基于PLC控制的ABB機器人電動機節能設計

陳軼恒， 孔慶章

（吉利汽車 春曉公司，浙江 寧波315800）

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，能源消耗總量在2009年超越美國，成為世界第一大能源消耗國。目前，我國能源消費量占世界能源消費量的23%。我國工業能源消費量占到第二產業的97.4%[1]。在工業體系中，汽車工業又是其重要組成部分。2019年，我國汽車產銷分別完成2572.1萬輛和2576.9萬輛，產銷量蟬聯全球第一[2]。我國汽車工業雖面臨壓力，但總體來說發展十分迅速。因此，整車制造工廠的節能技術研究對于汽車工業有著重大的意義。

圖1 能源消耗比例

1 現狀分析與目標制定

1.1 現狀分析

吉利汽車春曉公司焊裝廠2019年有9個月單臺能耗超出預定目標值。根據2019年能源消耗數據分析，電能消耗占了總能源消耗的79%，如圖1所示。

焊裝廠現階段一、二線共有機器人294臺，機器人系統不管是在正常生產運行還是在空閑待機時間都是主要的能量消耗者。降低機器人能源消耗迫在眉睫。

焊裝廠現階段生產模式為“單班游牧式”生產。在該生產模式下，上午在一線自動線生產，下午在二線自動線生產。一部分機器人在較長時間段內都處于電動機上電模式，示教器狀態欄顯示“電動機開啟”，如圖2所示。

圖2 示教器狀態欄

此時機器人6個軸的電動機仍處于消耗電能的狀態，但機器人在HOME位等待接收車型，并沒有處于生產模式中，造成了不必要的能源浪費。

因為現場機器人數量較多，將全場機器人斷電需要花費較長時間（常規斷電流程為先在示教器上選擇“關閉計算機”，等待30 s后示教器顯示“已關機”，再將控制器上的主電源開關斷開），所以在短時間待機模式時不適合將機器人斷電。例如，在一線生產時二線機器人處于待機狀態。另一方面，因機器人自動化線體信號極其復雜，斷電后有些無掉電保持的信號會恢復初始值，重新開啟后機器人自動化線體往往會出現很多不可預計的問題[3]，如機器人安全位置信號丟失。所以通常在夜間和周末機器人較長時間待機時期，不會為了降低能耗而將機器人控制器總電源關閉。

1.2 節能方案研究

通過查閱大量的ABB手冊資料和咨詢ABB廠家人員得知，機器人在使用機械抱閘保持姿態和使用使能保持姿態時，6個軸電動機消耗的功率存在差異，具體數據如表1所示。

以現場型號最多的IRB-6700 235/2.65機器人為例，通過電動機上電使能保持機器人6個軸姿態消耗的功率為0.71 kW，而通過機械抱閘保持機器人姿態消耗的功率僅為0.16 kW。所以機器人在待機不生產時若能自動進入到抱閘保持姿態的模式，一臺機器人可節省能耗0.55 kW。

表1 不同制動狀態下的功率消耗[4]

要達到下電的效果則可以從PLC程序控制入手，通過對PLC程序的優化，控制機器人待機時自動停止程序運行，電動機自動下電。

考慮到正常生產時因設備發生故障導致機器人短時間內出現非預見性停止運行，此時并不希望機器人電動機下電，因為在短時間內排除故障恢復生產后需要對全場幾十個區域的機器人重新上電，這無疑增加了操作人員的工作量，也間接影響了設備稼動率。那么機器人停止運行多久后再進入電動機節能模式才合適呢？

下面統計并分析了2019年1月以來的所有故障停線時間。其中，停線在30 min以下時間段內的停線次數占總停線次數的85%，如圖3所示。若把時間設置在30 min以內，那么頻繁的故障會使機器人頻繁地掉電。

圖3 20219年1月以來故障次數統計

綜合以上信息，將機器人停止運行延時掉電時間定為30 min。只要機器人待機時間達到30 min，程序會停止運行，電動機自動掉電，機器人進入電動機節能模式。這里要特別說明一下，機器人停止機械運動并不代表程序停止運行，一般一個循環結束后，機器人程序指針會停在WHILE Do循環的開始，等待接收任務號。因此在電動機下電之前先要將程序停止運行。

2 改善措施

2.1 PLC功能塊開發

結合現場實際情況，機器人在空閑待機時期有多種狀態：Home位、換帽位、維修位、抓件等待位和放件等待位。針對各種狀態，開發了集各種狀態于一體的功能塊，如圖4所示。功能塊的各引腳介紹如表2所示。功能塊內程序停止邏輯如圖5所示，由輸入條件觸發#Time_Start信號，1800 s接通延時后，置位#O_Robot_Stop信號，由功能塊引腳輸出。

考慮到某些可預見性的停線，如中午停線吃飯時間。針對該類型的停線，增加了手動控制掉電功能，因為此時我們并不需要在30 min后再掉電，中午停線時可直接在HMI上控制，立即將機器人程序停止運行。

功能塊內電動機下電邏輯如圖6所示，當機器人在電動機上電的情況下，機器人程序停止信號#O_Robot_Stop 為1時，3 s接通延時后，置位#O_Robot_Mo torOff信號，由功能塊引腳輸出給機器人。

2.2 PLC與機器人電動機下電交互信號確定

在PLC 與機器人 交 互 信 號Robot_From_PLC_D ata中，取第三位預留信號Spare[3]定義為機器人電動機下電輸入信號，定義機器人輸出預留信號Spare_23為電動機下電反饋信號，如圖5所示。

圖4 機器人自動掉電功能塊

表2 自動下電功能塊引腳介紹

圖5 程序停止邏輯

圖6 電動機下電邏輯

2.3 PLC功能塊引腳填寫

將機器人工位號編號填入Name引腳，將手動控制輸入點填入I_Energy_Manual引腳，將機器人抓件等待和放件等待Seg號分別填入WaitSegNo_1 和WaitSegNo_2引腳，將機器人服務位和換帽程序號分別填入ServicePgno和ChgTipPgno引腳，將節能復位輸入填入I_Reset引腳，將機器人的交互信號輸入組填入Robot_PI 引腳，引腳O_Robot_Stop 上填入機器人程序停止信號#ENERGY_STOP，引腳O_Robot_MotorOff上填入機器人下電信號。信號配置完成后的功能塊如圖8所示。

停止信號#ENERGY_STOP并到機器人程序停止邏輯段，如圖9所示。

圖7 機器人與PLC交互信號

圖8 功能塊引腳信號配置

圖9 程序停止程序段

2.4 機器人系統輸入信號設置

機器人的系統輸入功能通過輸入I/O信號可指定具體的系統輸入項，比如Start程序執行或Motors on電動機上電。該輸入項會在不使用示教器或其它硬件裝置的情況下觸發一項交由機器人控制器系統處理的系統行動。這里可以用PLC信號來觸發相應的系統輸入項stop程序停止和MotorsOff電動機下電。

根據前期的信號定義，將機器人輸入預留信號Spare[3]更改名稱為DiMotorsOff。該信號為PLC的輸出信號。對DiMotorsOff進行系統輸入設置。點擊機器人示教器菜單中的“控制面板”，在I/O主題下雙擊“System Input”，點擊“添加”，雙擊“Signal Name”，選擇“DiMotorsOff”，雙擊“Action”，選擇“Motors Off”。最后點擊“確定”，重啟示教器完成，如圖10所示。整個機器人下電流程如圖11所示。

圖10 系統輸入設置頁面

圖11 機器人下電流程

3 效果驗證

通過改善，焊裝車間所有ABB機器人在夜間和周末非生產時期待機超過30 min后，程序自動停止運行，3 s后電動機自動掉電。示教器上狀態欄顯示的程序運行和電動機上電狀態的顯示變化過程如圖12所示。

改善完成后，2020年3月份單臺能耗同比下降43%，四月份同比下降37.8%，五月份同比下降51.3%，六月份同比下降59.1%。

4 結語

隨著我國工業技術的發展，汽車制造業自動化率大幅提升，機器人大量投入使用代替人工已經成為了汽車制造業的主流。本節能案例可應用到所有汽車制造企業，乃至其他機器人應用行業。實現節約能源消耗、降低生產成本的目的。

圖12 斷電過程示教器狀態顯示