協(xié)作機器人實驗室遠(yuǎn)程操控平臺研發(fā)

摘要：疫情防控期間，線上教學(xué)大大降低了我校協(xié)作機器人實驗室的利用率。由于學(xué)生無法進(jìn)入實驗室，也無法進(jìn)行相關(guān)實驗。為了提高實驗室的利用率并保證線上教學(xué)背景下學(xué)生的動手操作能力依然能夠得到充分地鍛煉，我們設(shè)計并開發(fā)了協(xié)作機器人實驗室遠(yuǎn)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?qū)崟r監(jiān)控實驗室工作站的狀態(tài)、指示參數(shù)、設(shè)定系統(tǒng)操作和報警等功能。通過向?qū)W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(xué)生的動手操作能力也能夠得到充分地鍛煉。

關(guān)鍵詞 協(xié)作機器人；實驗室；遠(yuǎn)程操控；開放式

一、引言

我校協(xié)作機器人實驗室主要服務(wù)于PLC、現(xiàn)場總線、機電系統(tǒng)集成方面的課程實驗實踐實訓(xùn)。該實驗室主要由5臺協(xié)作機器人工作站及4條輸送帶構(gòu)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(guān)等工業(yè)現(xiàn)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(xiàn)場總線連接在一起，實現(xiàn)指定的功能。整條生產(chǎn)線模擬工廠的自動裝配線，可以實現(xiàn)3種不同形狀（正方形、長方形、圓形）和不同顏色的物料（紅、藍(lán)、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(zhuǎn)臺）和成品碼垛入庫（視覺分揀）。機械手采用節(jié)卡7kg協(xié)作機器人，并具有防碰撞功能。控制部分全部采用西門子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)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(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互工作，傳輸線馬達(dá)采用西門子V20系列變頻器控制。PLC通過西門子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對傳輸線進(jìn)行啟停及調(diào)速控制。

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

二、遠(yuǎn)程操控平臺設(shè)計思路

在平臺設(shè)計開發(fā)過程中，為了縮短開發(fā)周期，應(yīng)選取符合遠(yuǎn)程操控平臺功能需求的云平臺。為了讓學(xué)生在遠(yuǎn)程編程操控之前了解5個工作站的功能及動作，需要在遠(yuǎn)程操控平臺上為每個工作站設(shè)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?qū)W生展示每個工作站的全部動作。為了實時了解I/O口狀態(tài)，需要在操控界面上設(shè)置I/O監(jiān)控按鈕。此外，在設(shè)備運行時，為了及時發(fā)現(xiàn)問題，需要在遠(yuǎn)程操控平臺上設(shè)置報警功能，包括報警靜音、報警復(fù)位、報警查看。為了讓學(xué)生看到設(shè)備運行狀態(tài)，除了在操控平臺上設(shè)置狀態(tài)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(shè)備真實運行狀態(tài)。

三、遠(yuǎn)程操控平臺開發(fā)流程

原協(xié)作機器人實驗室產(chǎn)線由OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個工作站組成。各部分之間可獨立運轉(zhuǎn)，也可以聯(lián)動。控制部分全部采用西門子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)行控制。控制器為西門子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(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互工作。傳輸線馬達(dá)采用西門子V20系列變頻器控制，PLC 通過西門子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對傳輸線進(jìn)行啟停以及調(diào)速控制。各機臺工件通過節(jié)卡系列機器人進(jìn)行轉(zhuǎn)接，保證工件的順利周轉(zhuǎn)。在開發(fā)遠(yuǎn)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(zhí)行器和傳感器的對應(yīng)關(guān)系。選擇適合的云平臺作為開發(fā)平臺，添加控制變量，編輯云端組態(tài)畫面（電腦端、手機端），修改 PLC 源程序。關(guān)聯(lián)組態(tài)控件與控制變量，最后進(jìn)行云端調(diào)試。

（一）黑馬物聯(lián)云盒子連接，添加控制變量

遠(yuǎn)程操控平臺采用了黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺作為開發(fā)平臺。黑馬組態(tài)云平臺可以實現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程編程調(diào)試及維護，遠(yuǎn)程上下載程序等功能。平臺支持手機端、電腦端、企業(yè)大屏三端同屏監(jiān)控，并可以通過攝像頭實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)控。平臺還具備實時預(yù)警功能，數(shù)據(jù)一旦超過預(yù)定值，即可通過短信、微信、郵件等方式發(fā)送預(yù)警信息，符合遠(yuǎn)程操控平臺的功能需求。通訊方式采用普通網(wǎng)線，黑馬物聯(lián)云盒子設(shè)置時需注意修改連接參數(shù)，與PLC保持在同一網(wǎng)段。在使用西門子1200進(jìn)行博圖軟件配置時，需要打開“允許從遠(yuǎn)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(shù)據(jù)塊，需要對DB數(shù)據(jù)進(jìn)行兩處設(shè)置。本項目固件版本低于V4.1，無需對 DB 數(shù)據(jù)塊進(jìn)行設(shè)置。使用網(wǎng)線連接LAN口和電腦，設(shè)置電腦網(wǎng)卡IP和BOXIP在一個網(wǎng)段。例如，云盒子當(dāng)前IP為192.168.10.100，設(shè)置電腦網(wǎng)卡的IP為192.168.10.99。

連接成功后，您可以實現(xiàn)手機、電腦端遠(yuǎn)程控制，本地下載和上傳，遠(yuǎn)程下載和上傳程序，以及數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能。在教學(xué)過程中，教師可以將學(xué)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(yuǎn)程采集PLC數(shù)據(jù)。由于PLC的IO點位由按鈕、觸摸屏等多個現(xiàn)場輸入終端控制，為了防止IO點位控制出現(xiàn)沖突，需要添加中間變量，并在PLC程序中關(guān)聯(lián)對應(yīng)的IO點位來實現(xiàn)對設(shè)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(jù)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(tài)

協(xié)作機器人實驗室遠(yuǎn)程操控平臺主界面由 OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個協(xié)作機器人工作站操控平臺組成。右上角有I/O監(jiān)控和報警查詢按鈕，右下角有總電源開關(guān)，如圖2所示。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程電源控制，需要對PLC電源進(jìn)行改造，將其接入可遠(yuǎn)程控制的智能插座上，從而實現(xiàn)PLC遠(yuǎn)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(tài)繼電器，可通過PLC的I/O口對繼電器進(jìn)行控制，實現(xiàn)每個工作站的通電。

主界面可以進(jìn)入每個操控平臺界面，以下以O(shè)P10 工作站遠(yuǎn)程操控平臺為例進(jìn)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(shè)計了實時監(jiān)控畫面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個模塊。在平臺下方設(shè)置了I/O監(jiān)控、報警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。通過I/O監(jiān)控按鈕，可以進(jìn)入I/O監(jiān)控窗口，用于監(jiān)控PLC各輸入輸出接點的實際狀態(tài)。在氣缸推三種工件出庫過程中，可能會出現(xiàn)工件卡住、工件缺失等問題，系統(tǒng)會發(fā)送報警信息到操控平臺。此時需要檢查對應(yīng)的推料機械裝置或工件是否缺失，排除后點擊報警復(fù)位按鍵恢復(fù)。在系統(tǒng)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(tài)指示模塊中，對系統(tǒng)運行狀態(tài)、機器人運行狀態(tài)、三種工件位置狀態(tài)進(jìn)行指示。配合實時監(jiān)控畫面，可以實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)。參數(shù)設(shè)定模塊用于設(shè)置和查看傳送帶的位置和速度信息。傳送帶當(dāng)前行程：顯示當(dāng)前傳輸線經(jīng)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(shè)定行程，單位為毫米。傳送帶當(dāng)前頻率：顯示當(dāng)前傳送帶運行的實際頻率，單位為赫茲。傳送帶設(shè)定頻率：設(shè)定傳送帶運行時的速度，最大為50，單位為赫茲。

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

（三）修改源程序，設(shè)置控件動態(tài)屬性

在編輯完組態(tài)畫面后，需要修改 PLC 源程序，并設(shè)置控件動態(tài)屬性，使控件與變量關(guān)聯(lián)。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(xiàn)遠(yuǎn)程控制，我們需要新建一個“遠(yuǎn)程控制”功能塊FC。在OB1中，用“遠(yuǎn)程手動控制”變量的常開觸點串聯(lián)“遠(yuǎn)程控制”功能塊。當(dāng)遠(yuǎn)程手動控制時，“遠(yuǎn)程手動控制”的常開觸點閉合，運行“遠(yuǎn)程控制”功能塊，將遠(yuǎn)程手動控制程序?qū)懭搿斑h(yuǎn)程控制”功能塊中即可。以“輸送線啟停”功能為例，輸送線電機由變頻器控制，變頻器與PLC進(jìn)行USS通信。在源程序中，當(dāng)M10.0為1時，變頻器啟動運行；當(dāng)M10.0為 0時，變頻器停止運行。遠(yuǎn)程“輸送線啟停”關(guān)聯(lián)變量為M1000.0。那么，在“遠(yuǎn)程控制”功能塊中編寫程序，用M1000.0的常開觸點串聯(lián)M10.0的線圈即可。修改完P(guān)LC源程序，關(guān)聯(lián)組態(tài)控件與控制變量后，需進(jìn)行云端調(diào)試，確保組態(tài)控件均能正常使用。

四、結(jié)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(jīng)常采用線上教學(xué)的形式。然而，這對于實驗實踐實訓(xùn)類課程的教學(xué)效果，尤其是需要用到實驗室、機房或廠房中的硬件設(shè)備的課程而言，提出了巨大的挑戰(zhàn)。例如我們學(xué)校的協(xié)作機器人實驗室，該實驗室中有5臺協(xié)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(xiàn)場總線連接在一起實現(xiàn)指定的功能。如果采用線上教學(xué)，學(xué)生將無法進(jìn)入實驗室進(jìn)行設(shè)備的實際操作，相應(yīng)的實驗課程也無法進(jìn)行。學(xué)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(xié)作機器人實驗室設(shè)計并開發(fā)了實驗室遠(yuǎn)程操控平臺。該平臺采用黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺作為開發(fā)平臺，平臺主界面由五個協(xié)作機器人工作站操控平臺組成，通過主界面可以進(jìn)入到每個操控平臺界面，每個操控平臺界面設(shè)計了實時監(jiān)控畫面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個模塊，以及設(shè)置了I/O監(jiān)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(xué)生和教師通過平臺界面對協(xié)作機器人實驗室各工作站進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，在線上教學(xué)的情況下也能完成相應(yīng)實驗內(nèi)容，保證了線上實驗教學(xué)的效果，使得學(xué)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(xué)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(jìn)行遠(yuǎn)程編程，還需要對該平臺進(jìn)行完善，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程編程功能，從而達(dá)到進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力和創(chuàng)新能力的目的。

作者單位：馮嵩 李丹 沈陽城市建設(shè)學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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