機器人生產線PLC自保護智能控制系統設計

0 引言

隨著科技的進步，基于ABB機器人協同工作的機電設備生產線應運而生，而且已經得到很好的發展與應用。工業機器人在碼垛、焊接、搬運和噴涂等領域有很強的技術優勢，切實提高了生產效率，為生產帶來了極大的便利，但是隨之而來的安全問題也暴露了出來，工人被機器人擠壓、剮蹭等情況時有發生，設計更加簡潔高效智能的控制系統迫在眉睫。

吳公平設計了一種基于PLC控制的設備安全控制系統，系統可以監測設備的運行狀況、自動檢測安全故障并進行快速處理。武曉雯等人[2設計了一種單目視覺安全輔助系統，可為機器人提供非接觸式安全預警，系統根據安全預警的范圍、安全策略的等級和圖像信息進行自動安全預判，為工業機器人控制系統提供有效的安全預警。孫英飛等人針對工業機器人安全輸入輸出接口控制系統，將安全接口電路系統分為IO接口系統和安全處理系統兩部分，完成安全邏輯保護功能、PMAC各I/O光電隔離處理和外圍通信控制功能設計。毛麗民等人4根據對居家安全隱患的分析，得到典型的安全隱患，通過傳感器對典型安全隱患進行監測，利用GSM移動網絡來給居家主人發送危險信號短信，主人通過網絡技術完成特定安全隱患的預處理。

現階段對ABB機器人生產線智能控制系統的研究較多，但是在ABB機器人生產線PLC安全集成控制、自動智能、無線收發和人工自保護方面的研究還不夠深入。針對ABB機器人生產線，本文設計了一種自保護智能控制系統。

1自保護智能控制系統硬件設計

自保護智能控制系統主要包括硬件和軟件兩大方面的集成設計，其硬件接線如圖1所示。硬件方面包括西門子PLC、觸摸屏、無線手持報警器、聲光報警器、機器人回退硬中斷裝置、應急按鈕和監控攝像頭等設備，其中聲光報警器包括ABB生產線事故現場聲光報警器和企業集控室聲光報警器。將主要硬件設備集中到一個控制柜，在生產車間，每個機器人生產線區域分布一個自保護智能系統控制柜，負責此區域的安全應急工作。

1.1 PLC和觸摸屏

本系統使用西門子CPU1214CDC/DC/DC作為控制器，選用西門子7寸觸摸屏TP700Comfort進行人機交互和畫面組態。系統輸入和輸出模塊要留有備用通道，方便后期的檢修維護和系統功能擴展。觸摸屏通過網線連接到PLC。

1.2無線手持報警器

無線手持報警器是自保護智能控制系統的核心部分，采用的是海鸚（PUFFINS）品牌的4路一對一固定式無線開關量收發裝置，型號為HK-FKGD40，便于攜帶，方便信號在企業車間范圍內傳輸。工人隨身攜帶無線手持報警器，在身處險境時，按下無線手持報警器，安裝在PLC上的無線接收裝置就會收到信號，對應的開關閉合，PLC的輸入端I0.0接通。

1.3 聲光報警器

聲光報警器主要發出聲音和閃光。當PLC的IO.0接通后，通過程序控制，PLC的輸出端Q0.0線圈得電，會在現場附近觸發ABB生產線事故現場聲光報警，警示周圍人員及時查看此區域的情況。同時，Q0.2線圈得電，遠傳到企業集控室，觸發集控室的聲光報警，從而通知運行值班人員查看監控，并前往就地及時排查險情。

1.4 機器人回退硬中斷

以ABB機器人控制柜使用的板卡DSQC652為例，當PLC的I0.0接通后，通過程序控制，Q0.1線圈得電，將Q0.1的輸出通過24V中間繼電器的常開觸點送至DSQC652的輸入，使得機器人控制柜得到一個硬中斷輸入信號。通過該信號將機器人程序引入中斷程序，機器人可以自動記錄運動的起始點，然后智能判斷、自動回退，從而保護工人的生命安全。總之，被擠壓的工人通過手中的無線手持報警器便可控制機器人的回退，實現了自保護功能。

1.5 應急按鈕

智能控制系統控制柜應急按鈕布置情況如圖2所示，將所有應急按鈕集中到一個自保護智能控制柜中，便于快速應急處置。應急按鈕的設計可以有多種位置，但是工人因為能力和習慣的因素，很難記得周全，所以將所有應急按鈕集中到一個控制柜并注明功能非常有必要。

應急按鈕包括急停按鈕、機器人暫停按鈕和機器人抱閘釋放按鈕。急停按鈕可以實現該生產線的設備全部斷電。機器人暫停按鈕是直接引自機器人控制柜的暫停按鈕[5]，按下此按鈕可以暫停機器人運動且不斷電。機器人抱閘釋放按鈕直接引自機器人控制柜的抱閘釋放按鈕5，使用此按鈕，須一人托住機器人，另一人按下抱閘釋放按鈕，可以人為隨意改變機器人的姿態，從而解救被擠壓人員。

1.6 監控攝像頭

視頻監控是生產企業常規配置，智能控制系統把機器人工作區域的監控單獨調出來，在集控室大屏幕上以32個畫面集中播放。智能控制系統區域的攝像頭具有畫面自動報警功能，如果有人經過機器人生產線危險區域，可以自動彈出畫面，呈現給盤前的操作人員，有助于操作人員的安全巡視。

1.7小結

生產企業的維修工作不允許單人作業，所以安全的把控首要的是工人自身安全水平的提高，其次是安全監護人的監護。企業應該加強安全培訓，不斷提高工人的安全技能和管理人員的管理水平。

自保護智能控制系統首要的是對無線手持報警器的使用，可以實現受機器人擠壓人員的自解救。其次是安全監護人員對應急按鈕的輔助操作，可以起到協助解救的作用。監控畫面的自動提醒無法做到十分精準的推送，容易導致看盤人員疲勞，繼而容易忽略報警信息，所以監控攝像只是控制系統的輔助。其他措施比如光柵、圍欄、警示標志等也起到了較好的輔助作用。

2 自保護智能控制系統軟件設計

自保護智能控制系統采用博圖TIAPortal軟件編寫梯形圖程序，博圖軟件不僅適合S7-1200系列PLC程序的編寫和仿真，而且可以進行觸摸屏的畫面仿真。

自保護智能控制系統程序主要包括無線手持報警器信號輸入檢測程序、聲光報警程序和自保護（機器人智能判斷自動回退）程序，如圖3和圖4所示。程序通過調試，編譯下載至S7-1200PLC即可自動運行。

在圖3中，當無線手持報警器信號輸入時，延時時間1s（為了防止誤碰發生錯誤的報警，所以設定了1s的延時）后，中間繼電器M11.0線圈得電，觸發報警程序。在圖4中， Q0.0～Q0.2 線圈也同時得電，觸發機器人回退硬中斷程序并發出聲光報警。

ABB機器人得到PLC送來的回退硬中斷信號以后，通過智能判斷，記錄當前運動起點和指令修正，實現自動回退運動。

3 L 自保護智能控制系統仿真結果

自保護智能控制系統采用觸摸屏7寸精智版本進行畫面組態仿真，主要分為操作按鈕區、事故觸發定時計時區和報警顯示區域三個部分，具體仿真畫面如圖5所示。

3.1 報警觸發結果仿真

報警觸發結果如圖6所示。按下無線手持報警器信號輸入按鈕，1s后，定時器計時顯示值顯示“ +1 ”，證明有人按下了無線手持報警器超過1s，從而觸發報警程序。報警顯示區域會顯示三個紅燈信號：ABB生產線事故現場聲光報警提醒現場周圍人員及時排查處置險情；觸發機器人回退硬中斷用紅燈模擬，表明PLC輸出了機器人回退硬中斷信號；企業集控室聲光報警亮紅燈，提醒集控室人員及時排查處置險情。

3.2 報警復位仿真

收到聲光報警到達現場的人員處理完險情后，按下ABB生產線就地復位按鈕，報警顯示區域的第一個和第二個紅燈熄滅，代表聲光報警復位和機器人回退信號復位完成。企業集控室人員處置完險情前后，均可按下企業集控室聲光報警復位按鈕，將報警顯示區域的第三個紅燈熄滅，代表企業集控室聲光報警復位完成。復位后，定時器計時顯示值顯示4 +0 ”。最終報警復位后的結果如圖5所示。

3.3 應急按鈕仿真

智能控制系統控制柜上的三個應急按鈕采用的是實際的操作按鈕，急停按鈕實現系統斷電，相當于電源總閘，無須仿真。為了防止另外兩個按鈕出現故障，在觸摸屏上也添加了兩個相同功能的應急按鈕（機器人暫停按鈕和機器人抱閘釋放按鈕）作為備用，并注明了使用方法。按下機器人暫停按鈕，可以實現機器人暫停且不斷電。按下機器人抱閘釋放按鈕，工人可以隨意調節機器人的形態。

觸摸屏仿真結果表明，自保護智能控制系統可以實現相應的功能。

4結束語

該機器人生產線PLC自保護智能控制系統通過硬件設計、軟件編程和觸摸屏仿真，實現了ABB機器人生產線的自保護智能控制功能；通過對應急按鈕的集成，提高了突發事故的處理速度；通過無線手持報警器和機器人智能自動回退的設計，實現了工人自我解救，保障了工人人身安全；加上聲光報警和監控的輔助設計，降低了人工巡視的力度，避免了出現事故無人發現的不良情況。該系統可以通過一個控制柜實現對整個廠房所有機器人生產線的安全控制，減少了PLC和觸摸屏的使用數量，成本低、控制智能、實用性強，便于推廣應用。

[參考文獻]

[1]吳公平.基于PLC的機械設備安全控制系統設計［J].內燃機與配件，2024（4）：72-74.

[2]武曉雯，劉赫，高鐵洪.工業機器人單目視覺安全輔助系統設計[J].哈爾濱理工大學學報，2022，27（3）：90-96

[3]孫英飛，羅愛華，徐亮.基于工業機器人安全I/0接口控制系統設計[J].中國新技術新產品，2015（19）：1-2

[4］毛麗民，盧振利，王晨希，等.家居安全隱患的智能機器人多傳感器控制系統設計[J].機床與液壓，2015，43（9）：42-45.

[5]張春芝，鐘柱培，張大維.工業機器人操作與編程[M].2版.北京：高等教育出版社，2022.

[6]延龍，石憲紅，張凱麗，等.基于PLC的小車自動配料控制系統設計[J].機電信息，2023（6）：17-20.