創(chuàng)新，中國制造2025戰(zhàn)略建設(shè)框架如圖1-3所示。圖1-3中國制造2025戰(zhàn)略建設(shè)框架《中國制造2025》國家戰(zhàn)略

《中國制造2025》明確提出把智能制造作為兩化（信息化和工業(yè)化）深度融合的主攻方向，以促進制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求為目標，強化工業(yè)基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，完善多層次、多類型人才培養(yǎng)體系，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，培育有中國特色的制造文化，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。當前，全球制造業(yè)分為三個方陣，第一方陣是美國，第二方陣是德國、日本，中國、韓國、英國和法國等其他國家屬于第三方陣。

《中國制造2025》提出“三步走”戰(zhàn)略，提出力爭通過三個十年的努力實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標。第一步，到2025年，制造業(yè)整體素質(zhì)大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強，形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產(chǎn)業(yè)集群，邁入世界制造強國行列：第二步，到2035年，中國制造業(yè)達到世界制造強國中等水平；第三步，新中國成立一百年時，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列，如圖1-4所示。圖1-4《中國制造2025》戰(zhàn)略目標《中國制造2025》的主要內(nèi)容可以用“一、二、三、四、五、五、十”來概括：

“一”就是一個目標，即實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。

“二”就是兩化融合，堅定不移地推進信息化與工業(yè)化深度整合，搶占新一輪的發(fā)展。

“三”就是“三步走”戰(zhàn)略，力爭用三個十年時間，通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標。

“四”就是在推進制造強國戰(zhàn)略中必須堅持的四項原則，一是市場主導，政府引導；二是立足當前，著眼長遠；三是整體推進，重點突破；四是自主發(fā)展，開放合作。

“五”第一個“五”就是有五個方針，即創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和人才為本。第二個“五”就是要以五大工程為抓手，即高端裝備創(chuàng)新、工業(yè)強基創(chuàng)新能力建設(shè)、智能制造和綠色發(fā)展。

“十”就是大力推動十個重點領(lǐng)域突破發(fā)展，即重點聚焦新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)機裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械，如圖1-5所示。圖1-5中國制造2025重點突破的十大領(lǐng)域第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)

智能制造單元控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)智能制造單元控制系統(tǒng)

一、SIEMENSS7-1200PLC智能制造單元控制系統(tǒng)應用

S7-1200PLC屬于中小型系列的PLC。因為結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，S7-1200PLC可用于控制各種設(shè)備，也使它成為控制各種中小型工業(yè)自動化系統(tǒng)的完美解決方案。

S7-1200PLC在硬件結(jié)構(gòu)上屬于模塊式PLC，組成PLC的各功能部件作為獨立的模塊，如CPU模塊、電源模塊、I/O模塊和通信模塊等，通過插槽框架組裝成完整的PLC系統(tǒng)。模塊化的結(jié)構(gòu)便于在實際應用中根據(jù)用戶需求選擇，提高了PLC使用的靈活性。圖2-1

S7-1200和S7-1500PLC基本單元圖2-2

S7-1200PLC基本單元和常用配置圖2-3

S7-1200PLCLED燈顯示I/O狀態(tài)指示燈以太網(wǎng)接口存儲卡插槽CPU狀態(tài)指示燈安裝信號板處圖2-4

S7-1200PLCLED燈顯示

二、TIA博途軟件應用

TIA博途軟件為全集成自動化的實現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺。用戶不僅可以將組態(tài)和程序編輯應用于通用控制器，也可以應用于具有Safety功能的安全控制器。除此之外，還可以將組態(tài)應用于可視化的Wince等人機界面操作系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)。通過在TIA博途軟件中集成應用于驅(qū)動裝置的Startdrive軟件，可以對SINAMICS系列驅(qū)動產(chǎn)品配置和調(diào)試。結(jié)合面向運動控制的SCOUT軟件，還可以實現(xiàn)對SIMOTION運動控制器的組態(tài)和程序編輯。圖2-5PORTAL視圖圖2-6TIA博途軟件主要的功能模塊上圖中，SIMATICSTEP7用于西門子PLC編程，如S7-1200/1500系列PLC編程；SIMATICWINCC用于設(shè)計觸摸屏操控程序，如對西門子SIMATICHMI精簡門面板系列觸摸屏設(shè)計操控程序；SIMATICStartdrive功能模塊主要用于西門子變頻器驅(qū)動通信程序設(shè)計，如為SINAMICSG120系列變頻器設(shè)計通信程序；SIMATICSCOUT功能模塊主要用于SIMOTION運動控制器驅(qū)動，該運動控制器具有多種通信接口，用于連接伺服驅(qū)動器、步進驅(qū)動器和液壓驅(qū)動器；SIMOCODE功能模塊主要用于實現(xiàn)電動機提供全面的保護、監(jiān)視與控制功能；TIAPortal是仿真工具，可以實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字工廠從數(shù)字化規(guī)劃和一體化透明運行。第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)

智能制造單元物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)

一、物聯(lián)網(wǎng)定義、體系結(jié)構(gòu)

1999年，麻省理工學院Auto-ID研究中心提出：物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IOT）是指把所有物品通過射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）和條碼等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理功能的網(wǎng)絡(luò)。

目前，較為公認的物聯(lián)網(wǎng)定義是指物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，無疑消除了人與物之間的隔閡，使人與物、物與物之間的對話得以實現(xiàn)，由于整個物聯(lián)網(wǎng)的概念涵蓋從終端到網(wǎng)絡(luò)、從數(shù)據(jù)采集處理到智能控制、從應用到服務、從人到物等方方面面，涉及射頻識別裝置、無線傳感器、網(wǎng)絡(luò)紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)與移動網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)服務、行業(yè)）應用軟件等眾多技術(shù)引領(lǐng)整個科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

二、物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是新型信息系統(tǒng)的代名詞，它是三方面的組合：

一是“物”，即由傳感器、射頻識別器等各種執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字信息空間與實際事物關(guān)聯(lián)；

二是“網(wǎng)”，即利用互聯(lián)網(wǎng)將這些物和整個數(shù)子信息空間進行互聯(lián)，以方便廣泛地應用；

三是“用”，即以采集和互聯(lián)為基礎(chǔ)，深入、廣泛、自動地采集大量信息，以實現(xiàn)更高智慧的應用和服務。

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由三個層次組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。圖2-7物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框架圖

1）感知層

物聯(lián)網(wǎng)感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，它是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心，主要解決生物界和物理界的數(shù)據(jù)采集和連接問題。物聯(lián)網(wǎng)是各種感知技術(shù)的廣泛應用，物聯(lián)網(wǎng)上有大量的不同類型的傳感器，所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同，所以，每一個傳感器都是唯一的信息源。2）網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層主要解決感知層長距離傳輸數(shù)據(jù)的問題，是物聯(lián)網(wǎng)的中間層，是物聯(lián)網(wǎng)三大層次中標準化程度最高、產(chǎn)業(yè)化能力最強、最成熟的部分。它由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、有線通信網(wǎng)、無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺組成，相當于人類的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。網(wǎng)絡(luò)層又稱為傳輸層，包括接入層、匯聚層和核心交換層。3）應用層

物聯(lián)網(wǎng)應用層提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應用，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口。它與行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。三、物聯(lián)網(wǎng)的應用場景

制造業(yè)是指對原材料(采掘業(yè)的產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品）進行加工或再加工，以及對零部件裝配的工業(yè)的總稱。制造業(yè)包括產(chǎn)品設(shè)計、制造、原料采購、倉儲運輸、訂單處理、批發(fā)經(jīng)營、零售等多個方面。實踐證明，制造行業(yè)信息化綜合集成應用是大型集團企業(yè)信息化的大勢所趨。

國外許多大型企業(yè)一般通過數(shù)字化技術(shù)的綜合集成應用，實現(xiàn)了產(chǎn)品研制、采購、銷售等在全球范圍內(nèi)的協(xié)同管理。因此，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、異地協(xié)同制造、集團企業(yè)經(jīng)營綜合管理等信息技術(shù)的集成應用是提高我國集團性企業(yè)核心競爭力、參與全球競爭的重要技術(shù)武器。

采集數(shù)據(jù)恰恰是物聯(lián)網(wǎng)較為典型的應用形式，物聯(lián)網(wǎng)因其具有實時性、精細化以及穩(wěn)定度高等特點，可對生產(chǎn)過程中的設(shè)備物料以及環(huán)境物理量等多種數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，可滿足精益制造的多種要求，從而使制造業(yè)的信息化建設(shè)落到實處，并可提高效率減少浪費。第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)

第三節(jié)

智能制造單元工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)

一、工業(yè)機器人定義、使用特點及種類

根據(jù)機器人的應用環(huán)境，國際機器人聯(lián)合會(InternationalFederationofRobotics，簡稱FR）將機器人分為工業(yè)機器人和服務機器人?，F(xiàn)階段，考慮到我國在應對自然災害和公共安全事件中對特種機器人有著相對突出的需求，中國電子學會將機器人劃分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人三類，如圖2-8所示。圖2-8

2024年中國機器人市場結(jié)構(gòu)圖2-9

ABB工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，具有柔性好、自動化程度高、可編程性好、通用性強等特點。國際上，工業(yè)機器人的定義主要有以下三種：

1）國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization

，簡稱ISO）的定義：工業(yè)機器人提神具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。

2）美國機器人工業(yè)協(xié)會(TheRoboticIndustryAssociationofAmerica，簡稱RIA）的定義：一種可以反復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或者為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)。

3）日本工業(yè)機器人協(xié)會(TheJapanIndustrialRoboticsAssociation，簡稱JIRA）的定義：工業(yè)機器人是-種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的機器。2.工業(yè)機器人的特點：1）可編程

工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，是柔性制造系統(tǒng)(FlexibleManufacturingSystem，簡稱FMS）中的一個重要組成部分。2）擬人化

工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的腿部、足部、腰部、大臂、小臂、手腕、手指等部位。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。3）通用性

一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器(手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務。4）機電一體化

工業(yè)機器人技術(shù)涉及的學科相當廣泛，但是歸納起來是機械學和微電子學的結(jié)合機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能。

CHL-DS-11智能制造單元ABB機器人一應用程序，其功能是把汽車輪轂從倉儲子單元搬運到加工子單元的應用程序，各程序段和相關(guān)指令的含義參見教材。圖2-10常見的工業(yè)機器人

二、工業(yè)機器人的應用

1.機器人焊接應用2.機器人搬運應用3.機器人噴涂應用4.機器人裝配應用5.機械加工應用圖2-11工業(yè)機器人機械加工應用第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)

智能制造單元數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ)

現(xiàn)代企業(yè)數(shù)控加工系統(tǒng)一般由編程系統(tǒng)、數(shù)控機床、機床工藝系統(tǒng)和加工保障系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，編程系統(tǒng)一般利用CAD/CAM軟件，根據(jù)零件的加工要求在CAD的基礎(chǔ)上，進行工藝分析，進而生成數(shù)控加工所需的數(shù)控代碼，通過串行通信或網(wǎng)絡(luò)的形式傳送給數(shù)控機床，并在機床工藝系統(tǒng)和加工保障系統(tǒng)的配合下，完成零件的加工。

數(shù)控機床加工原理框圖如圖2-12所示，經(jīng)過運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按要求自動將零件加工出來。圖2-12數(shù)控機床加工原理框圖數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比，具有以下特點：1.編程實現(xiàn)零件自動加工且具有高度柔性2.加工精度高3.加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠4.生產(chǎn)率高5.改善勞動條件6.利用生產(chǎn)管理現(xiàn)代化

智能制造單元數(shù)控加工子單元（數(shù)控銑床，配置西門子828D數(shù)控系統(tǒng)）銑削應用程序，其功能是實現(xiàn)輪轂平面銑削。第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)智能制造單元RFID技術(shù)基礎(chǔ)

一、智能制造單元射頻識別技術(shù)

RFID是“RadioFrequencyIdentification”的縮寫，即無線電射頻識別，又稱電子標簽，是一種基于無線電的信息識別技術(shù)。

REID射頻識別通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。

作為條形碼的無線版本，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫特點，使用壽命長、讀取距離大、標簽上數(shù)據(jù)可以加密，存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。RFID設(shè)備操作快捷方便，可以實現(xiàn)識別高速運動物體以及同時識別多個標簽的功能，還可以工作于各種惡劣環(huán)境，其應用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。2.RFID技術(shù)特點RFID技術(shù)具有以下特點:1）讀取方便快捷。2）識別速度快。3）數(shù)據(jù)容量大。4）穿透性和無屏障閱讀。5）使用壽命長，應用范圍廣。6）標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改。7）安全性好。8）動態(tài)實時通信。

二、RFID技術(shù)工作原理

一套完整的RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標簽(也稱為應答器）和中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。RFID系統(tǒng)工作原理是閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，用驅(qū)動電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，閱讀器依序接收解讀數(shù)據(jù)、送給應用程序進行相應的處理。RFID系統(tǒng)閱讀器與應答器之間的通信采用無線射頻方式進行耦合，識別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體應答器中，應答器中存放的識別信息由閱讀器讀寫，其系統(tǒng)組成框架如圖2-13所示。圖2-13RFID系統(tǒng)組成框架

閱讀器和應答器之間的交互主要靠能量、時序和數(shù)據(jù)三個方面來完成：

1）閱讀器產(chǎn)生射頻載波為應答器提供工作所需能量。

2）閱讀器與應答器之間的信息交互通常采用詢問應答的方式進行，所以必須有嚴格的時序關(guān)系，該時序由閱讀器提供。

3）閱讀器與應答器之間可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，閱讀器給應答器的命令和數(shù)據(jù)通常采用載波間隙、脈沖位置調(diào)制、編碼解調(diào)等方法實現(xiàn)傳送。應答器存儲的數(shù)據(jù)信息采用對載波的負載調(diào)制方式向閱讀器傳送。三、RFID技術(shù)的應用場景

RFID技術(shù)具有抗干擾性強以及無須人工識別的特點，借助RFID技術(shù)在識別、感知、聯(lián)網(wǎng)、定位等方面的強大功能，將RFID技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，可有效提升制造效率、制造品質(zhì)和企業(yè)管理水平。RFID技術(shù)在智能制造中的應用主要有以下幾個方面。

1.基于RFID技術(shù)的數(shù)字化車間

RFID在數(shù)字化車間中的應用主要包括產(chǎn)品管理、設(shè)備智能維護、車間混流制造。采用RFID技術(shù)可實現(xiàn)產(chǎn)品與主機之間的信息交互、產(chǎn)品的可視化跟蹤管理、元器件壽命定時監(jiān)控與預測。

2.基于RFID技術(shù)的智能產(chǎn)品全生命周期管理

智能化是機電產(chǎn)品未來發(fā)展的重要方向和趨勢。3.基于RFID技術(shù)的物流智能化第二章智能制造單元技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)智能制造單元通信技術(shù)基礎(chǔ)一、Modbus通信協(xié)議簡介

Modbus是一種串行通信協(xié)議，由Modicon公司(現(xiàn)在的施耐德電氣公司）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)布。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準，現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。

Modbus是應用于電子控制的一種通用協(xié)議。通過該協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備就可以實現(xiàn)通信。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。該協(xié)議定義了一個控制器能夠識別、使用的消息結(jié)構(gòu)，不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。1.Modbus通信協(xié)議的特點。

1）標準、開放。用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要繳納許可費用，不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。

2）Modbus協(xié)議產(chǎn)品的造價低。Modbus是采用面向報文的協(xié)議，支持多種電氣接口，如RS232、RS422、RS485等。該協(xié)議支持的可傳送信息的物理介質(zhì)包括雙絞線、光纜、無線射頻等。

3）Modbus易于部署和維護，其幀格式緊湊，協(xié)議簡單高效、通俗易懂，用戶使用方便，易于開發(fā)。

4）Modbus允許供應商無限制移動原始位或字。2.Modbus協(xié)議的架構(gòu)

Modbus協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)，提供連接到不同類型總線或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的客戶機/服務器通信?？蛻魴C使用不同的功能碼請求服務器執(zhí)行不同的操作；服務器執(zhí)行功能碼定義的操作并向客戶機發(fā)送響應，或者在操作中檢測到差錯時發(fā)送異常響應。（1）消息幀

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDescriptionUnit，PDU）。客戶機使用不同的功能碼請求服務器執(zhí)行不同的操作；服務器執(zhí)行功能碼定義的操作并向客戶機發(fā)送響應，或者在操作中檢測到差錯時發(fā)送異常響應。2）傳輸方式

Modbus協(xié)議是一種應用層報文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型。Modbus協(xié)議本身并沒有定義物理層，只是定義了控制器能夠識別和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。

Modbus協(xié)議使用串口傳輸時可以選擇RTU或ASCII模式，并規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令和應答方式并需要對數(shù)據(jù)進行校驗。ASCII模式采用LRC（縱向冗余校驗），RTU模式采用16位CRC（循環(huán)冗余校驗）。通過以太網(wǎng)傳輸時使用TCP，這種模式不使用校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。（3）功能碼

簡單來說，主設(shè)備（控制器）發(fā)送的功能碼告訴從設(shè)備執(zhí)行什么任務。不管Modbus采用何種方式傳輸，其PDU內(nèi)容都是一樣的。功能碼是請求/應答PDU的元素，有效的碼字范圍是十進制的1～255，其中128～255為異常響應保留。已定義的Modbus公共功能碼按其功能可分為數(shù)據(jù)訪問類、異常響應及診斷類兩部分。數(shù)據(jù)訪問類功能碼實現(xiàn)對輸人離散量、寄存器的訪問以及文件記錄的讀寫。診斷類功能碼提供了讀異常狀態(tài)、設(shè)備標識等功能。更詳細的功能碼介紹可查閱Modbus協(xié)議標準規(guī)范。（4）數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域是由兩個十六進制數(shù)構(gòu)成的，范圍為00～FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，它可以是由一對ASCII字符組成或由一個RTU字符組成。數(shù)據(jù)域包含需要從設(shè)備執(zhí)行什么動作或從設(shè)備采集的返回信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等。例如，功能碼指出從設(shè)備讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)域必須包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從設(shè)備，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。

（5）錯誤檢測域

標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)有兩種錯誤檢測方法，錯誤檢測域的內(nèi)容視所選的檢測方法而定。當選用ASCII模式作為字符幀，則錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC方法對消息內(nèi)容計算得到的，不包括開始的冒號及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。當選用RTU模式作為字符幀，則錯誤檢測域包含一個16位值（用兩個8位字符來實現(xiàn)）。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗余校驗方法得到的。CRC域附加在消息的最后，添加時先處理低字節(jié)然后處理高字節(jié)，故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。

Modbus支持連接到同一網(wǎng)絡(luò)的多個設(shè)備之間的通信，例如測量溫度和濕度的系統(tǒng)，并將結(jié)果傳送給計算機。Modbus通常用于將監(jiān)控計算機與遠程終端單元（RTU）連接在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)中。

3.數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)傳輸方面，Modbus支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)傳輸機制。（1）在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸

Modbus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程控制器、智能模塊和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件亦包括軟件。它可應用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。在Modbus網(wǎng)絡(luò)，所有通信都由主機發(fā)出，網(wǎng)絡(luò)可支持200多個遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務。（2）在其他類型的網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

在其他網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等技術(shù)通信，故任何控制器都能與其他控制器進行通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備，也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。

在消息傳輸方面，Modbus協(xié)議仍提供了主-從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是對等的。如果控制器發(fā)送一消息，它是作為主設(shè)備，并期望從設(shè)備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一個從設(shè)備回應格式并返回給發(fā)送的控制器。

二、工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）協(xié)議簡介

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應用的今天，基于TCP/IP的Internet基本上變成了計算機網(wǎng)絡(luò)的代名詞，而以太網(wǎng)又是應用最為廣泛的局域網(wǎng)，TCP/IP和以太網(wǎng)相結(jié)合成為當前最為流行的網(wǎng)絡(luò)解決方案。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，就是基于以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但是實際產(chǎn)品和應用卻又完全不同。這主要表現(xiàn)為普通商用以太網(wǎng)的產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性本質(zhì)安全性等方面不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。故在工業(yè)現(xiàn)場控制應用的是與商用以太網(wǎng)不同的工業(yè)以太網(wǎng)。

工以太網(wǎng)通信適合對數(shù)據(jù)傳輸速率高、交換數(shù)據(jù)量大的、主要用于計算機與PLC連接的子網(wǎng)，它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1）應用廣泛，以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太網(wǎng)的應用開發(fā)。

2）通信速率高，目前，10、100Mit/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應用，1Gbit/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mbit/s（如西門子PrbusDP）。顯然，以太網(wǎng)的速率比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快得多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。

3）資源共享能力強，隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化"，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。

4）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅蕴W(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。同時，機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。第三章智能制造單元運行與調(diào)試第一節(jié)認識智能制造單元與產(chǎn)品情景導入中國制造2025

堅持"創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本"一、智能制造單元構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)圖（1）傳感檢測技術(shù)高靈敏度、高精度、高可靠性的傳感技術(shù)。（2）實時通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模塊各個功能模塊實時數(shù)據(jù)通信。（3）精密制造技術(shù)精密成型鍛造技術(shù)、精密鑄造技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)等。

（4）自動識別技術(shù)射頻識別（RFID）技術(shù)是智能制造系統(tǒng)中被廣泛應用的一項關(guān)鍵技術(shù)。（5）工業(yè)機器人技術(shù)在智能制造系統(tǒng)運行過程中，工業(yè)機器人實現(xiàn)物料搬運、出入庫、數(shù)控機床上下料及工件夾持等功能。

（6）視覺檢測技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中，視覺系統(tǒng)用于實現(xiàn)圖像檢測。（7）系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)自動化系統(tǒng)整體方案設(shè)計技術(shù)以及安裝調(diào)試技術(shù)。二、CHL-DS-11智能制造單元與產(chǎn)品圖3-1CHL-DS-11智能制造單元1.總控制臺模塊外形及組成裝置圖3-2總控制臺模塊外形及組成裝置

總控制臺模塊也可以稱為總控子單元，其構(gòu)成分為控制模塊、操作面板、顯示終端和移動終端。2.立體倉儲模塊圖3-3立體倉儲模塊

倉儲模塊用于存放零件，由工作臺、立體倉庫、遠程IO模塊等組件構(gòu)成，立體倉庫為雙層六倉位結(jié)構(gòu)，每個倉位可存放一個零件。3.打磨模塊圖3-4打磨模塊

打磨模塊是完成對零件表面打磨、吹屑過程中的設(shè)備，由工作臺、打磨工位、旋轉(zhuǎn)工位、翻轉(zhuǎn)工裝、吹屑工位、防護罩、遠程I/O模塊等組件構(gòu)成。4.CNC加工模塊圖3-5CNC加工模塊

加工單元可對零件表面指定位置進行銑削加工，由工作臺、數(shù)控機床、刀庫、數(shù)控系統(tǒng)、遠程I/O模塊等組件構(gòu)成。5.視覺檢測模塊圖3-6視覺檢測模塊

視覺檢測模塊可根據(jù)不同需求完成對零件的檢測、識別，由工作臺、智能視覺、光源、結(jié)果顯示器等組件構(gòu)成。6.成品分揀模塊圖3-7成品分揀模塊

成品分揀模塊可根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)對不同零件的分揀動作，由工作臺、傳輸帶、分揀機構(gòu)、分揀工位、遠程IO模塊等組件構(gòu)成。7.執(zhí)行模塊圖3-8立體倉儲模塊

執(zhí)行模塊是產(chǎn)品在各個單元間轉(zhuǎn)換和定制加工的執(zhí)行終端，由工作臺、工業(yè)機器人、平移滑臺、快換模塊法蘭端、PLC控制器、遠程IO模塊等組件構(gòu)成。第三章智能制造單元運行與調(diào)試第二節(jié)智能制造單元調(diào)試與應用一、PLC軸工藝對象的配置

圖3-9執(zhí)行單元滑臺移動1.工藝對象配置圖3-10新建伺服軸圖3-11基本參數(shù)-常規(guī)參數(shù)組態(tài)1.工藝對象配置圖3-12基本參數(shù)-驅(qū)動器參數(shù)配置圖3-13擴展參數(shù)-機械參數(shù)組態(tài)1.工藝對象配置圖3-14擴展參數(shù)-位置限制參數(shù)組態(tài)1.工藝對象配置圖3-15動態(tài)-常規(guī)參數(shù)組態(tài)1.工藝對象配置圖3-16動態(tài)-急停參數(shù)組態(tài)1.工藝對象配置圖3-17回原點-主動參數(shù)組態(tài)THANKS二、氣壓傳動控制系統(tǒng)的運行及調(diào)試圖3-18氣源處理三聯(lián)件圖3-19氣源處理二聯(lián)件圖3-20二位三通電磁換向閥工作原理圖3-21電磁換向閥圖形符號圖3-22單電控二位五通電磁換向閥圖3-23單電控二位五通電磁換向閥組圖3-24各類氣動執(zhí)行元件圖3-25氣缸和單向節(jié)流閥的安裝圖3-26磁耦式無桿氣缸

說明：此圖是執(zhí)行單元氣動原理圖。該氣壓傳動系統(tǒng)有2個氣動手指氣缸，功能是實現(xiàn)夾具在機器人末端關(guān)節(jié)的安裝和夾具夾持動作的實現(xiàn)。圖3-27

機械手法蘭夾具和氣動夾具氣動原理圖

說明：該氣壓傳動系統(tǒng)有6個筆形氣缸，功能是實現(xiàn)6個倉位汽車輪轂的入倉和出倉，入倉時氣缸活塞桿縮回，出倉時活塞桿伸出，伸出位置由磁性開關(guān)檢測，縮回退到底。氣缸初始狀態(tài)為活塞桿縮回，換向閥電磁線圈通電實現(xiàn)活塞桿伸出。圖3-28立體倉儲模塊氣動原理圖圖3-29分揀模塊氣動原理圖

該氣壓傳動系統(tǒng)有9個氣缸，實現(xiàn)汽車輪轂在三個成品庫的入庫作業(yè)。每個成品庫入庫作業(yè)包括擋料、推料、定位三個動作，所以每個成品庫有三個氣缸；擋料氣缸升降動作，當下降時實現(xiàn)擋料；推料氣缸為磁偶式無桿氣缸，將汽車輪轂推送至成品庫；定位氣缸實現(xiàn)汽車輪轂在成品庫正確安放。

圖3-30打磨單元氣動原理圖

該氣壓傳動系統(tǒng)有6個氣缸，還有一個吹氣倉（作用是吹氣清除汽車輪轂的鐵屑）；夾爪升降氣缸和夾爪翻轉(zhuǎn)氣缸換向用雙電控三位五通閥控制，打其余氣缸換向用單電控二位五通閥控制。

說明：該氣壓傳動系統(tǒng)有6個氣缸，還有一個吹氣倉（作用是吹氣清除汽車輪轂的鐵屑）；夾爪升降氣缸和夾爪翻轉(zhuǎn)氣缸換向用雙電控三位五通閥控制，打其余氣缸換向用單電控二位五通閥控制。

打磨單元氣壓傳動系統(tǒng)的工作過程是：打磨工位夾持氣缸實現(xiàn)汽車輪轂夾持→機械手攜帶打磨工具實現(xiàn)輪轂打磨→夾爪手指氣缸實現(xiàn)汽車輪轂夾持→夾爪升降氣缸實現(xiàn)夾爪上升→夾爪翻轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)汽車輪轂翻轉(zhuǎn)→夾爪升降氣缸實現(xiàn)夾爪下降→夾爪手指氣缸實現(xiàn)汽車輪轂松開夾持→旋轉(zhuǎn)工位夾持氣缸實現(xiàn)汽車輪轂夾持→機械手攜帶打磨工具實現(xiàn)輪轂打磨→旋轉(zhuǎn)工位擺動氣缸實現(xiàn)汽車輪轂旋轉(zhuǎn)一定角度→機械手攜帶打磨工具實現(xiàn)輪轂打磨→機械手夾持汽車輪轂進入吹氣倉吹氣清楚汽車輪轂鐵屑→機械手夾持汽車輪轂進入分揀模塊進行分揀等。

圖3-31視覺檢測模塊軟件操作界面

圖3-32歐姆龍視覺系統(tǒng)三、視覺檢測模塊的運行及調(diào)試

判定顯示窗口：顯示場景的綜合判定結(jié)果（[OK]/[NG]）。場景整體的綜合判定結(jié)果。綜合判定中顯示的處理單元群中，如果任一判定結(jié)果為NG，則顯示為NG。

信息顯示窗口：顯示布局、處理時間和場景組名稱、場景名稱。

布局：將顯示當前的布局編號。

處理時間：顯示測量處理所花的時間。

場景組名稱、場景名稱：顯示當前顯示中的場景組編號、場景編號1.判定、信息顯示窗口圖3-33視覺系統(tǒng)軟件判定、信息顯示窗口

③工具窗口

“流程編輯”：啟動用于設(shè)定測量流程的流程編輯畫面。

“保存”：將設(shè)定數(shù)據(jù)保存到控制器的閃存中。變更任意設(shè)定后，請務必點擊此按鈕，保存設(shè)定。

“場景切換”：切換場景組或場景?？梢允褂?28個場景×32個場景組=4096個場景。

“布局切換”：切換布局編號。2.工具顯示窗口

圖3-34工具顯示窗口測量窗口的作用是執(zhí)行相機測量、圖像文件測量、輸出、連續(xù)測量。3.測量顯示窗口④測量顯示窗口

圖3-35測量顯示窗口

圖3-36相機參數(shù)設(shè)置

詳細結(jié)果顯示窗口（右圖下位）

將顯示試測量結(jié)果。

流程顯示窗口（右圖上位）

將顯示測量處理的內(nèi)容（測量流程中設(shè)定的內(nèi)容）。點擊各處理項目的圖標，將顯示處理項目的參數(shù)等要設(shè)定的屬性畫面。4.流程、詳細結(jié)果、圖像顯示窗口

圖3-37詳細結(jié)果顯示、圖像顯示知識回顧

本小節(jié)我們學習了視覺系統(tǒng)操作界面得判斷顯示窗口、信息顯示窗口、工具窗口、測量窗口、圖像窗口、詳細結(jié)果顯示窗口、流程顯示窗口。

圖3-38歐姆龍視覺系統(tǒng)

（1）進入主界面

執(zhí)行“功能”→“場景管理”命令，進行場景管理界面。

圖3-39場景管理5.車標檢測示例

（2）添加添加“形狀搜索Ⅲ”進入測試流程搭建界面，從右側(cè)項目處理單元中，選中需要添加的處理項目，單擊“追加”按鈕，處理項目即可被添加至左側(cè)流程框中。本項目添加的是“形狀搜索Ⅲ”。5.車標檢測示例圖3-40添加“形狀搜索Ⅲ”

（3）檢測區(qū)域設(shè)定

選擇符合奔馳車標大小的框選圖形，此處選擇長方形，框選車標搜索區(qū)域，選中“保存模型登錄圖像”項，單擊“確定”按鈕。圖3-41檢測區(qū)域設(shè)定5.車標檢測示例

（4）相似度設(shè)定

單擊“測量參數(shù)”選型卡，將相似度修改為85-100,單擊確定。

圖3-42相似度設(shè)定5.車標檢測示例5.車標檢測結(jié)果圖3-43有圖案車標檢測結(jié)果圖3-44沒有圖案車標檢測結(jié)果THANKS第三章智能制造單元運行與調(diào)試第三節(jié)

智能制造單元綜合調(diào)試運行

一、運行流程

二、綜合調(diào)試任務與目標1.執(zhí)行模塊的調(diào)試任務與目標2.立體倉儲模塊的調(diào)試任務與目標3.CNC加工模塊的調(diào)試任務與目標4.檢測模塊的調(diào)試任務與目標5.打磨模塊的調(diào)試任務與目標6.成品分揀模塊的調(diào)試任務與目標7.總控制臺模塊的調(diào)試任務與目標8.初始狀態(tài)的調(diào)試任務與目標1.氣路檢查接通氣路2.電源連接總電源檢查接通電源控制面板操作3.接通機器人電源開關(guān)接通機器人自動運行模式

三、執(zhí)行單元調(diào)試任務目標

（1）工業(yè)機器人安全姿態(tài)設(shè)定

確定工業(yè)機器人本體的安全姿態(tài)，在此姿態(tài)下工業(yè)機器人本體不會與周邊設(shè)備發(fā)生碰撞。當機器人單元第七軸運行時，工業(yè)機器人本體必須保持此姿態(tài)，不得同時其它動作。

（2）機器人單元第七軸參數(shù)配置

對機器人單元中的PLC編程，設(shè)置伺服電機的控制參數(shù)與實物規(guī)格一致，實現(xiàn)PLC對第七軸的運動控制；

在機器人示教器上實現(xiàn)第七軸回原點、定位運動、定速運動功能，原點傳感器位于標尺零刻度一側(cè)。

（3）快換工具的拾取與放回

對工業(yè)機器人操作與編程，使工業(yè)機器人可以完成對所需工具的拾取與放回，

動作過程連貫無碰撞。

（4）快換工具的使用

對工業(yè)機器人操作與編程，使工業(yè)機器人可以完成對所使用工具的動作控制，如夾爪類工具的夾緊/松開、吸盤類工具的吸取/釋放、電動工具的旋轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)產(chǎn)品的拾取、釋放、加工等。

1.初始狀態(tài)的調(diào)試任務與目標

在流程開始前和流程結(jié)束后，應用平臺處于初始狀態(tài)，初始狀態(tài)目標如下：

（1）工業(yè)機器人處于安全姿態(tài)，無工具。

（2）第七軸處于原點位置。

（3）快換工具按照需求擺放穩(wěn)當。

（4）倉儲單元所有倉位托盤縮回，指示燈正常點亮。

（5）數(shù)控單元主軸停轉(zhuǎn)，主軸位于機床坐標系原點，數(shù)控機床安全門關(guān)閉，夾具位于前端并松開。

（6）分揀單元傳送帶停止，分揀機構(gòu)所有氣缸縮回。

（7）總控單元三色燈僅綠色燈常亮，根據(jù)要求開始產(chǎn)品零件的生產(chǎn)工藝流程。

（8）流程開始前和完成所有流程后，總控單元三色燈僅黃色燈常亮。

2.立體倉儲單元調(diào)試任務目標

（1）由外部信號控制倉位托盤推出和縮回。

（2）每個倉位的傳感器可以感知當前是否有產(chǎn)品零件存放在倉位中。

（3）倉位指示燈根據(jù)倉位內(nèi)產(chǎn)品零件存儲狀態(tài)點亮，當倉位內(nèi)沒有存放產(chǎn)品零件時亮紅燈，當倉位內(nèi)存放有產(chǎn)品零件亮綠燈。

3.CNC加工模塊的調(diào)試任務與目標

（1）工業(yè)機器人將從打磨工位上取一個輪轂，數(shù)控單元安全門打開，工業(yè)機器人將輪轂上料到數(shù)控單元的夾具上；

（2）工業(yè)機器人退出數(shù)控單元，數(shù)控單元安全門關(guān)閉；

（3）數(shù)控機床完成指定加工圖紙圖形和數(shù)控加工工藝表進行加工（操作員需根據(jù)產(chǎn)品零件的正背面狀態(tài)自行完成翻轉(zhuǎn)動作，確保對產(chǎn)品零件正面的數(shù)控加工區(qū)域進行數(shù)控加工），加工完成數(shù)控主軸復位。

（4）工業(yè)機器人將產(chǎn)品零件由數(shù)控單元的夾具上拾取出來。

4.檢測單元的調(diào)試任務與目標

（1）工業(yè)機器人抓取輪轂零件，進行背面區(qū)域的產(chǎn)品特征視覺檢測；

（2）工業(yè)機器人控制視覺系統(tǒng)拍照。

5.打磨單元的調(diào)試任務與目標

（1）當工業(yè)機器人準備將輪轂零件放置到打磨工位或準備將輪轂由打磨工位取走時，翻轉(zhuǎn)工裝處于旋轉(zhuǎn)工位一側(cè)；

（2）當工業(yè)機器人準備將輪轂零件放置到旋轉(zhuǎn)工位或準備將輪轂由旋轉(zhuǎn)工位取走時，翻轉(zhuǎn)工裝處于打磨工位一側(cè)；

（3）翻轉(zhuǎn)工裝可將輪轂零件在打磨工位和旋轉(zhuǎn)工位間翻轉(zhuǎn)并準確定位；

（4）打磨加工只需將打磨刷與輪轂表面接觸后開啟打磨，保持3S后關(guān)閉打磨。

6.成品分揀模塊的調(diào)試任務與目標

（1）根據(jù)外部指令啟動傳動帶，并當產(chǎn)品零件運動到指定分揀機構(gòu)時，傳送帶停止。

（2）當產(chǎn)品零件觸發(fā)傳送帶起始端傳感器后，根據(jù)外部指令將對應道口分揀機構(gòu)升降氣缸降下。

（3）當產(chǎn)品零件運動到指定分揀機構(gòu)前，該分揀機構(gòu)推動氣缸將產(chǎn)品零件推入分揀道口，再通過道口的定位氣缸將產(chǎn)品零件定位到V型槽處，保持3s后縮回。THANKS第四章

智能制造單元通信協(xié)議與通信指令第一節(jié)

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)

一、智能裝備的通信方式

在數(shù)據(jù)通信中，按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，通信方式可分為：并行通信和串行通信。

并行通信是一次同時傳送8位二進制數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端需要8根傳輸線。

串行通信一次只傳送一位二進制的數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只需要一根傳輸線。

對于控制器對控制器之間的通信，按照數(shù)據(jù)傳送的方向與時間關(guān)系，通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。

單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健?/p>

通信半雙工通信可以實現(xiàn)雙向的通信，但不能在兩個方向上同時進行，必須輪流交替地進行。在這種工作方式下，發(fā)送端可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮斩?；相應地，接收端也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送端。

全雙工通信是指在通信的任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向數(shù)據(jù)傳輸。全雙工通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

二、串行異步通信含義、接口標準和通信格式

1.串行異步通信含義

串行通信是以二進制的位（bit）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳送一位，除了地線外，在一個數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線，這根線既作為數(shù)據(jù)線又作為通信聯(lián)絡(luò)控制線，數(shù)據(jù)信號和聯(lián)絡(luò)信號在這根線上按位進行傳送。

異步傳送是在數(shù)據(jù)傳送過程中，發(fā)送方可以在任意時刻傳送字串（一組二進制數(shù)或一個字符），兩個字串之間的時間間隔是不固定的。接收端必須時刻做好接收的準備，但在傳送一個字串時,所有的比特位（bit）是連續(xù)發(fā)送的。

通信協(xié)議又稱通信規(guī)程，是指通信雙方對數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定。約定中包括對通信接口、同步方式、通信格式、傳送速度、傳送介質(zhì)、傳送步驟、數(shù)據(jù)格式及控制字符定義等一系列內(nèi)容做統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須同時遵守。通信協(xié)議應該包含兩部分內(nèi)容：一是硬件協(xié)議，即接口標準；二是軟件協(xié)議，即通信協(xié)議。

2.接口標準

串行異步通信接口標準是對接口的電氣特性要做出規(guī)定，例如，邏輯狀態(tài)的電平、“0”是幾伏、“1”是幾伏、信號傳輸方式、傳輸速率、傳輸介質(zhì)、傳輸距離等；3.串行異步通信格式（起止式異步傳送字串的數(shù)據(jù)格式）串行異步通信字串傳送數(shù)據(jù)格式和波特率，稱為串行異步通信的通信格式。在串行異步通信中，通信雙方必須就通信格式進行統(tǒng)一規(guī)定，也就是就一個字串的數(shù)據(jù)位長度、有無校驗位、校驗方法和停止位的長度及傳輸速率（波特率）進行統(tǒng)一設(shè)置,這樣才能保證雙方通信的正確。如果不一樣，都不能保證正確進行通信。通信格式的設(shè)置是由硬件電路來完成的。圖4-1起止式異步傳送示意圖

起止式異步傳送的特點：一個字串一個字串地傳輸，每個字串一位一位連續(xù)地傳輸，并且傳輸一個字串時，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束，字串之間沒有固定的時間間隔要求。

3.串行異步通信數(shù)據(jù)傳送格式（報文格式)

把一個一個的字串組織在一起，形成了一個字串串，這個由多個字

串組成的數(shù)據(jù)信息就是通信控制的具體內(nèi)容，稱為一幀信息。

圖4-2HDLC的數(shù)據(jù)信息幀結(jié)構(gòu)HDLC是高級數(shù)據(jù)鏈控制的英語縮寫。第四章

智能制造單元通信協(xié)議與通信指令第二節(jié)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議

一、TCP/IP協(xié)議在智能制造單元中的應用

在智能制造單元中，工業(yè)機器人控制器通過互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)與視覺檢測模塊控制器的數(shù)據(jù)交互，完成工業(yè)機器人與視覺檢測模塊的數(shù)據(jù)通信。

互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，即傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也叫作網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，它是互聯(lián)網(wǎng)使用最基本的通信協(xié)議。TCP/IP傳輸協(xié)議是嚴格來說是一個四層的體系結(jié)構(gòu)，包括應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。

二、互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議架構(gòu)

TCP/IP協(xié)議在一定程度上參考了OSI（OpenSystemInterconnect，開放式系統(tǒng)互連）參考模型的體系結(jié)構(gòu)。

OSI模型共有七層，從下到上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

在TCP/IP協(xié)議中，它們被簡化為以下四個層次：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。應用層是TCP/IP協(xié)議的第一層，是直接為應用進程提供服務的。傳輸層在終端用戶之間提供透明的數(shù)據(jù)傳輸，向上層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。網(wǎng)絡(luò)層可以進行網(wǎng)絡(luò)連接的建立和終止以及IP地址的尋找等功能。數(shù)據(jù)鏈路層既是傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，也可以為網(wǎng)絡(luò)提供一條準確無誤的線路。第四章

智能制造單元通信協(xié)議與通信指令第三節(jié)Modbus通信協(xié)議與通信指令

Modbus協(xié)議是由Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣公司）于1979年底為實現(xiàn)可編程邏輯控制器通信而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議，用于在自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信。

通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。Modbus協(xié)議也是一種通用工業(yè)標準。利用Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備就可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。該協(xié)議還定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過哪種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。Modbus協(xié)議也描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應來自其它設(shè)備的請求，以及如何偵測錯誤并記錄。制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，該協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設(shè)備地址，決定要產(chǎn)生何種行為。如果需要回應，設(shè)備將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

協(xié)議在一根通訊線上使用應答式連接（半雙工），意味著在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。首先，主計算機的信號尋址到一臺唯一的終端設(shè)備（從機），然后，在相反的方向上終端設(shè)備發(fā)出的應答信號傳輸給主機。協(xié)議只允許在主計算機和終端設(shè)備之間交換，而不允許獨立的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這就不會在使他們初始化時占據(jù)通訊線路，而僅限于響應到達本機的查詢信號。

一、ModbusRTU通信協(xié)議Modbus協(xié)議有多個變種，如ModbusTCP/IP協(xié)議、ModbusRTU協(xié)議、ModbusASCII協(xié)議。ModbusTCP/IP協(xié)議使用RJ45物理通信接口；ModbusRTU協(xié)議使用RS232或者RS485/RS422接口，通訊方式是串口通信，是直接傳輸二進制數(shù)值的通信；ModbusASCII協(xié)議使用RS232或者RS485/RS422接口，ModbusASCII協(xié)議通信方式也是串口通信，ModbusASCII比前兩者少用。ModbusRTU（RemoteTerminalUnit，遠程終端單元）是最常見和流行的一種。ModbusRTU是基于串行通信的協(xié)議，使用二進制編碼來傳輸數(shù)據(jù)。它通常運行在RS-485或RS-232串行接口上，支持多主從模式。1.ModbusRTU通信協(xié)議的運行機制

ModbusRTU通信協(xié)議使用簡單而有效的“請求-響應”機制，其中一個主機（通常是控制系統(tǒng)）發(fā)送請求來讀取或?qū)懭霃臋C（通常是自動化設(shè)備）的數(shù)據(jù)。

每個設(shè)備都有一個唯一的地址，以便主機可以準確識別要與之通信的設(shè)備。通信速率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等參數(shù)需要在主從設(shè)備之間進行配置以保持通信的一致性。ModbusRTU協(xié)議使用了簡單且緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括功能碼（用于指定讀取或?qū)懭氩僮黝愋停?、寄存器地址（用于指定要讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)地址）和數(shù)據(jù)字段（包含要讀取或?qū)懭氲膶嶋H數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)可以是寄存器（例如：輸入寄存器或保持寄存器）或線圈（例如：輸入線圈或輸出線圈）類型。通信模塊/通信板訂貨號備注CM1241RS2326ES7241-1AH32-0XB0作主站時，只能與一個從站通信CM1241RS4856ES7241-1CH30-0XB0作主站時，最多可以與32個從站通信CM1241RS422/4856ES7241-1CH32-0XB0作主站時，最多可以與32個從站通信表4-1支持ModbusRTU通信的模塊2.ModbusRTU通信協(xié)議的主要特點：

簡單和可靠：ModbusRTU協(xié)議采用簡單的幀格式，通過串口通信傳輸數(shù)據(jù)，具有高度可靠性。

靈活性：可以支持多種不同類型的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并且允許不同設(shè)備之間的直接通信。

跨平臺性：ModbusRTU協(xié)議可以在不同的硬件平臺和操作系統(tǒng)上運行，使其成為一種常見的工業(yè)通信標準。

高效性：使用二進制編碼的方式傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)較高的傳輸速率。

3.ModbusRTU通信協(xié)議的工作原理ModbusRTU協(xié)議定義了主從設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的規(guī)則。主設(shè)備負責發(fā)起通信并控制數(shù)據(jù)的讀寫，而從設(shè)備則執(zhí)行主設(shè)備的指令并返回相應的數(shù)據(jù)。主設(shè)備發(fā)送一個讀或?qū)懼噶顜o從設(shè)備，幀中包含了從設(shè)備的地址、寄存器地址和要讀寫的數(shù)據(jù)。從設(shè)備接收到指令后進行處理，并將處理結(jié)果返回給主設(shè)備。主設(shè)備接收到從設(shè)備的應答后，解析其中的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要進行下一步操作。二、ModbusTCP通信協(xié)議1996年，施耐德公司推出了基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議——ModbusTCP通信協(xié)議。ModbusTCP覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的“Intranet”和“Internet”環(huán)境中Modbus報文的用途。ModbusTCP通信協(xié)議的最通用用途是為諸如PLC，I/O模塊，以及連接其他簡單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關(guān)服務的。ModbusTCP協(xié)議是在RTU協(xié)議前面添加MBAP報文頭，由于TCP是基于可靠連接的服務，RTU協(xié)議中的CRC校驗碼就不再需要，所以在ModbusTCP協(xié)議中是沒有CRC校驗碼。ModbusTCP使用服務器與客戶機的通信方式，由客戶機對服務器的數(shù)據(jù)進行操作訪問（讀/寫），服務器響應客戶機的讀/寫操作。1.ModbusTCP傳輸過程參考模型ModbusTCP的傳輸過程基于TCP/IP以太網(wǎng)參考模型，該模型通常采用五層結(jié)構(gòu)，對應OSI七層模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層。??物理層?：提供設(shè)備的物理接口，與以太網(wǎng)介質(zhì)（如雙絞線、光纖）和網(wǎng)絡(luò)適配器兼容，負責比特流的物理傳輸。?數(shù)據(jù)鏈路層?：將信號格式化為包含源和目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀，以太網(wǎng)中通常使用EthernetII或802.3格式，通過MAC地址實現(xiàn)節(jié)點間幀的可靠傳遞。?網(wǎng)絡(luò)層?：處理IP地址（32位IPv4）和路由選擇，負責將IP數(shù)據(jù)報從客戶機發(fā)送到服務器。?傳輸層?：基于TCP協(xié)議提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)完整性、順序性和流量控制，通過端口號（如502）區(qū)分不同服務，并處理錯誤檢測、重傳和連接管理。?應用層?：承載Modbus協(xié)議報文，定義數(shù)據(jù)交換的格式和規(guī)則，如MBAP報文頭和功能代碼。?

2.Modbus的操作對象

Modbus的操作對象有四種：線圈、離散輸入、輸入寄存器、保持寄存器。線圈是PLC的輸出位，屬于開關(guān)量，在MODBUS中可讀可寫；離散量是PLC的輸入位，開關(guān)量，在MODBUS中只讀；輸入寄存器是PLC中只能從模擬量輸入端改變的寄存器，在MODBUS中只讀；保持寄存器是PLC中用于輸出模擬量信號的寄存器，在MODBUS中可讀可寫。

根據(jù)對象的不同，Modbus的功能碼有：0x01：讀線圈；0x02：讀離散量輸入；0x03：讀保持寄存器；0x04：讀輸入寄存器；0x05：寫單個線圈；0x06：寫單個保持寄存器；0x10：寫多個保持寄存器；0x0F：寫多個線圈。

ADU?是?ApplicationDataUnit?的縮寫，中文為“應用數(shù)據(jù)單元”，是ModbusTCP協(xié)議通信的完整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。MBAP是ModbusApplicationProtocolHeader的簡寫，即Modbus報文頭。PDU是ProtocolDataUnit的簡寫，即協(xié)議數(shù)據(jù)單元，包含功能碼和通信數(shù)據(jù)。ModbusTCP數(shù)據(jù)幀由MBAP和PDU構(gòu)成。

圖3-3

ModbusTCP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.讀寄存器數(shù)據(jù)傳輸過程

在讀寄存器的過程中，以ModbusTCP請求報文為例,具體的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：1)ModbusTCP客戶端實況，用Connect()命令建立目標設(shè)備TCP502端口連接數(shù)據(jù)通信過程；2)準備Modbus報文，包括7個字節(jié)MBAP內(nèi)請求；3)使用send()命令發(fā)送；4)同一連接等待應答；5)同recv()讀報文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程；6)當通信任務結(jié)束時，關(guān)閉TCP連接，使服務器可以為其他服務。

三、ModbusRTU通信指令ModbusRTU通信協(xié)議定義了一系列功能碼，用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)讀寫操作。以下是ModbusRTU通信中常用的幾個功能碼及其對應的指令。1.Modbus_Comm_Load指令塊Modbus_Comm_Load指令用來對ModbusRTU通信模塊的端口進行組態(tài)，Modbus_Comm_Load指令塊見圖4-3所示，部分引腳參數(shù)定義見表4-2。圖4-3Modbus_Comm_Load指令塊引腳名稱定義REQ上升沿時啟動該指令PORT指定通信端口的硬件標識符BAUD波特率，有效值為300bit/s、600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s、38400bit/s、57600bit/s、76800bit/s、115200bit/sPARITY奇偶校驗，0：無校驗；1：奇校驗；2偶校驗FLOW_CTRL、RTS_ON_DLY、RTS_OFF_DLY用于RS232接口的通信，分別為流控制選擇、接通延遲選擇、關(guān)斷延遲選擇RESP_TO響應超時時間，通常采用默認值1000msMB_DB對Modbus_Master或Modbus_Slave指令的背景數(shù)據(jù)塊（靜態(tài)變量）的引用DONE如果上一個請求完成并且沒有錯誤，DONE位將變?yōu)門RUE并保持一個周期ERROR如果上一個請求完成出錯，則ERROR位將變?yōu)門RUE并保持一個周期STATUS錯誤代碼表4-2Modbus_Comm_Load

指令塊部分引腳參數(shù)定義2.Modbus_Master指令塊指令塊

ModbusMaster指令可通過由ModbusComm_Load指令組態(tài)的端口作為Modbus主站進行通信。圖4-4MB_MASTER指令及組態(tài)參數(shù)表4-3Modbus_Master指令塊部分引腳參數(shù)定義引腳名稱定義REQ上升沿時啟動該指令。MBADDRModusRTU從站地址(0～247),地址0將消息廣播到所有Modbus從站。廣播僅支持Modbus功能代碼05、06、15和16。MODE選擇Modbus功能的類型，0:讀取;1:寫入。DATA_ADDR指定要訪問的從站中數(shù)據(jù)的Modbus起始地址。DATALEN指定要訪問的數(shù)據(jù)長度。DATAPTR數(shù)據(jù)指針，指向要進行數(shù)據(jù)寫入或數(shù)據(jù)讀取的標記或數(shù)據(jù)塊地址。DONE如果上一個請求完成并且沒有錯誤，DONE位將變?yōu)門RUE并保持一個周期。BUSYFALSE:無激活命令，TRUE:命令執(zhí)行中。ERROR如果上一個請求完成出錯，則ERROR位將變?yōu)門RUE并保持一個周期。STATUS錯誤代碼。

3.Modbus_Slave指令塊

使用Modbus_Slave指令作為Modbus從站進行通信。圖4-5MB_SLAVE指令及參數(shù)組態(tài)

表4-4Modbus_Slave指令塊部分引腳參數(shù)引腳名稱定義MB_ADDRModbusRTU從站地址(0～247)，0是廣播地址。MB_HOLDREGModbus保持寄存器DB的指針，Modbus保持寄存器可能為標志的存儲區(qū)或者數(shù)據(jù)塊NDR1表示Modbus主站已寫入數(shù)據(jù)，為0狀態(tài)則沒有數(shù)據(jù)。DR