06 模块6 工业机器人通讯.docx

工业机器人技术基础课程教案课题：模块6工业机器人通讯课型：新授课课时：本章安排6个课时。教学过程：1. 教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。2. 教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。板书设计：本课标题模块6工业机器人通讯课次3授课方式理论课讨论课习题课其他课时安排6学分共2分授课对象应用型本科院校和高职院校工业机器人专业学生任课教师教材及参考资料1.工业机器人技术基础。2.本教材配套视频教程及学习检查等资源。3.与本课程相关的其他资源。教学基本内容教学方法及教学手段引言在当今高度信息化的时代，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛的传播、交流与共享，才能产生利用价值。而通信作为传输信息的手段，伴随着计算机技术、传感技术和微电子等技术，正在向着数字化、智能化、高速化、宽带化、综合化、移动与个人化等方向飞速发展。随着工业技术的发展和工业应用的扩张，很多工业机器人只是集成工作站内的一部分，工业机器人需要与各种外部设备、传感器以及多台机器人组成的集成工作站配合使用，它们之间的协作都离不开信号的收发与传递。参考以下形式：1.衔接导入2.悬念导入3.情景导入4.激疑导入5.演示导入6.实例导入7.其他形式本章基本知识汇总单元1 通信技术基础一、通信的发展历程二、消息、信息与信号1.消息本书中的消息是指通信系统传输的对象，它是信息的载体，例如语音、音乐、活动图片、文字、符号、数据等。消息可以分成两大类：连续消息和离散消息。连续消息是指消息的状态连续变化或不可数，如语音、温度数据等；离散消息则是指消息具有可数的有限个状态，例如符号、文字、数字数据等。2.信息信息是消息中所包含的有效内容。信息与消息的关系可以这样理解：消息是信息的物理表现形式，而信息是消息的内涵。例如播报天气，语音是天气预报的表现形式，而天气情况是语音的内涵。在当今社会中，信息已成为十分宝贵的资源，如何有效而可靠地传输信息是本书研究的主要内容。3.信号信号是消息的传输载体。在电信系统中，传输的是电信号。为了将各种消息（如一幅图片）通过线路传输，必须首先将消息转变成电信号（如电压、电流、电磁波等），也就是把消息载荷在电信号的某个参量（如正弦波的幅度、频率或相位，脉冲波的幅度、宽度或位置）上。由于消息可以分为两大类，所以信号也相应分为两大类：模拟信号和数字信号。（1）模拟信号：载荷消息的信号参量取值是连续（不可数、无穷多）的，如电话机送出的语音信号，其电压瞬时值是随时间连续变化的。模拟信号有时也称连续信号，连续的含义是指信号载荷的参数连续变化，在某一取值范围内可以取无穷多个值，但不一定在时间上连续。（2）数字信号：载荷消息的信号参量只有有限个取值，如电报机、计算机输出的信号。最典型的数字信号是只有两种取值的信号。消息与电信号之间的转换通常由各种传感器来实现。例如，话筒（声音传感器）把声波转变成音频电信号，摄像机把图像转变成视频电信号，热敏电阻（温度传感器）把温度转变成电信号等。综上所述，消息、信息和信号三者之间既有联系又有不同，即：消息是信息的物理形式，信息是消息的有效内容，信号是信息的传输载体。基于对上述内容的理解，电信就是利用电信号传输信息。三、通信系统的一般模型通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。对于电通信来说，首先要把消息转变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接收设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿再转换为原来的消息。（一）信源信源的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒（声音音频信号）、摄像机（图像视频信号）；数字信源则输出离散的数字信号，如电传机（键盘字符数字信号）；计算机等各种数字终端。模拟信源送出的信号经数字化处理后也可转为数字信号。（二）发送设备发送设备的作用是产生适合在信道中传输的信号，使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。发送设备涵盖的内容很多，包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程，对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。（三）信道信道是一种物理媒质，用于把来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。（四）接收设备接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。（五）信宿信宿是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。单元2 I/O通信一、I/O通信简介I/O（Input/Output）即输入输出端口，控制计算机通过I/O接口发送或接收信号的行为叫作I/O通信。机器人可通过I/O接口与外部设备进行交互，具体可分为数字量交互和模拟量交互。机器人拥有丰富的I/O通信接口，可以轻松地与周边设备进行通信。RS232通信、OPCserver、SocketMessage是与PC通信时的通信协议，DeviceNet、Profibus、ProfibusDP、PROFINET、EtherNetIP则是不同厂商推出的现场总线协议。二、I/O数字通信的特点由于数字信号是用两种相反的物理状态来表示0和1的，故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号强很多，但为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰的能力就越强，传输的距离也就越远。在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，几乎复杂的信号处理都离不开数字信号。或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示，就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。（一）便于加密处理信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。（二）便于存储、处理和交换数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。（三）设备便于集成化、微型化数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。（四）便于构成综合业务数字网采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。（五）占用信道频带较宽一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz。随着宽频带信道（光缆、数字微波）的大量利用（一对光缆可开通几千路电话）以及数字信号处理技术的发展（可将一路数字电话的数码率由64kB/s压缩到32kB/s甚至更低的数码率），数字电话的带宽问题已不是主要问题了。由以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。三、数字信号数字信号是指自变量和因变量均是离散的信号。这种信号的自变量用整数表示，因变量也用有限数字中的一个数字来表示。例如，PLC数字输出端口要么是高电平，要么是低电平，这两种情况可以用0和1表示。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示，即0或1。它的值是通过中央值来判断的，在中央值以下规定为0，以上规定为1。四、组信号用1个二进制位表达信息时，它能表达两种信号。若将多个数字信号组合，能表达的信号数量将呈现指数级（n个数字量信号组合可表示2n个信号）。五、模拟信号模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等。模拟信号波形在时间上是连续的（连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值），因此它是连续信号。单元3 现场总线一、现场总线概述现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线因其简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线是自动化领域中的底层数据通信网络。简单来说，现场总线就是以数字通信替代了传统420mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响，主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。（一）现场总线的产生（二）现场总线的现状（三）现场总线的未来趋势（四）现场总线的功能由于标准实质上并未统一，所以对现场总线也有不同的定义，但现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面。1.现场通信网络2.现场设备互联3.互操作性4.分散功能块5.通信线供电6.开放式互联网络二、现场总线的技术特点（一）现场总线的特点1.系统的开放性2.可操作性与互用性3.现场设备的智能化与功能自治性4.系统结构的高度分散性5.对现场环境的适应性（二）现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出诸多优越性。1.节省硬件数量与投资2.节省安装费用3.节约维护开销4.用户具有高度的系统集成主动权5.提高了系统的准确性与可靠性三、现场总线的网络模型OSI通信参考模型为了实现不同设备之间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISO/TC97于1978年建立了“开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型的建议草案，并于1983年成为正式的国际标准。ISO74于1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充，形成了为实现开放系统互联所建立的分层模型，简称OSI参考模型。这是为异种计算机互联提供了一个共同基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供了共同的参考。“开放”并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是对标准的认同。一个系统是开放系统，是指它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。（一）物理层（三）网络层（四）传输层（五）会话层1.令牌管理2.同步（六）表示层（七）应用层四、现场总线设备现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表设备。这些设备按其功能可分为变送器设备、执行器类设备、信号转换类设备、接口类设备、电源类设备和附件类设备。（一）现场总线设备的分类现场总线设备是指内置微处理器，并具有数字计算、数字通信功能的现场设备。这类现场总线设备通常被称为现场总线仪表，它们安装在现场，与现场总线连接，输入或输出现场总线信号。现场总线设备分类如下：1.现场总线变送器类设备2.现场总线执行器类设备3.现场总线信号转换类设备4.现场总线接口类设备5.现场总线电源类设备6.现场总线附件类设备（二）现场总线设备与一般智能仪表的区别现场总线设备与一般智能仪表之间的主要区别如下：1.一般智能仪表通常不具有通信功能，或不能用现场总线通信；而现场总线设备则采用现场总线实现数据通信。2.一般智能仪表没有节点地址，在使用时也不存在寻址问题；而现场总线设备具有唯一的节点地址，这是在仪表出厂时就设置好的。3.一般智能仪表的组态既可以从上位机下装，也可通过手握式编程器实现；现场总线设备通常由资源块、转换器块和相关功能块组成，它的组态通常由上位机下装实现。（三）现场总线设备的特点1.全数字2.精度高3.多变量测量4.多变量传送5.抗干扰能力强6.数据信息量大7.计算和控制功能强8.分散控制9.改善控制系统控制品质10.机电一体化11.标准化12.互操作性13.综合成本降低五、常见总线类型（一）CAN（二）DeviceNetDeviceNet具有如下特点：1.DeviceNet基于CAN总线技术，它可连接开关、光电传感器、阀组、电动机启动器、过程传感器、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125500kb/s，每个网络的最大节点数是64个，干线长度为100500m。2.DeviceNet使用的通信模式是生产者/客户。3.设备可互换性。4.DeviceNet网络上的设备可以随时连接或断开，而不会影响网络上其他设备的运行，方便维护和减少维修费用，也便于系统的扩充和改造。5.DeviceNet网络上的设备安装比传统的I/O布线更加节省费用，尤其是当设备分布在几百米范围内时，更有利于降低布线安装成本。6.利用RSNetworkforDeviceNet软件可方便地对网络上的设备进行配置、测试和管理，网络上的设备以图形方式显示工作状态，一目了然。现场总线技术具有网络化、系统化、开放性的特点，需要多个企业相互支持、相互补充来构成整个网络系统。（三）PROFIBUSPROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线，ISO/OSI模型也是它的参考模型。PROFIBUS系列由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA组成。单元4 工业以太网一、工业以太网概述工业以太网是基于IEEE802.3标准的强大区域和单元网络。随着工业自动化系统向分布化、智能化控制方向发展，开放、透明的通信协议是必然的要求。以太网（EtherNet）具有传输速率快、低耗、易于安装、兼容性好、软硬件产品丰富和支持技术成熟等方面的优势，几乎支持所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近年来，以太网逐渐进入工业控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。（一）以太网引入工业控制领域的技术优势以太网技术引入工业控制领域，具有非常明显的技术优势。1.以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议，不同厂商的设备可以很容易实现互联。2.以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。3.以太网软硬件成本低廉，且由于技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。4.以太网通信速率快。随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前标准以太网的通信速率为10Mb/s，100Mb/s的快速以太网已广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s的以太网也正在研究中，其速率比目前的现场总线快很多。5.以太网可持续发展潜力大。在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络。当前信息技术与通信技术的发展更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术不断地持续向前发展。（二）以太网引入工业控制领域存在的问题以太网进入工业控制领域，同样也存在一些问题。1.实时性问题2.对工业环境的适应性与可靠性问题3.适用于工业自动化控制的应用层协议问题4.本质安全和网络安全问题5.服务质量问题二、工业以太网的产生与发展工业以太网在技术上应与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在设计时，于材质选用、产品强度、适用性以及实时性、可操作性、可靠性、抗干扰性和安全等方面必须满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，以太网技术也得到了迅速的发展：以太网传输速率的提高和交换技术的发展，给解决以太网通信的不确定性问题带来了希望，并使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。目前，工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：（一）通信确定性与实时性（二）稳定性与可靠性（三）工业以太网协议（四）工业以太网的发展趋势总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：1.工业以太网与现场总线相结合2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋3.发展前景三、工业以太网的主要标准工业以太网是按照工业控制的要求，发展适当的应用层和用户层协议，使以太网和TCP/IP技术真正能应用到控制层，延伸至现场层，而在信息层又尽可能采用IT行业的最新有效成果。因此，工业以太网与以太网在工业中的应用全然不是同一个概念。目前，4种主要的工业以太网除了在物理层和数据链路层都服从IEEE802.3外，在应用层和用户层协议均无共同之处，这主要是因为它们的应用领域和发展背景的不同。如果把应用领域分为离散制造控制和连续过程控制，把网络细分为设备层、LO层、控制层和监控层，那么各种工业以太网及其相关现场总线的应用定位一目了然。四、PROFINETPROFINET是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUSInternational，PI）提出的基于实时以太网技术的自动化总线标准，将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了PROFIBUS现有的开放性。PROFINET支持除星形、总线形和环形之外的拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便地实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在PROFINT框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。PROFINET满足了实时通信的要求，可应用于运动控制。它具有PROFIBUS和IT标准的开放透明通信，支持从现场级到工厂管理层通信的连续性，从而增加了生产过程的透明度，优化了公司的系统运作。作为开放和透明的概念，PROFINET亦适用于以太网和任何其他现场总线系统之间的通信，可实现与其他现场总线的无缝集成。PROFINET同时实现了分布式自动化系统，提供了独立于制造商的通信、自动化和工程模型，将通信系统、以太网转换为适应于工业应用的系统。（一）PROFINET的系统结构（二）PROFINET实时通信PROFINET的实时通信根据响应时间不同，分为三种通信方式。1.TCP/IP标准通信2.实时（RT）通信3.同步实时（RT）通信（三）PROFINETIO（四）PROFINET系统集成PROFINET为集成现场总线系统提供两个解决方案：1.现场总线设备通过代理服务器集成2.现场总线应用的集成1教学以学生学习教材的基本内容为主，系统全面地学习税收制度的构成要素的基本内容。2整个教学过程中，各教学点可根据实际情况，进行拓展知识的讲解。