基于LabVIEW的橡塑自送料機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
2020-3-12 來源： 河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程 河北托利智能 作者：谷裕 李健 付建生 師占群
摘要：開發(fā)基于LabVIEW的橡塑自送料機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，介紹監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件構(gòu)成以及軟件模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以在線監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)抽取任何關(guān)注點(diǎn)的運(yùn)行信號(hào)并進(jìn)行分析，提高現(xiàn)場工作人員對機(jī)器人的掌控和故障檢測能力。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；虛擬儀器；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；LabVIEW
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(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和管理已成為現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展方向 ，機(jī)器人代替人進(jìn)行生產(chǎn)操作已成為企業(yè)發(fā)展的方向，特別是在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作危險(xiǎn)性高的場合，更是企業(yè)技術(shù)升級(jí)的首選。橡塑膠塞除邊工序過去一直沿用人工上下料實(shí)現(xiàn)模切，執(zhí)行效率低，具有潛在的危險(xiǎn)性。橡塑自送料機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)膠塞模切工序自動(dòng)上料，從而有助于實(shí)現(xiàn)醫(yī)用膠塞生產(chǎn)過程自動(dòng)化。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的技術(shù)水平，本工作研發(fā)了一套自送料機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用個(gè)人電腦（PC）作上位機(jī)，以可編程邏輯控制器（PLC）和NI采集卡作下位機(jī)，利用用于過程控制的對象鏈接與嵌入（OPC）技術(shù)和LabVIEW實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、停機(jī)報(bào)警、顯示和保存。本系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控橡塑自送料機(jī)器人的數(shù)據(jù)運(yùn)行，將機(jī)器語言轉(zhuǎn)化為操作者熟悉的可視化界面，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)器性能的檢測和遠(yuǎn)程監(jiān)控，在機(jī)器故障時(shí)發(fā)出報(bào)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(jī)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(jì)
橡塑自送料機(jī)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(jī)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
圖2 放料流程
自送料機(jī)器人首先運(yùn)行送料流程，將膠件放入上料系統(tǒng)中，由上料系統(tǒng)運(yùn)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(jī)械手抓取之后輸送下一個(gè)膠件；當(dāng)膠件放入指定位置后，啟動(dòng)放料流程，由機(jī)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(dòng)壓床沖壓膠件，分別回收成品與廢料，機(jī)械手回歸原位，等待下一次送料到位。
橡塑自送料機(jī)器人包含伺服電機(jī)、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(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將測試值輸送給PLC，PLC再通過伺服電機(jī)、氣缸等控制相關(guān)執(zhí)行元件。
圖3 自送料機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
自送料機(jī)器人遠(yuǎn)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(jī)器人的分析，明確了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，基于LabVIEW2015開發(fā)的上位機(jī)軟件通過SIEMENS的OPC服務(wù)器讀取S7-200 PLC上所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控模塊。安裝在伺服電機(jī)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(hào)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(shí)現(xiàn)對橡塑自送料機(jī)器人的整體監(jiān)控。
2 、硬件設(shè)計(jì)
硬件配置1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1臺(tái)SIEMENS S7-200 PLC、編碼器、光柵尺、數(shù)字量輸入模塊、電源、兩臺(tái)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(jī)器人的數(shù)字信號(hào)，包括限位開關(guān)信號(hào)、伺服電機(jī)脈沖數(shù)、氣缸運(yùn)行信號(hào)、紅外傳感器信號(hào)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(jī)旋轉(zhuǎn)角度，USB-PPI電纜用于實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC與LabVIEW2015之間的通信，將上位機(jī)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(jī)器人運(yùn)行期間產(chǎn)生的變化量傳遞給上位機(jī)。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(hào)，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(hào)，脈沖數(shù)表示位移大小，因?yàn)榫幋a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(yùn)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(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分需要實(shí)現(xiàn)的功能包括控制參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、查詢、分析、故障判斷 。根據(jù)以上功能需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想，本系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)和生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式相結(jié)合的方式編寫程序，可維護(hù)性強(qiáng)。軟件設(shè)計(jì)流程見圖7。
圖7 軟件設(shè)計(jì)流程
3. 1 數(shù)據(jù)采集模塊
3. 1. 1 LabVIEW與PLC通信實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)而重新編寫程序，只需要對OPC服務(wù)器進(jìn)行簡單設(shè)置就可以通信。
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。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(shí)時(shí)訪問PLC數(shù)據(jù)，見圖8。其中，OPC://代表OPC協(xié)議，localhost代表主機(jī)名，S7-200. OPCServer代表OPC服務(wù)器名，Microwin. NewPLC運(yùn)行按鈕為項(xiàng)目名。
3. 1. 2 LabVIEW與光柵尺、編碼器的通信實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊通過在LabVIEW中創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)，可以很方便地幫助用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集操作。
圖8 LabVIEW控件與OPC數(shù)據(jù)綁定窗口
本系統(tǒng)通過DAQ模塊分別創(chuàng)建光柵尺、編碼器兩個(gè)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(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)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(shí)現(xiàn)50個(gè)點(diǎn)求和平均測速，并且加入超時(shí)報(bào)警。程序每次采集的數(shù)據(jù)文件均實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(yùn)行工序判斷模塊
根據(jù)橡塑自送料機(jī)器人的工藝流程，每個(gè)工序?qū)?yīng)的PLC程序中均設(shè)置標(biāo)志位。在S7-200 PLC執(zhí)行每個(gè)工序時(shí)，標(biāo)志位的數(shù)據(jù)也發(fā)生變化，LabVIEW2015程序通過檢測標(biāo)志位數(shù)據(jù)的變化，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前橡塑自送料機(jī)器人的運(yùn)行工序，再根據(jù)S7-200 PLC程序中的運(yùn)行標(biāo)志位，判斷橡塑自送料機(jī)器人的運(yùn)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(jī)器人的啟動(dòng)和停止離不開對啟動(dòng)按鍵和停止按鍵的控制，對按鍵的監(jiān)控可以了解機(jī)器人啟動(dòng)和停止時(shí)間，所以本系統(tǒng)添加了對按鍵的監(jiān)控，可以記錄啟動(dòng)按鍵和停止按鍵時(shí)間，且保存在指定的路徑下。通過對啟動(dòng)按鍵和停止按鍵時(shí)間的分析，可得出機(jī)器人運(yùn)行時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)模塊
根據(jù)用戶需要，在橡塑自送料機(jī)器人運(yùn)行過程中，需測試一定時(shí)間內(nèi)的輸送能力，即記錄限定時(shí)間內(nèi)的送料次數(shù)，本系統(tǒng)針對此要求設(shè)計(jì)了定時(shí)計(jì)數(shù)模塊，如圖13所示。設(shè)置好定時(shí)的時(shí)長，點(diǎn)擊開始計(jì)數(shù)按鈕，每放料成功1次，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)自動(dòng)加1，等到已用時(shí)間超過定時(shí)時(shí)長時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值不會(huì)發(fā)生變化，并且自動(dòng)計(jì)算自送料機(jī)器人平均每次送料的時(shí)間。
圖13 定時(shí)計(jì)數(shù)模塊
3. 5 故障判斷與報(bào)警模塊
根據(jù)對橡塑自送料機(jī)器人的分析，送料到位、回位，放料到位、回位的時(shí)候，都會(huì)給PLC發(fā)一個(gè)脈沖，如果在限定的時(shí)間內(nèi)，PLC沒有收到這個(gè)脈沖，則說明機(jī)器發(fā)生故障，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障判斷與報(bào)警模塊，如圖14所示。采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式，當(dāng)在5 s內(nèi)沒有接收到脈沖且自送料機(jī)器人處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)報(bào)警，且給出故障發(fā)生的時(shí)間，并將故障信息按日期分類記錄在程序所在的目錄下。
圖14 故障判斷與報(bào)警模塊
3. 6 遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)
遠(yuǎn)程通信是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的必要功能，遠(yuǎn)程通信的功能就是把現(xiàn)場設(shè)備當(dāng)作服務(wù)器，將遠(yuǎn)端的設(shè)備當(dāng)作客戶端。將客戶端的前面板與服務(wù)器的前面板同步，達(dá)到控制客戶端程序，相當(dāng)于控
制服務(wù)器前面板程序的目的。
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(gè)HTML文檔并嵌入VI或者獨(dú)立應(yīng)用程序的前面板。在使用遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控的VI，查看模式，選擇內(nèi)嵌，點(diǎn)擊下一步；（2）設(shè)置顯示界面標(biāo)題為橡塑機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，頁眉與頁腳設(shè)置為空，點(diǎn)擊下一步；（3）按照用戶要求配置每項(xiàng)需求的網(wǎng)址，點(diǎn)擊啟動(dòng)WEB服務(wù)器，即可完成設(shè)置。
其次配置客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。客戶端計(jì)算機(jī)務(wù)必與服務(wù)器計(jì)算機(jī)保持一致的LabVIEW Run-Time引擎，連接方式有兩種：（1）新建1個(gè)VI，點(diǎn)擊操作菜單下的連接遠(yuǎn)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(diǎn)擊連接按鈕，即可對服務(wù)器程控進(jìn)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(yàn)與結(jié)果
系統(tǒng)在橡塑自送料機(jī)器人上實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明了機(jī)器人運(yùn)行正常以及基于LabVIEW的橡塑自送料機(jī)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(diǎn)關(guān)注的運(yùn)行信號(hào)，若增加其他關(guān)注點(diǎn)，可以直接抽取運(yùn)行信號(hào)進(jìn)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(jī)器人運(yùn)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(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能很好地完成橡塑自送料機(jī)器人運(yùn)行過程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)，人機(jī)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(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，還可以隨時(shí)抽取任何關(guān)注點(diǎn)的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行分析，提高了現(xiàn)場工作人員對機(jī)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(shí)用性強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，已成功應(yīng)用于某新型橡塑自送料機(jī)器人系統(tǒng)。
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