📚 课程目录第4章协同控制信号定义与分配

4. 协同控制信号定义与分配

在MOTOMAN机器人与PLC协同控制系统中，信号定义与分配是连接“控制逻辑”与“物理动作”的桥梁。如果信号分类混乱、地址映射随意、安全信号与普通信号混用，轻则导致节拍下降、逻辑互锁失效，重则引发设备碰撞或人身伤害。本节从工程实施角度，说明如何对机器人侧与PLC侧的I/O信号进行系统化定义、分类、地址映射，并严格区分安全信号与普通信号。

一、信号分类：先分清“谁控制谁”

协同控制中的信号可按控制主体和功能分为四类：

PLC→机器人（控制指令）：PLC作为主控，向机器人发出启动、停止、暂停、复位、程序选择、模式切换等指令。这类信号决定机器人“做什么”。
机器人→PLC（状态反馈）：机器人将当前运行状态、程序号、报警代码、当前位置到达、伺服就绪、循环完成等反馈给PLC。这类信号让PLC知道机器人“正在做什么、是否正常”。
PLC→外围设备（执行输出）：PLC控制夹具夹紧/松开、气缸伸缩、输送线启停、安全门锁等。这类信号是协同动作的“手脚”。
外围设备→PLC（检测输入）：传感器、限位开关、光栅、按钮等将现场状态送入PLC。这类信号是协同控制的“眼睛”。

分类的核心原则是：指令与反馈分离、安全与普通分离、公共与专用分离。同一功能不要既用PLC输出又用机器人输出，避免双主控冲突。

二、地址映射：让两侧“说同一种语言”

MOTOMAN机器人通常通过DX200/FS100控制柜的I/O模块或现场总线（如EtherNet/IP、PROFINET、CC-Link IE）与PLC交换数据。地址映射的本质是建立一张“信号对照表”，明确每个信号的名称、方向、地址、数据类型和有效电平。

以常见的EtherNet/IP为例，PLC侧通常使用输入字（如%IW）和输出字（如%QW），机器人侧对应通用I/O的编号（如#10010～#10017为输入，#20010～#20017为输出）。映射时建议按“功能块”连续分配，而不是零散跳号。例如：

PLC输出→机器人输入（控制指令区）：
  %QW100.0 → #10010  机器人启动
  %QW100.1 → #10011  机器人暂停
  %QW100.2 → #10012  机器人复位
  %QW100.3 → #10013  程序号选择bit0
  %QW100.4 → #10014  程序号选择bit1

机器人输出→PLC输入（状态反馈区）：
  #20010 → %IW200.0  机器人运行中
  #20011 → %IW200.1  机器人报警
  #20012 → %IW200.2  循环完成
  #20013 → %IW200.3  伺服就绪

映射完成后，必须在PLC和机器人两侧分别做“点对点”校验：强制PLC输出，观察机器人输入指示灯是否点亮；手动触发机器人输出，观察PLC输入映像是否变化。只有双向校验通过，映射才算真正建立。

三、安全信号与普通信号的区分

安全信号与普通信号必须物理隔离、逻辑独立。安全信号用于急停、安全门、光栅、使能等场景，其失效后果是人身伤害；普通信号用于节拍、计数、程序选择等，其失效后果是生产中断。

在工程中，安全信号通常不经过普通PLC的I/O模块，而是接入专用安全继电器或安全PLC（如Pilz PNOZ、Siemens F-CPU），并通过硬线或安全总线（PROFIsafe、CIP Safety）与机器人安全回路连接。MOTOMAN控制柜的急停、安全门、外部使能等端子必须直接接入安全回路，不能仅靠普通I/O信号“软急停”。

普通信号则可以走标准I/O或现场总线。区分方法很简单：问一句“如果这个信号失效，会不会伤人？”如果答案是“会”，它就是安全信号。

注意：安全信号不得与普通信号共用同一根电缆、同一接插件或同一I/O模块的同一公共端。安全回路应采用双通道、常闭触点、强制导向继电器等冗余设计，并定期做安全功能测试。

四、信号分配的实际操作流程

建议按以下顺序完成信号定义与分配：

绘制协同动作时序图：明确每个节拍中PLC、机器人、外围设备的动作先后与互锁条件。
列出信号清单：按“PLC→机器人、机器人→PLC、PLC→外围、外围→PLC”四类，逐条填写信号名称、方向、功能、有效电平、安全等级。
分配地址：按功能块连续分配，预留10%～20%余量。安全信号单独分配安全地址区。
编写映射表：至少包含信号名、PLC地址、机器人地址、数据类型、注释、安全等级六列。
离线校验与在线调试：先离线核对映射表，再在线强制校验，最后联动测试互锁逻辑。

下面这张图展示了机器人侧与PLC侧信号分类、地址映射及安全/普通信号隔离的整体关系，可作为信号分配时的参考框架。

五、常见错误与排查要点

实际调试中，信号定义与分配最容易出现以下问题：

地址重叠：PLC输出字与机器人输入字映射时，两个信号占用了同一位，导致动作错乱。排查方法：逐位核对映射表，用强制功能逐点验证。
有效电平不一致：PLC侧定义为常开，机器人侧定义为常闭，导致信号反相。排查方法：在映射表中明确标注“1=有效”或“0=有效”，并在两侧参数中统一。
安全信号软处理：将急停信号接入普通I/O，仅靠程序逻辑停止机器人。这是严重违规，必须改为硬线接入安全回路。
反馈信号抖动：机器人“循环完成”信号未做滤波或自保持，PLC高速扫描时误判。可在PLC侧加TON延时或机器人侧加脉冲展宽。

建议：信号映射表完成后，打印一份贴在电柜门内侧，调试和维修时可直接对照。每次修改映射，必须同步更新表格和两侧程序注释，避免“图实不符”。

信号定义与分配不是一次性工作，而是贯穿设计、编程、调试、维护的全过程。只有把分类做清、映射做准、安全做硬，MOTOMAN机器人与PLC的协同控制才能稳定、可靠、安全地运行。