工業機器人遠程故障監測與預警系統

洪英漢　余梓民　羅海城　林浩岳

【摘 要】針對傳統的工業機器人在工作過程中缺乏實時監測，難以掌控工作狀態等特點，本文提出基于物聯網的工業機器人遠程故障監測與預警系統。系統首先利用物聯網技術對工業機器人進行工作狀態數據采集和整理，利用云服務使得系統支持PC端和移動端同步監測數據，最后對積累下來的歷史數據進行分析，對異常狀態及時進行預警。通過該系統的研究，能夠提高工業機器人的工作質量，減少設備維護成本，對推進數字化工廠有著重要的意義。

【關鍵詞】物聯網；工業機器人；數據采集；數據分析

中圖分類號： TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0065-002

Remote Fault Monitoring and Early Warning System for Industrial Robots

HONG Ying-han YU Zi-min LUO Hai-cheng LIN Hao-yue

（Hanshan Teachers College，Chaozhou Guangdong 521041，China）

【Abstract】In view of the lack of real-time monitoring of traditional industrial robots in the process of work，it is difficult to control the working conditions and other characteristics，this paper presents the Internet-based industrial robot remote fault monitoring and early warning system.The system uses the Internet of Things technology to collect and collate the working state data of the industrial robots.The cloud service makes the system support the synchronous monitoring data between the PC and the mobile side.Finally，the historical data is analyzed and the early warning is carried out in time.Through the system of research，can improve the quality of industrial robots work，reduce equipment maintenance costs，to promote the digital factory has important significance.

【Key words】Internet of things；Industrial robots；Data acquisition；Data analysis

1 基于物聯網工業機器人故障監測與預警系統的意義

1.1 研究意義

從第二次工業革命開始，人類進入了“電氣時代”，發展到現在，人類生產生活中大部分的負擔大條件惡劣的工作已經基本都交給了電子機械等設備來完成。電子機械設備憑借其對復雜環境的耐受能力，能夠完成很多人類完成不了的工作。在當今工業化的時代，工業機器人的高效安全工作對生產和生活都有著非常重要的意義。因此，準確采集工業機器人的運動數據，提高工業機器人的工作質量，才能達到對工業機器人的的安全性能提出來的越來越高的要求。

1.2 物聯網監測預警的優勢

物聯網技術的概念：物品通過各種傳感器設備，實時采集各種需要的信息和數據，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。本文介紹的系統配合多種傳感器，將工業機器人相關數據采集并發送到云端服務器；并且在手機端和電腦端均能通過配套開發的軟件從云端服務器實時獲取所需數據，同時能結合實驗得出的數據結果做出故障預警分析，對工業機器人做出相應的控制調整，形成一個閉環控制系統。在生產過程中應用這一系統，可采集參數、監視和記錄生產現場，為安全生產、提高產品質量、以及降低成本和減少損失提供信息和手段。

2 故障監測與預警系統的搭建

2.1 核心技術

2.1.1 系統框架

圖1 系統總體框架圖

2.1.2 TCP/IP協議棧

TCP/IP協議是Internet最基本的協議、Internet國際互聯網絡的基礎，由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入因特網，以及數據如何在它們之間傳輸的標準。協議采用了4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求。本文介紹的系統就是以TCP/IP協議作為通訊核心。

2.1.3 核心控制板

本文介紹的系統的核心控制板采用了以STM32F407VET6為核心運算CPU的兼有基本最小系統電路的電路模塊，STM32F407VET6擁有內置的32位基ARM核心，低功耗，運算速度快。帶512K字節閃存的微控制器，具有較大的閃存存儲器、RAM空間和更多的片上外設，如硬件PWM、SPI、SDIO、FSMC、I2C和DAC等。選用此CPU芯片更易于與傳感器進行數據交互和處理，可以在短時間內進行大量的各種傳感。

2.2 服務器搭建方案

運用了目前最流行的Web開源服務器——Apache服務器，可以運行在不同的操作系統上，具有快速，穩定，安全，可靠等特點。與之相結合的免費小型關系型數據庫管理系統，再加上PHP服務器端腳本語言。Apache+PHP+MySQL三者強強聯手具有免費獲取，支持不同的操作系統，可移植性好，因此，它們的組合是最佳的搭配方案。endprint

2.3 數據采集流程

由于核心控制板有著良好的處理性能和方便調用的通訊協議，本系統應用了4中傳感器與其進行通訊，其中四種傳感器分別為：

1）溫濕度傳感器，用于采集系統周圍的溫濕度；

2）壓力傳感器，用于采集系統特定位置所收到的壓力；

3）電流傳感器，用于檢測系統的工作電流大小；

4）九軸傳感器，用于反饋系統的運動加速度及其軌跡；

以上傳感器的數據經處理后通過WiFi通訊模塊發送到服務器。

2.4 數據交互流程

2.5 數據庫設計

數據庫設計得合理、嚴密，是數據交互的關鍵。本系統的數據庫后臺設計如下：

數據庫1：user_union

2.6 程序實現

在核心控制板STM32中，為了合理配合各個傳感器，必須嚴格遵各個守傳感器的通訊協議，這樣才能保證數據的精準采集傳輸。這里以溫濕度傳感器為例：

本系統采用的溫濕度傳感器型號為DHT22，DHT22采用簡化的單總線通信協議。單總線表示主從機之間交互數據只通過一根線進行傳輸，有MCU通過漏極開路或三態端口連接該數據線，以此達到釋放總線的目的，方便其他設備使用總線。通常情況下，單總線通過一個上拉電阻來達到總線空閑時保持高電平的目的。雙方通過單總線數據傳輸協議來保證數據傳輸的可靠性。

為了實時監測工業機器人的工作狀態，用戶可以通過PC、手機和網頁端進行對工業機器人的一系列操作，滿足不同用戶的各式各樣需求。

1）PC端上位機：采用C#來構建PC操作平臺，部分界面功能如圖2。

2）手機app：采用JAVA構建安卓手機應用，部分功能如圖3。

3）PHP后臺管理：采用PHP構建后臺頁面，部分功能如圖4。

3 總結

本文提出基于物聯網的工業機器人遠程故障監測與預警系統是為了解決眾多工廠在管理工業機器人正常運行、安全工作生產和數據采集分析等諸多問題。不僅實時監測工業機器人的工作數據，通過pc端程序、手機app和網頁后臺三個終端進行展示和管理，確實為工廠安全、有效率地運用工業機器人作業提供了良好的方案。在研究開發過程驗證了方案可行性的同時也存在著不足，即數據交互一多，加載速度就變慢，在今后的研究中，我們將對系統的數據交互問題做進一步的優化。

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