工業(yè)機(jī)器人深度節(jié)能研究

胡覺(jué)醒 喬 慧 孟令豐 寇程翔

（吉利汽車(chē)集團(tuán)有限公司智能制造部，浙江 慈溪 315300）

0 引言

隨著生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提升，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐漸代替人類(lèi)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域；但是它在實(shí)際生產(chǎn)工作中會(huì)產(chǎn)生大量的能耗。為實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要注重在制造過(guò)程中深化節(jié)能自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)計(jì)理念[1]。同時(shí)，為了保證工業(yè)機(jī)器人的高能效利用率，需要使用能耗管理策略降低其能耗消耗[2]，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1 工業(yè)機(jī)器人深度節(jié)能概述

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)運(yùn)行和待機(jī)狀態(tài)下均會(huì)產(chǎn)生能耗，一般將生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生的能耗稱(chēng)為生產(chǎn)能耗，可以通過(guò)減少機(jī)器人外部軸工具、優(yōu)化機(jī)器人軌跡（減少非必要的減速和加速過(guò)程）等方式降低該能耗；將非生產(chǎn)待機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生的能耗稱(chēng)為待機(jī)能耗，目前針對(duì)該能耗的自動(dòng)化解決方案很少，只有部分制造公司通過(guò)硬件設(shè)備和編程的辦法來(lái)控制機(jī)器人電源的開(kāi)關(guān)，以達(dá)到減少能耗的目的，該技術(shù)屬于常規(guī)的資金投入方案，存在很多弊端。在不增加成本的前提下，降低待機(jī)能耗是每個(gè)企業(yè)追求的目標(biāo)，通過(guò)技術(shù)研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人深度節(jié)能（開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)中間能量平衡狀態(tài)）可以通過(guò)西門(mén)子的功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)睡眠和能耗顯示，通過(guò)自創(chuàng)的魔術(shù)包數(shù)據(jù)來(lái)觸發(fā)機(jī)器人開(kāi)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)喚醒功能。

1.1 PROFIenergy協(xié)議

PROFIenergy是由PI（PROFIBUS & PROFINET International國(guó)際組織）定義的一個(gè)基于PROFINET的生產(chǎn)設(shè)備能源管理標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIenergy的中心任務(wù)是利用生產(chǎn)間隙時(shí)間里“通過(guò)網(wǎng)絡(luò)”功能來(lái)關(guān)閉所有不需要的耗電組件，需要工作的組件電源保持激活狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)的能源管理。

1.2 PROFIenergy指令

PROFIenergy定義了標(biāo)準(zhǔn)指令來(lái)控制和查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)的模型。

1.2.1 控制指令

控制指令是控制設(shè)備在工作模式和節(jié)能模式之間的切換。

1.2.2 查詢指令

查詢指令可以查詢?cè)O(shè)備的能耗狀態(tài)、PROFIenergy狀態(tài)以及查詢?cè)O(shè)備支持哪些PROFIenergy功能。

1.3 PROFIenergy組件

1.3.1 PROFIenergy的I/O控制器

控制器向下級(jí)設(shè)備發(fā)送各自的PROFIenergy命令，但也有可能在其中表示完整的PE智能（狀態(tài)模型）。生產(chǎn)過(guò)程也可以由該控制器進(jìn)行控制，但這不是強(qiáng)制的。

1.3.2 PROFIenergy設(shè)備

該設(shè)備可以是簡(jiǎn)單的PROFINET I/O設(shè)備或驅(qū)動(dòng)器，也可以是更復(fù)雜的設(shè)備，例如工業(yè)機(jī)器人。

1.3.3 PROFIenergy功能塊

CPU的功能“I-device”（智能I/O設(shè)備）使PLC與I/O控制器交換數(shù)據(jù)成為可能，因此，可以使用CPU作為預(yù)處理部分進(jìn)程的智能單元。在其作為I/O設(shè)備的角色中，I-device連接到一個(gè)“更高級(jí)別”的I/O控制器。預(yù)處理是通過(guò)CPU中應(yīng)用程序的“I-Device”功能來(lái)保證的，這是PROFINET的一種特殊功能。

1.3.4 PROFIenergy狀態(tài)模型

每臺(tái)機(jī)器或系統(tǒng)基本上都有2種狀態(tài)：“ON”或“OFF”。這些狀態(tài)也代表了系統(tǒng)的生產(chǎn)力。對(duì)能源來(lái)說(shuō)，“ON”狀態(tài)表示功耗最高，“OFF”狀態(tài)表示功耗最低。理想情況下，“OFF”狀態(tài)下的功耗為0。通過(guò)PROFIenergy可以在2個(gè)自然狀態(tài)之間定義節(jié)能狀態(tài)，這使在非生產(chǎn)時(shí)間將系統(tǒng)帶入一個(gè)更“有利”的能量狀態(tài)成為可能。

如圖1所示的 PROFIenergy狀態(tài)模型展示了不同狀態(tài)、操作時(shí)間和能量損耗之間的關(guān)系。

圖1 PROFIenergy狀態(tài)模型

PROFIenergy模型系統(tǒng)通過(guò)主要指令或更高級(jí)別的系統(tǒng)來(lái)激活/取消激活系統(tǒng)的節(jié)能功能。而I/O控制器將PROFIenergy命令“Start”/“End”發(fā)送給PROFINET設(shè)備。由該設(shè)備解釋PROFIenergy命令的內(nèi)容，從而設(shè)置開(kāi)開(kāi)啟、關(guān)閉或初始化設(shè)備節(jié)能。PROFIenergy還有其他功能，可以在待機(jī)期間檢索設(shè)備信息，該信息可以讓用戶及時(shí)查看設(shè)備在睡眠狀態(tài)下的能耗情況。

2 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中節(jié)能場(chǎng)景

工業(yè)機(jī)器人的節(jié)能場(chǎng)景有很多，例如待機(jī)的電能耗、軌跡的電機(jī)扭矩力能耗以及負(fù)載質(zhì)量能耗等，該文重點(diǎn)介紹待機(jī)能耗下的5種應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 在短暫的時(shí)間停頓中節(jié)省能耗

短暫的休息可以是喝咖啡或吃午飯，時(shí)間從幾分鐘到一小時(shí)不等；其目的是在不影響系統(tǒng)可用性的情況下節(jié)省能源。也可以在短暫停頓期間，僅關(guān)閉部分能耗機(jī)器人。短暫的節(jié)省待機(jī)能耗如圖2所示（短時(shí)間能耗圖）。

圖2 短時(shí)間能耗圖

2.2 在長(zhǎng)時(shí)間的停頓中節(jié)省能耗

該停頓通常出現(xiàn)在晚上和周末。由于暫停時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，因此機(jī)器人進(jìn)入節(jié)能模式，降低能耗，從而在暫停期間節(jié)省最大數(shù)量的能量。長(zhǎng)時(shí)間的節(jié)省待機(jī)能耗如圖3所示（長(zhǎng)時(shí)間能耗圖）。

圖3 長(zhǎng)時(shí)間能耗圖

2.3 在計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間中節(jié)省能耗

通常，這種類(lèi)型的暫停（停機(jī)）沒(méi)有計(jì)劃，中斷的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間是無(wú)法預(yù)見(jiàn)的。然而，在該情況下，也要節(jié)約能源。例如，如果物質(zhì)（水汽）流動(dòng)不穩(wěn)定，就會(huì)出現(xiàn)中斷的情況。由于PROFIenergy還可以協(xié)調(diào)機(jī)組之間的復(fù)雜關(guān)系，因此在該情況下也可以達(dá)到最佳的節(jié)約能源的效果。

2.4 有計(jì)劃停機(jī)時(shí)間中節(jié)省能耗

有計(jì)劃停機(jī)中斷的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間是有計(jì)劃的。例如在缺料和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)該待機(jī)狀態(tài)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇最佳的節(jié)約能源的方案。

2.5 測(cè)量和可視化能耗

PROFIenergy還允許以統(tǒng)一格式從設(shè)備中讀取能耗數(shù)據(jù)，例如電能耗數(shù)據(jù)。在操作過(guò)程中，這些數(shù)據(jù)被收集并顯示在操作面板上。確保了可以使用統(tǒng)一的格式和結(jié)構(gòu)對(duì)目前機(jī)器人在運(yùn)行和待機(jī)中可用的測(cè)量數(shù)據(jù)變量進(jìn)行進(jìn)一步處理和可視化展示。

3 工業(yè)機(jī)器人節(jié)能存在問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人在傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)方案中是通過(guò)PLC控制繼電器實(shí)現(xiàn)斷電工作，機(jī)器人斷電后再重啟，就會(huì)以冷啟動(dòng)方式再次上電，也就是恢復(fù)初始狀態(tài)，不再記憶以前的程序狀態(tài)。該技術(shù)方案如圖4 所示（傳統(tǒng)節(jié)能方案），存在的具體問(wèn)題如下。

圖4 傳統(tǒng)節(jié)能方案圖

3.1 添加硬接線和硬件費(fèi)用昂貴

傳統(tǒng)市場(chǎng)上對(duì)工業(yè)機(jī)器人節(jié)能的方案就是單個(gè)機(jī)器人添加繼電器和硬接線，再通過(guò)PLC的信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行編程，該方案工作量大、費(fèi)用昂貴且應(yīng)用環(huán)境局限性大。

3.2 機(jī)器人容易丟失零點(diǎn)

在傳統(tǒng)硬接線方案中，工業(yè)機(jī)器人不可以在正常生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)入睡眠節(jié)能模式，防止機(jī)器人位置坐標(biāo)丟失，機(jī)器人控制柜內(nèi)的蓄電池沒(méi)電或者電壓嚴(yán)重不足時(shí)，就無(wú)法支持控制PC延時(shí)關(guān)機(jī)。寄存器數(shù)據(jù)容易丟失，機(jī)器人零點(diǎn)自然丟失，不利于生產(chǎn)。

3.3 恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)

在機(jī)器人通過(guò)繼電器斷開(kāi)總電源后，機(jī)器人啟動(dòng)方式改為冷啟動(dòng)，該啟動(dòng)方式會(huì)掃描系統(tǒng)文件夾進(jìn)行初始化運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)器人車(chē)型多的程序內(nèi)存占比高，冷啟動(dòng)時(shí)間大約為5 min，在天氣冷的情況下時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

3.4 重啟故障率高退程序

工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)制斷電后無(wú)法記錄進(jìn)入程序的具體位置，存在信號(hào)丟失的情況，系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)丟失就會(huì)報(bào)錯(cuò)，特別是強(qiáng)制性斷電、編碼器丟失位置、報(bào)位置錯(cuò)誤信息以及系統(tǒng)報(bào)系統(tǒng)錯(cuò)誤等。

4 新技術(shù)路線與方案

要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人深度節(jié)能的功能，就需要從2個(gè)方面進(jìn)行工作接入：可編程控制器（PLC）的硬件選型配置和工業(yè)機(jī)器人的控制柜控制電路及網(wǎng)絡(luò)配置。

4.1 可編程控制器方面

通過(guò)2個(gè)實(shí)例來(lái)介紹可編程控制器通過(guò)PROFIenergy訪問(wèn)工業(yè)機(jī)器人。使用功能1控制工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入和退出節(jié)能模式，需要提前選定好硬件版本，硬件配置見(jiàn)表1。使用功能2讀取工業(yè)機(jī)器人的能耗數(shù)據(jù)，需要提前確定好軟件版本，軟件配置見(jiàn)表2。

表1 硬件配置表

表2 軟件配置表

4.1.1 硬件組態(tài)

首先將工業(yè)機(jī)器人控制單元組態(tài)到可編程控制器的PROFINET網(wǎng)絡(luò)下；其次，將工業(yè)機(jī)器人板卡診斷地址設(shè)為2035，為后續(xù)編程做好準(zhǔn)備；最后，將其編譯下載到硬件組態(tài)中。

4.1.2 使用功能1控制機(jī)器人進(jìn)入節(jié)能模式

編程：打開(kāi)S7程序庫(kù)，引用PROFIenergy程序塊，這里說(shuō)的是功能1和功能2。將功能1加入主程序中，并為其分配相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 功能參數(shù)表

4.2 啟動(dòng)和短周期退出節(jié)能模式

執(zhí)行程序，當(dāng)M10.0上升沿時(shí)，可編程控制器將PROFIenergy命令（啟動(dòng)）發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入節(jié)能模式，關(guān)閉編碼器及電機(jī)電源，節(jié)能模式激活。當(dāng)M10.2上升沿時(shí)，可編程控制器將PROFIenergy命令（停止）發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人在1 min以內(nèi)可以恢復(fù)編碼器及電機(jī)電源，退出節(jié)能模式，機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)行，超過(guò)1 min就無(wú)法退出節(jié)能模式，需要重啟機(jī)器人退出節(jié)能模式。

4.3 自創(chuàng)長(zhǎng)周期喚醒功能包

采用于西門(mén)子PROFIenergy程序塊使機(jī)器人進(jìn)入深度睡眠后，一定時(shí)間內(nèi)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)通信徹底斷開(kāi)，傳統(tǒng)的PN通信無(wú)法響應(yīng)。只能使用AMD公司推出的遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議，即發(fā)送遠(yuǎn)程喚醒數(shù)據(jù)包，Magic Packet雖然只是AMD公司所開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，但是受到了絕大多數(shù)網(wǎng)卡制造商的支持。從根本上來(lái)說(shuō)，它是硬件設(shè)備提供的一項(xiàng)管理功能，該功能可以當(dāng)電腦處于關(guān)機(jī)或休眠狀態(tài)時(shí)，通過(guò)給網(wǎng)卡發(fā)送特定的數(shù)據(jù)包，從而命令網(wǎng)卡向主板發(fā)送開(kāi)機(jī)指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上電開(kāi)機(jī)。喚醒工業(yè)機(jī)器人，在標(biāo)準(zhǔn)程序里做好統(tǒng)一模板，只需要客戶填入狀態(tài)信息即可，模版如下。

IF"PROFIenergy".HMI.START（需添加所有工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)條件）

THEN

"PROFIenergy".START:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".START:=;

END_IF;

IF"PROFIenergy".HMI.EndTHEN（不做變更）

"PROFIenergy".End:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".End:=;

END_IF;

IF"PROFIenergy".HMI.InitializedTHEN（不做變更操作前初始化）

"PROFIenergy".Initialized:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".Initialized:=;

END_IF;

"PROFIenergy_FB_v1.0_DB"（START:="PROFIenergy".START,

End:="PROFIenergy".End,

Initialized:="PROFIenergy".Initialized）;

"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.PT:=T#1000s_0ms;（時(shí)間最大值設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.IN:="PROFIenergy".Display.START_Memory;

IF"PROFIenergy".Display.Sleep_Time＜1000THEN

"IEC_Timer_0_DB_3".TONR（IN:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.IN,

R:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.Q,

PT:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.PT,

Q=＞"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.Q,

ET=＞"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.ET）;

"PROFIenergy".Display.Sleep_Time:=ULINT_TO_REAL（TIME_TO_ULINT（"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.ET）/1000/60）;（時(shí)間最小單位設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.Every_Energy:=0.075;（不做變更）

"PROFIenergy".Display.Rob_Counts:=20;（機(jī)器臺(tái)數(shù)設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.Total_Energy:="PROFIenergy".Display.Rob_Counts*"PROFIenergy".Display.Every_Energy*"PROFIenergy".Display.Sleep_Time;（不做變更）

ELSE

"PROFIenergy".Display.Sleep_Time:=0;

END_IF;

4.4 使用功能2讀取工業(yè)機(jī)器人能耗數(shù)據(jù)

功能2編程：打開(kāi)S7程序庫(kù)，找到PROFIenergy Block塊目錄下的功能2。將功能2加入主程序中，并為其分配相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 能耗數(shù)據(jù)表

4.5 讀取有功功率、功率因數(shù)和總的能耗

執(zhí)行功能2程序，當(dāng)M30.0上升沿時(shí)，可編程控制器將PROFIenergy命令（能耗測(cè)量）發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)答的數(shù)據(jù)保存到接收緩存區(qū)，見(jiàn)表5。

表5 節(jié)能參數(shù)表

4.6 工業(yè)機(jī)器人方面

由于工業(yè)機(jī)器人處于深度節(jié)能狀態(tài)，因此工業(yè)機(jī)器人控制柜接線會(huì)根據(jù)先后時(shí)序進(jìn)行斷電，并不是同時(shí)全斷。CCU版上的X302是SIB預(yù)留電源，不可接在電源模塊上作為備用。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置軟件WorkVisual 進(jìn)入選中的PROFIenergy選項(xiàng)，選中EnablePROFIenergy欄，對(duì)與可編程控制器之間的通信進(jìn)行響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的設(shè)定，需要配置最低響應(yīng)時(shí)間、操作時(shí)間和觸發(fā)時(shí)間，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表6。工業(yè)機(jī)器人處于運(yùn)行模式時(shí)，需要在外部使用自動(dòng)模式，運(yùn)行指針在軌跡點(diǎn)上。機(jī)器人關(guān)機(jī)模式選擇休眠，方便工業(yè)機(jī)器人喚醒時(shí)的記憶依然在之前的程序，不會(huì)因?yàn)樗邔?dǎo)致退程序。

表6 機(jī)器人時(shí)間表

5 深度節(jié)能后優(yōu)勢(shì)分析及收益

工業(yè)機(jī)器人深度節(jié)能功能的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著制造行業(yè)自動(dòng)化水平達(dá)到了一個(gè)新高度，可以通過(guò)軟件編程的方式最大程度地實(shí)現(xiàn)降低能耗的目標(biāo)，達(dá)到真正的零投入降本增效的目的，具體可以從以下5個(gè)方面敘述。

5.1 工業(yè)機(jī)器人待機(jī)能耗方面

工業(yè)機(jī)器人在待機(jī)情況下能耗為200 W～250 W，使用機(jī)器人深度節(jié)能功能后，工業(yè)機(jī)器人待機(jī)能耗46 W～57 W，節(jié)約能耗78%。

5.2 有形經(jīng)濟(jì)收益方面

工業(yè)機(jī)器人的型號(hào)不同，其所節(jié)約的電能也不同，根據(jù)常用機(jī)器人型號(hào)計(jì)算：一周生產(chǎn)5 d，一天10 h，0.6元/kW·h，一個(gè)基地500臺(tái)機(jī)器人，假設(shè)共計(jì)10個(gè)基地，可以節(jié)約2 721 264元。

（10h×5d+48h）× 52（周） × 0.178（kW/h）×0.6（元 /kW·h）× 500（臺(tái)）×10（個(gè)）=2721264元。

5.3 運(yùn)行效率方面

人工單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人關(guān)閉和開(kāi)啟電源總時(shí)間大約為6 min，開(kāi)啟深度節(jié)能功能后，多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人關(guān)閉和開(kāi)啟電源總時(shí)間約為2 min，運(yùn)行效率提高300%。

5.4 人員管理效率方面

現(xiàn)場(chǎng)有多條線體時(shí)，需要多人操作工業(yè)機(jī)器人的電源，開(kāi)啟深度節(jié)能功能后，1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)配置1個(gè)人就夠了。

5.5 安全故障方面

工業(yè)機(jī)器人深度節(jié)能功能并非徹底關(guān)閉機(jī)器人電源，而是保留部分通信電路。保證報(bào)文可以接收，故障失敗率低，工業(yè)機(jī)器人不會(huì)頻繁報(bào)警，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響，系統(tǒng)安全可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在為工業(yè)機(jī)器人添加深度節(jié)能功能時(shí)，選擇正確的硬件和軟件版本，需要提前在PLC中進(jìn)行相應(yīng)的硬件組態(tài)編輯數(shù)據(jù)塊，機(jī)器人選擇VS8.3及以上系統(tǒng)，需要在前期網(wǎng)絡(luò)配置和接線中制定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，避免后期因現(xiàn)場(chǎng)修改程序而影響生產(chǎn)，將該技術(shù)路線所述的功能作為可編程控制器和工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)軟件的擴(kuò)展功能，為工業(yè)機(jī)器人降低能耗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置，不依賴線體商和廠家，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的魔術(shù)包喚醒工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)，為工業(yè)機(jī)器人節(jié)能功能提供了強(qiáng)有力的支撐。