基于PLC的工業機器人監控系統設計

馬偉俊，韓少華

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

工業機械人對我國經濟發展和工業生產模式的升級發揮了重要的作用，同時出現的安全事故也不斷增多[1]。基于PLC的工業機器人監控系統設計作為解決工業機器人的安全防護問題的有效路徑，已成為相關研究領域的熱點議題。本文就PLC工業機器人監控系統設計進行分析。

1 PLC控制工業機器人監控系統特點

PLC監控系統即以PLC（可編程邏輯控制器）為處理器的監視控制系統。該系統多見于工業上的溫度控制處理、地鐵隧道中的實時監控等；從應用優勢來講，具有處理速度快，可靠穩定，能適應各種惡劣環境，比之以往的電腦處理器監控系統性能更佳的應用優勢。具體通信圖如圖1所示。

圖1 PLC通路的梯形圖

以PLC控制工業機器人監控系統的設計為例，在機床及其自動化生產線上，用于搬取貨物、拆卸零件，確保工業生產自動化上，以其可控制箱、編程控制輸入指令的便捷性、操作性能的穩定性、運行更簡便、穩定性更高的優勢，在連續性工作及其運行可靠性中，更具系統穩定發展優勢[2]。

2 PLC工業機器人監控系統設計細則

2.1 設計背景和目的

德國利用物聯信息系統（Cyber Physical System，CPS）將生產中的供應，制造，銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速，有效，個人化的產品供應。中國以推進智能化制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標[3]。機器人及其生產線上關鍵設備、各種執行元件及控制系統的有效應用，有待通過技術手段加以改善。

2.2 設計內容

采用機器人及其生產線設備遠程狀態監控系統的硬件結構，基于硬件結構結合軟件編程，實現對機器人及生產線中關鍵設備運行狀態的數據采集、挖掘、離線分析及無線遠傳，并最終實現，在遠程平臺和移動平臺上監控機器人及關鍵設備運行狀態的目的。

硬件系統主要包括連接中控室工控機、交換機和數據服務器。其中數據服務器通過以太網連接機器人控制器、生產線所有以太網接口智能設備，生產線所有SIEMENS 系列 PLC通過PROFINET接口與數據服務器連接中控室工控機并附加連接中控室大屏幕和移動終端，交換機和數據服務器均為冗余配置[4]。具體設計實現如圖2所示。

圖2 基于PLC監控系統的設計與實現

2.3 設計優勢

通過配置兩臺數據服務器，分別用于冗余，數據服務器中安裝SQLSERVER2008數據庫，在完成數據的篩選、分類、存儲等處理中效果明顯。中控室工控機安裝高級語言開發工具，用于開發監控平臺軟件，在工控機上顯示需要的參數，也可以通過串口通訊，在大屏幕上有選擇的顯示所需要重點監控的畫面。為方便在移動平臺上實時進行監控，可以開發基于安卓和蘋果平臺的APP，實現遠程實時監控。

本監控系統的硬件結構中，通過開發并安裝相關的程序軟件，以太網通訊接口，與數據服務器通信連接機器人控制器中配置。線上所有帶通信接口的智能設備通過以太網與數據服務器通信連接，所有PLC通過PROFINET接口與數據服務器進行數據交互。數據服務器通過交換機與中控室工控機連接。中控室工控機可通過中控室大屏幕顯示操作界面，或通過移動終端操作。機器人、PLC及智能設備的運行狀態和操作記錄實時傳輸到數據服務器中保存，其中機器人核心參數及關鍵數據保存時間＞2年；模擬量建立趨勢記錄，存儲時間＞3月。比之機器人、智能設備和PLC中采集，在實時運行數據對比，分析機器人、PLC等智能設備提取異常信息，故障點快速定位。數據服務器設置預警等級，中控室大屏幕操作界面中提示輕故障，重故障聲光報警或快速停車。離線或在線檢測設備，如點巡檢儀進行設備點檢，點檢狀態實時在操作界面中顯示，對超過規定時間或未按規定線路進行設備點檢的事件進行記錄，并報警提示。數據服務器中預置機器人、智能設備及PLC控制設備的維保周期和維保內容，同時對關鍵設備到達維保周期的，提前1-3天進行提示。對超過規定時間未進行維保操作的事件進行記錄并報警提示，并可通過與OA系統的通信，為維保人員的績效考核提供依據。數據服務器中預置機器人及生產線各設備故障分類信息及處理方法，根據機器人及生產線各設備運行狀態進行故障判斷，對于出現的故障隨時提示并提供參考解決方案，避免設備出現嚴重故障。同時根據設備監控參數的變化趨勢以及各種統計分析結果，對可能出現的故障給出預測預判[5]。

2.4 設計中的關鍵技術

以安全門的操作記錄在中控室大屏幕操作界面上集中顯示，生產線所有安全系統的狀態，如安全鎖的開啟或關閉狀態、安全光幕的狀態，也在中控室大屏幕操作界面上集中顯示，方便設備管理人員了解系統整體狀況。

線上電控柜中配置電量計量裝置，并通過PLC連接數據服務器，定期監控并統計電量的消耗。機器人絕對值編碼器電池通過機器人控制器連接數據服務器，電量不足時報警提示，及時更換備件，防止機器人數據丟失。

數據服務器預留通信接口，可鏈接到已有OA系統或ERP系統，當有生產線設備損壞時，直接鏈接至已有的庫存管理模塊，了解當前的備件庫存狀態，方便設備管理人員及時補充備件，防止備件庫存過多或庫存不足，減少資金占用。

2.5 設計中的難點

隨著傳感技術的發展，各種傳感器在機器人及其生產線中得到了充分應用，例如力傳感器、視覺傳感器、電池電量監測傳感器、各種接近開關、光電開關等，這些傳感器相當于生產線的“眼睛”，實時注視著生產線的狀態，同時參與對生產線各種執行元件的控制，但由于缺乏系統性的功能架構的設計，當前這些傳感器采集到的數據并沒有得到充分有效的利用，例如，如何通過機器人某一軸電機電流的變化趨勢，分析出當前潛在的故障信息；把機器人絕對值編碼器電池電量的信息實時遠傳，讓設備管理者無需親臨現場，就能遠程預知編碼器電池的電量，及時購買備件，防止機器人數據的丟失。構建設備狀態監控系統的第一步，就是利用總線或當前設備現有的通訊接口，把這些現有的傳感器數據充分整合到一。實現對監控數據的采集、數據挖掘等難度極大。

3 結語

工業機器人監控系統設計PLC控制技術的應用，比之以往單純的接線控制，在簡化裝置、節約空間、降低故障發生率、穩定設備運行、便于后期維護上，發揮了積極的作用。本文概述了PLC工業機器人監控系統在設備運行階段、提升勞動生產率，實現各動作自我轉換，更好地監控工業生產，為滿足工況實際運行需求提供了有效借鑒。