谷 裕，李 健，付建生，師占群*

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130；2.河北托利智能設(shè)備科技有限公司，河北 石家莊 050035）

隨著中國制造2025的快速推行，工廠智能化技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，計算機自動控制和管理已成為現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展方向[1]，機器人代替人進行生產(chǎn)操作已成為企業(yè)發(fā)展的方向，特別是在勞動強度大、工作危險性高的場合，更是企業(yè)技術(shù)升級的首選。橡塑膠塞除邊工序過去一直沿用人工上下料實現(xiàn)模切，執(zhí)行效率低，具有潛在的危險性。橡塑自送料機器人可以實現(xiàn)膠塞模切工序自動上料，從而有助于實現(xiàn)醫(yī)用膠塞生產(chǎn)過程自動化。為進一步提高機器人的技術(shù)水平，本工作研發(fā)了一套自送料機器人的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用個人電腦（PC）作上位機，以可編程邏輯控制器（PLC）和NI采集卡作下位機，利用用于過程控制的對象鏈接與嵌入（OPC）技術(shù)和LabVIEW實現(xiàn)了下位機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、停機報警、顯示和保存。本系統(tǒng)不僅能實時監(jiān)控橡塑自送料機器人的數(shù)據(jù)運行，將機器語言轉(zhuǎn)化為操作者熟悉的可視化界面，還能實現(xiàn)機器性能的檢測和遠程監(jiān)控，在機器故障時發(fā)出報警。本系統(tǒng)在為某公司最新研發(fā)的膠塞模切自送料橡塑機器人中取得了很好的應(yīng)用效果。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

橡塑自送料機器人分為送料流程和放料流程，主要由上料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、空料檢測系統(tǒng)、機械手換位系統(tǒng)、直線導(dǎo)軌、平整度檢測系統(tǒng)、成品回收系統(tǒng)、廢料回收系統(tǒng)等構(gòu)成，送料和放料流程分別如圖1和2所示。

圖1 送料流程

自送料機器人首先運行送料流程，將膠件放入上料系統(tǒng)中，由上料系統(tǒng)運送到輸送系統(tǒng)中，在輸送系統(tǒng)中加入空料檢測系統(tǒng)，若有料則送入指定的位置，等機械手抓取之后輸送下一個膠件；當膠件放入指定位置后，啟動放料流程，由機械手抓取膠件通過直線導(dǎo)軌送入放料位置，若檢測放料到位，啟動壓床沖壓膠件，分別回收成品與廢料，機械手回歸原位，等待下一次送料到位。

橡塑自送料機器人包含伺服電機、減速器、限位開關(guān)、光柵尺、編碼器、氣缸、紅外傳感器、開關(guān)、觸摸屏等，各類傳感器實時采集數(shù)據(jù)，并將測試值輸送給PLC，PLC再通過伺服電機、氣缸等控制相關(guān)執(zhí)行元件。

圖2 放料流程

自送料機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖3。通過對橡塑自送料機器人的分析，明確了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)。系統(tǒng)運行時，基于LabVIEW2015開發(fā)的上位機軟件通過SIEMENS的OPC服務(wù)器讀取S7-200 PLC上所有數(shù)字數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶要求設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)控模塊。安裝在伺服電機上的編碼器和導(dǎo)軌上的光柵尺分別將脈沖傳送給NI-9411采集卡，采集卡將采集到的信號轉(zhuǎn)化為角度和位移變化量和方向。通過PLC和NI-9411采集卡兩部分的配合，實現(xiàn)對橡塑自送料機器人的整體監(jiān)控。

圖3 自送料機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

硬件配置1臺計算機、1臺SIEMENS S7-200 PLC、編碼器、光柵尺、數(shù)字量輸入模塊、電源、兩臺NI-9411數(shù)字采集卡、USB-PPI電纜、連接線等。其中，數(shù)字量輸入模塊用于采集橡塑自送料機器人的數(shù)字信號，包括限位開關(guān)信號、伺服電機脈沖數(shù)、氣缸運行信號、紅外傳感器信號等。光柵尺用于采集膠件輸送位置，編碼器用于采集伺服電機旋轉(zhuǎn)角度，USB-PPI電纜用于實現(xiàn)S7-200 PLC與LabVIEW2015之間的通信，將上位機采集數(shù)字量輸入模塊采集的傳感器數(shù)據(jù)和S7-200 PLC在橡塑自送料機器人運行期間產(chǎn)生的變化量傳遞給上位機。NI-9411采集卡具有比OPC服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)更快的采樣頻率，用于采集編碼器和光柵尺的脈沖信號，該系統(tǒng)配置的S7-200 PLC和NI-9411采集卡如圖4和5所示。

圖4 系統(tǒng)配置的S7-200 PLC

圖5 系統(tǒng)配置的NI-9411采集卡

本系統(tǒng)中光柵尺和編碼器都屬于增量式光電編碼器，輸出兩組相位差為90°的方波脈沖信號，脈沖數(shù)表示位移大小，因為編碼器A相和B相具有90°的相位差，通過比較A相還是B相在前，可以判別編碼器的方向，以此來判斷膠件的運行方向。編碼器和光柵尺與NI-9411采集卡的接口電路如圖6所示。

圖6 編碼器/光柵尺與NI-9411采集卡的接口電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分需要實現(xiàn)的功能包括控制參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)實時存儲、查詢、分析、故障判斷[2]。

根據(jù)以上功能需求，系統(tǒng)設(shè)計采用以下軟件：LabVIEW2015，SIMATIC Step 7 V4.0，S7-200 PC Access V1.06，其中LabVIEW2015用于編寫監(jiān)控程序和界面程序，并通過DataSocket技術(shù)訪問OPC服務(wù)器；LabVIEW2015與S7-200 PLC的連接需要配置OPC服務(wù)器，S7-200 PC Access V1.06是S7-200 PLC專用的OPC服務(wù)器，用于配置OPC服務(wù)器，提供S7-200 PLC與LabVIEW2015的連接通道。SIMATIC Step 7 V4.0用于分析PLC程序，優(yōu)化監(jiān)控的內(nèi)容與流程[3]。根據(jù)模塊化的設(shè)計思想，本系統(tǒng)采用狀態(tài)機和生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式相結(jié)合的方式編寫程序，可維護性強。軟件設(shè)計流程見圖7。

圖7 軟件設(shè)計流程

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

3.1.1 LabVIEW與PLC通信實現(xiàn)

OPC服務(wù)器是基于微軟的對象鏈接與嵌入（OLE）、組件對象模型（COM）和分布式組件對象模型（DCOM）技術(shù)，定義了一套標準的接口，采用客戶/服務(wù)器模式，只要硬件廠商提供OPC服務(wù)器接口，就可以在OPC服務(wù)器客戶端讀取PLC中的信息。采用OPC服務(wù)器的優(yōu)勢在于，連接PLC不需要根據(jù)PLC的型號而重新編寫程序，只需要對OPC服務(wù)器進行簡單設(shè)置就可以通信[4]。

SIEMENS S7-200 PLC有專門的OPC服務(wù)器程序 PC Access，可設(shè)置PLC的變量和地址，設(shè)置完成后，在LabVIEW2015中采用DataSocket函數(shù)訪問OPC服務(wù)器[5]。對OPC服務(wù)器的訪問有兩種方法，可以通過編程將前面板的控件與OPC服務(wù)器對應(yīng)的變量綁定，從而實時訪問PLC數(shù)據(jù)，見圖8。其中，OPC://代表OPC協(xié)議，localhost代表主機名，S7-200.OPCServer代表OPC服務(wù)器名，Microwin.NewPLC運行按鈕為項目名。

圖8 LabVIEW控件與OPC數(shù)據(jù)綁定窗口

3.1.2 LabVIEW與光柵尺、編碼器的通信實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊通過在LabVIEW中創(chuàng)建、編輯、運行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)，可以很方便地幫助用戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集操作[6]。

本系統(tǒng)通過DAQ模塊分別創(chuàng)建光柵尺、編碼器兩個虛擬通道和任務(wù)，設(shè)定好光柵尺輸入端、光柵尺A相和B相、編碼器輸入端、編碼器A相和B相、采樣間隔，再根據(jù)光柵尺和編碼器的分辨率設(shè)定光柵尺的脈沖間隔和編碼器的脈沖，通過DAQmx讀取虛擬通道（VI）和定時循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。再將采集到的數(shù)據(jù)通過通知器發(fā)送到從循環(huán)，在從循環(huán)實現(xiàn)50個點求和平均測速，并且加入超時報警。程序每次采集的數(shù)據(jù)文件均實時存儲在電腦指定的文件夾中，方便查看。光柵尺和編碼器的程序分別如圖9和10所示。

圖9 光柵尺讀取和測速程序

圖10 編碼器讀取和測速程序

3.2 運行工序判斷模塊

根據(jù)橡塑自送料機器人的工藝流程，每個工序?qū)?yīng)的PLC程序中均設(shè)置標志位。在S7-200 PLC執(zhí)行每個工序時，標志位的數(shù)據(jù)也發(fā)生變化，LabVIEW2015程序通過檢測標志位數(shù)據(jù)的變化，實時顯示當前橡塑自送料機器人的運行工序，再根據(jù)S7-200 PLC程序中的運行標志位，判斷橡塑自送料機器人的運行狀態(tài)。工序和系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序如圖11所示。

圖11 工序和系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序

3.3 按鍵監(jiān)控模塊

機器人的啟動和停止離不開對啟動按鍵和停止按鍵的控制，對按鍵的監(jiān)控可以了解機器人啟動和停止時間，所以本系統(tǒng)添加了對按鍵的監(jiān)控，可以記錄啟動按鍵和停止按鍵時間，且保存在指定的路徑下。通過對啟動按鍵和停止按鍵時間的分析，可得出機器人運行時間。按鍵監(jiān)控程序如圖12所示。

圖12 按鍵監(jiān)控程序

3.4 定時計數(shù)模塊

根據(jù)用戶需要，在橡塑自送料機器人運行過程中，需測試一定時間內(nèi)的輸送能力，即記錄限定時間內(nèi)的送料次數(shù)，本系統(tǒng)針對此要求設(shè)計了定時計數(shù)模塊，如圖13所示。設(shè)置好定時的時長，點擊開始計數(shù)按鈕，每放料成功1次，計數(shù)器計數(shù)自動加1，等到已用時間超過定時時長時，計數(shù)器的數(shù)值不會發(fā)生變化，并且自動計算自送料機器人平均每次送料的時間。

圖13 定時計數(shù)模塊

3.5 故障判斷與報警模塊

根據(jù)對橡塑自送料機器人的分析，送料到位、回位，放料到位、回位的時候，都會給PLC發(fā)一個脈沖，如果在限定的時間內(nèi)，PLC沒有收到這個脈沖，則說明機器發(fā)生故障，因此本系統(tǒng)設(shè)計了故障判斷與報警模塊，如圖14所示。采用生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式，當在5 s內(nèi)沒有接收到脈沖且自送料機器人處于運行狀態(tài)時，系統(tǒng)發(fā)出停機報警，且給出故障發(fā)生的時間，并將故障信息按日期分類記錄在程序所在的目錄下[7]。

圖14 故障判斷與報警模塊

3.6 遠程通信實現(xiàn)

遠程通信是工業(yè)自動化生產(chǎn)的必要功能，遠程通信的功能就是把現(xiàn)場設(shè)備當作服務(wù)器，將遠端的設(shè)備當作客戶端。將客戶端的前面板與服務(wù)器的前面板同步，達到控制客戶端程序，相當于控制服務(wù)器前面板程序的目的[8-11]。

首先，配置本地LabVIEW2015的WEB服務(wù)器。LabVIEW2015支持用戶程序通過WEB發(fā)布，通過創(chuàng)建一個HTML文檔并嵌入VI或者獨立應(yīng)用程序的前面板。在使用遠程監(jiān)控功能前，必須在服務(wù)器端配置WEB服務(wù)器，配置過程如下：（1）打開工具菜單的WEB發(fā)布工具，選擇需要遠程監(jiān)控的VI，查看模式，選擇內(nèi)嵌，點擊下一步；（2）設(shè)置顯示界面標題為橡塑機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)，頁眉與頁腳設(shè)置為空，點擊下一步；（3）按照用戶要求配置每項需求的網(wǎng)址，點擊啟動WEB服務(wù)器，即可完成設(shè)置。

其次配置客戶端的遠程監(jiān)控?？蛻舳擞嬎銠C務(wù)必與服務(wù)器計算機保持一致的LabVIEW Run-Time引擎，連接方式有兩種：（1）新建1個VI，點擊操作菜單下的連接遠程前面板指令，在彈出的對話框中輸入配置的服務(wù)器地址、端口和VI名稱，選擇是否請求控制，點擊連接按鈕，即可對服務(wù)器程控進行瀏覽和控制；（2）通過IE瀏覽器連接服務(wù)器，在網(wǎng)址欄輸入配置WEB服務(wù)器配置的URL地址即可（見圖15）。

圖15 通過網(wǎng)頁查看和控制VI前面板

4 試驗與結(jié)果

系統(tǒng)在橡塑自送料機器人上實際運行結(jié)果表明了機器人運行正常以及基于LabVIEW的橡塑自送料機器人監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與便利性。PLC信息監(jiān)控界面見圖16，界面選取了現(xiàn)階段重點關(guān)注的運行信號，若增加其他關(guān)注點，可以直接抽取運行信號進行分析。編碼器與光柵尺顯示與記錄界面見圖17。

圖16 PLC信息監(jiān)控界面

圖17 編碼器和光柵尺顯示與記錄界面

5 結(jié)論

通過對橡塑自送料機器人運行狀態(tài)的觀測和PLC程序開發(fā)的基于LabVIEW的橡塑自送料機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)能很好地完成橡塑自送料機器人運行過程中的遠程監(jiān)控任務(wù)，人機交互界面清晰，操作方便。該監(jiān)控系統(tǒng)不但可以在線監(jiān)控機器人的運行狀態(tài)，還可以隨時抽取任何關(guān)注點的運行信號進行分析，提高了現(xiàn)場工作人員對機器人的掌控和故障檢測能力。該監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實用性強，可擴展性強，已成功應(yīng)用于某新型橡塑自送料機器人系統(tǒng)。