協作機器人實驗室遠程操控平臺研發

摘要：疫情防控期間，線上教學大大降低了我校協作機器人實驗室的利用率。由于學生無法進入實驗室，也無法進行相關實驗。為了提高實驗室的利用率并保證線上教學背景下學生的動手操作能力依然能夠得到充分地鍛煉，我們設計并開發了協作機器人實驗室遠程操控平臺。該平臺主界面上的五個工作站操控平臺按鈕分別能夠控制實驗室中的五個工作站。每個工作站操控平臺界面都能夠實時監控實驗室工作站的狀態、指示參數、設定系統操作和報警等功能。通過向學生開放該平臺，實驗室的空間和時間都能夠得到大大的拓展，實驗室的利用率也能夠得到很大提高。同時，學生的動手操作能力也能夠得到充分地鍛煉。

關鍵詞 協作機器人；實驗室；遠程操控；開放式

一、引言

我校協作機器人實驗室主要服務于PLC、現場總線、機電系統集成方面的課程實驗實踐實訓。該實驗室主要由5臺協作機器人工作站及4條輸送帶構成。每臺工作站都配備有PLC、觸摸屏、變頻器和編碼器光電開關等工業現場常用的傳感器。工作站和輸送線均可以單獨使用，也可以通過PLC的現場總線連接在一起，實現指定的功能。整條生產線模擬工廠的自動裝配線，可以實現3種不同形狀（正方形、長方形、圓形）和不同顏色的物料（紅、藍、綠）的自動出庫、裝配、螺絲機擰緊、打磨及視覺分揀入庫全過程。每個工作站的功能包括：底座上料（出庫）、上蓋上料與裝配（出庫、雙手爪）、上蓋上料擰緊裝配（螺絲機、氣動螺絲刀）、工件打磨/噴涂（轉臺）和成品碼垛入庫（視覺分揀）。機械手采用節卡7kg協作機器人，并具有防碰撞功能?？刂撇糠秩坎捎梦鏖T子品牌工控產品進行控制，控制器為西門子S71200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機臺通過西門子PROFINET總線協議進行數據交互工作，傳輸線馬達采用西門子V20系列變頻器控制。PLC通過西門子標準USS協議對傳輸線進行啟停及調速控制。

由于新冠肺炎疫情的影響，近兩年來各中小學和高校經常采用線上教學的形式[1]。雖然線上教學保證了疫情下學校的教學活動能夠繼續進行，學生們也能夠繼續學習知識，但線上教學也給實驗、實踐和實訓等課程的高質量進行帶來了一定的難度[2]。協作機器人實驗室最初是以線下教學為前提的，相關的實驗也都是由學生和教師進入實驗室中進行的。然而，目前的線上教學形式并不能保證學生和教師能隨時進入實驗室上課。因此，開發一款實驗室遠程操控平臺就顯得非常必要[3]。該平臺能夠讓教師和學生對實驗室工作站進行遠程操控，不斷解決線上教學中教師和學生無法進入實驗室操作設備的問題。此外，該平臺還可以通過開放遠程操控平臺的方式來拓展實驗室的空間和時間，讓學生能夠在開放時間通過遠程操控平臺隨時進入實驗室進行實驗，從而極大地鍛煉學生的動手操作能力，提高學生的學習興趣和學習效果[4]。

二、遠程操控平臺設計思路

在平臺設計開發過程中，為了縮短開發周期，應選取符合遠程操控平臺功能需求的云平臺。為了讓學生在遠程編程操控之前了解5個工作站的功能及動作，需要在遠程操控平臺上為每個工作站設計操控界面。操控界面包含了工作站的全部動作，通過配合攝像頭，可以在線上清晰地向學生展示每個工作站的全部動作。為了實時了解I/O口狀態，需要在操控界面上設置I/O監控按鈕。此外，在設備運行時，為了及時發現問題，需要在遠程操控平臺上設置報警功能，包括報警靜音、報警復位、報警查看。為了讓學生看到設備運行狀態，除了在操控平臺上設置狀態指示燈，還需要為每個工作站配備一個全景攝像頭，以便實時觀看設備真實運行狀態。

三、遠程操控平臺開發流程

原協作機器人實驗室產線由OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個工作站組成。各部分之間可獨立運轉，也可以聯動。控制部分全部采用西門子品牌工控產品進行控制?？刂破鳛槲鏖T子S7 1200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機臺通過西門子PROFINET總線協議進行數據交互工作。傳輸線馬達采用西門子V20系列變頻器控制，PLC 通過西門子標準USS協議對傳輸線進行啟停以及調速控制。各機臺工件通過節卡系列機器人進行轉接，保證工件的順利周轉。在開發遠程操控平臺之前，需要查看并熟知五個工作站的PLC程序，了解I/O點與各執行器和傳感器的對應關系。選擇適合的云平臺作為開發平臺，添加控制變量，編輯云端組態畫面（電腦端、手機端），修改 PLC 源程序。關聯組態控件與控制變量，最后進行云端調試。

（一）黑馬物聯云盒子連接，添加控制變量

遠程操控平臺采用了黑馬物聯云盒子和黑馬組態云平臺作為開發平臺。黑馬組態云平臺可以實現PLC遠程配置、遠程編程調試及維護，遠程上下載程序等功能。平臺支持手機端、電腦端、企業大屏三端同屏監控，并可以通過攝像頭實現現場實時監控。平臺還具備實時預警功能，數據一旦超過預定值，即可通過短信、微信、郵件等方式發送預警信息，符合遠程操控平臺的功能需求。通訊方式采用普通網線，黑馬物聯云盒子設置時需注意修改連接參數，與PLC保持在同一網段。在使用西門子1200進行博圖軟件配置時，需要打開“允許從遠程伙伴（PLC、HMI、OPC…）使用PUT/GET通訊訪問”。對于固件版本高于V4.1的西門子1200、1500PLC，如果要訪問DB數據塊，需要對DB數據進行兩處設置。本項目固件版本低于V4.1，無需對 DB 數據塊進行設置。使用網線連接LAN口和電腦，設置電腦網卡IP和BOXIP在一個網段。例如，云盒子當前IP為192.168.10.100，設置電腦網卡的IP為192.168.10.99。

連接成功后，您可以實現手機、電腦端遠程控制，本地下載和上傳，遠程下載和上傳程序，以及數據監視等功能。在教學過程中，教師可以將學生編寫的PLC程序上傳至工作站，并通過自動運行功能驗證程序的正確性。連接成功后，您可以本地或遠程采集PLC數據。由于PLC的IO點位由按鈕、觸摸屏等多個現場輸入終端控制，為了防止IO點位控制出現沖突，需要添加中間變量，并在PLC程序中關聯對應的IO點位來實現對設備的操控。為了不占用源程序的變量地址（已用地址M834），項目變量地址從M1000開始。根據控制需求，在工程配置界面添加所需變量并編輯變量名稱和變量地址，如圖1所示。

（二）編輯組態

協作機器人實驗室遠程操控平臺主界面由 OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個協作機器人工作站操控平臺組成。右上角有I/O監控和報警查詢按鈕，右下角有總電源開關，如圖2所示。為了實現遠程電源控制，需要對PLC電源進行改造，將其接入可遠程控制的智能插座上，從而實現PLC遠程啟動。通過對每個工作站配電箱總斷路器前端加裝25A固態繼電器，可通過PLC的I/O口對繼電器進行控制，實現每個工作站的通電。

主界面可以進入每個操控平臺界面，以下以OP10 工作站遠程操控平臺為例進行介紹（如圖3所示）。OP10工作站的主要功能是三種工件的出庫（圓形、正方形、長方形）。操控平臺上設計了實時監控畫面、狀態指示、參數設定、系統操作四個模塊。在平臺下方設置了I/O監控、報警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。通過I/O監控按鈕，可以進入I/O監控窗口，用于監控PLC各輸入輸出接點的實際狀態。在氣缸推三種工件出庫過程中，可能會出現工件卡住、工件缺失等問題，系統會發送報警信息到操控平臺。此時需要檢查對應的推料機械裝置或工件是否缺失，排除后點擊報警復位按鍵恢復。在系統自動運行或手動操控過程中，如遇到意外情況，可通過緊急停止按鍵斷開工作站電源。在狀態指示模塊中，對系統運行狀態、機器人運行狀態、三種工件位置狀態進行指示。配合實時監控畫面，可以實時掌握設備運行狀態。參數設定模塊用于設置和查看傳送帶的位置和速度信息。傳送帶當前行程：顯示當前傳輸線經過編碼器檢測到的行走距離，單位為毫米。傳輸線每次行走的距離為傳送帶設定行程，單位為毫米。傳送帶當前頻率：顯示當前傳送帶運行的實際頻率，單位為赫茲。傳送帶設定頻率：設定傳送帶運行時的速度，最大為50，單位為赫茲。

系統操作模塊用于手動操作各對應的功能。需要注意的是，在系統自動運行停止的狀態下才能操作，否則會引起誤動作或人員傷害。工件標識清除：此按鈕可在任意狀態下操作，需謹慎使用。系統自動運轉時會自動記憶各形狀工件（圓矩方）的狀態。當前系統發生故障或有工件卡住被取走，需要停止系統運行后點擊此按鈕清除當前的工件標識記憶，再人工將輸送帶上所有工件清空。自動啟停：在確認所有條件允許的情況下，點擊此按鈕系統進入自動運行狀態，各機構開始工作。

（三）修改源程序，設置控件動態屬性

在編輯完組態畫面后，需要修改 PLC 源程序，并設置控件動態屬性，使控件與變量關聯。在源程序中，有“公共程序”“觸摸屏手動程序”“自動運行程序”等FC 功能塊。為了實現遠程控制，我們需要新建一個“遠程控制”功能塊FC。在OB1中，用“遠程手動控制”變量的常開觸點串聯“遠程控制”功能塊。當遠程手動控制時，“遠程手動控制”的常開觸點閉合，運行“遠程控制”功能塊，將遠程手動控制程序寫入“遠程控制”功能塊中即可。以“輸送線啟?！惫δ転槔?，輸送線電機由變頻器控制，變頻器與PLC進行USS通信。在源程序中，當M10.0為1時，變頻器啟動運行；當M10.0為 0時，變頻器停止運行。遠程“輸送線啟?！标P聯變量為M1000.0。那么，在“遠程控制”功能塊中編寫程序，用M1000.0的常開觸點串聯M10.0的線圈即可。修改完PLC源程序，關聯組態控件與控制變量后，需進行云端調試，確保組態控件均能正常使用。

四、結束語

由于新冠肺炎疫情的影響，各高校在疫情防控要求下經常采用線上教學的形式。然而，這對于實驗實踐實訓類課程的教學效果，尤其是需要用到實驗室、機房或廠房中的硬件設備的課程而言，提出了巨大的挑戰。例如我們學校的協作機器人實驗室，該實驗室中有5臺協作機器人工作站，每個工作站之間由一條輸送帶連接，每臺工作站和輸送線可以單獨使用，也可以通過PLC現場總線連接在一起實現指定的功能。如果采用線上教學，學生將無法進入實驗室進行設備的實際操作，相應的實驗課程也無法進行。學生的動手操作能力得不到鍛煉，實驗室的利用率也會極低。為了解決以上問題，本文針對協作機器人實驗室設計并開發了實驗室遠程操控平臺。該平臺采用黑馬物聯云盒子和黑馬組態云平臺作為開發平臺，平臺主界面由五個協作機器人工作站操控平臺組成，通過主界面可以進入到每個操控平臺界面，每個操控平臺界面設計了實時監控畫面、狀態指示、參數設定、系統操作四個模塊，以及設置了I/O監控、報警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。該平臺能讓學生和教師通過平臺界面對協作機器人實驗室各工作站進行遠程操控，在線上教學的情況下也能完成相應實驗內容，保證了線上實驗教學的效果，使得學生的動手操作能力仍然能得到充分的鍛煉。另外，通過開放該平臺給學生，極大提高實驗室的利用率，拓展實驗室的空間和時間。目前該平臺還不能進行遠程編程，還需要對該平臺進行完善，最終實現遠程編程功能，從而達到進一步培養學生動手操作能力和創新能力的目的。

作者單位：馮嵩 李丹 沈陽城市建設學院

參" 考" 文" 獻

[1]夏自由.疫情防控背景下的線上實驗教學[J].學園，2022，15（20）：51-53.

[2]孫文博，陳宜保，王合英，等.實驗教學上云，腳踏實地授課——清華近代物理實驗課程疫情期間線上授課總結[J].物理與工程，2020，30（05）：37-42.

[3]胡李亞洲，王曉軍，馬銳軍，等.引入云平臺理念的電子技術實驗教學改革與實踐[J].科技風，2022（05）：125-127.

[4]洪梓榕，任聰.AI實訓云平臺在機器人實踐課程中的應用研究[J].信息與電腦（理論版），2022，34（08）：239-241.