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基於LabVIEW的橡塑自送（sòng）料機器人遠程監控係統

2020-3-12 來（lái）源：河北工業大學機械工（gōng）程河北托利智能作者：穀裕李（lǐ）健付建生師占群

摘（zhāi）要：開發基於LabVIEW的橡塑自送料機器人遠程監控係統，介紹監控係統的總體設計和硬件構成以（yǐ）及軟件模塊實現的關鍵技術。該監控係統（tǒng）可（kě）以在（zài）線監控機器人的運行狀態，隨時抽取任何關注點的運行信號並進行分析，提高現（xiàn）場工作人員對機（jī）器人的掌控和故障檢測能力。

關鍵（jiàn）詞：機器人；虛擬儀器；遠程監控係統；LabVIEW

隨著中國製造2025的快速推（tuī）行，工廠智能化技術不斷發展（zhǎn）和應用，計算機自動（dòng）控製和管理已成為現代企業的發展方向，機器人代替人進行生產操作（zuò）已成為企業發展的方向（xiàng），特別是在勞動強度大、工作（zuò）危險性高的（de）場合，更是企業技術（shù）升級的首選。橡塑膠塞除（chú）邊工序過去一直沿用人工上下料實現模切，執行效率低，具有潛在的危險性。橡塑自送料機器人可以實現膠塞模切（qiē）工序自（zì）動上料，從而有助於實現（xiàn）醫用膠（jiāo）塞生產過程自動化。為（wéi）進一（yī）步提高機器人的技術（shù）水平（píng），本工作研發了一套自送料機器人的遠程監控係統。

本係（xì）統采用個人電腦（PC）作上位機，以可（kě）編程邏（luó）輯控製器（PLC）和NI采集卡作（zuò）下位機，利（lì）用用於過程（chéng）控製的對象鏈接與嵌入（rù）（OPC）技術和LabVIEW實現了下位機的數（shù）據采集（jí）、數據處理、停機報警、顯示和保存。本係統不僅能實時監控橡塑自送料機（jī）器人的數據運行，將機器語言轉化為操作者熟悉的可視（shì）化界麵（miàn），還能實現機器性能的檢（jiǎn）測和遠程監控，在（zài）機器故障時發出報警。本係統在為某公司最新研發的膠塞模切自送料橡塑（sù）機器人中取得了很（hěn）好的（de）應用效果。

1、監控係統的總體設計

橡塑自送料機器人分為送料流程和放料流程，主要（yào）由上料係統、輸（shū）送係統、空料（liào）檢測係統、機械手換位係（xì）統、直線導軌、平整度檢測係統、成品回收係統、廢料回收係統等構（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）器人首先運行送料流程，將膠件放入上料係統中，由上料係統運送到輸送（sòng）係統中，在輸送係統中加（jiā）入空料檢測係統，若有料則送入指定的（de）位置，等機械手抓取之後輸送下一個膠件；當膠件放入指定位置後，啟動放料流程（chéng），由機械手抓取膠件通過直線導軌送入放料位（wèi）置，若檢測放料到（dào）位，啟動壓床衝壓膠件，分別回收成品（pǐn）與廢料，機械（xiè）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（jiǎn）速器、限位開關、光柵尺、編碼器、氣缸、紅外傳感器、開（kāi）關、觸摸屏等，各類傳感器實時采集數據（jù），並將（jiāng）測試值（zhí）輸送給PLC，PLC再通過（guò）伺服（fú）電機、氣缸（gāng）等控製相關執行元件。

圖3 自送料機（jī）器人遠程監控係統總（zǒng）體結構

自送料機器人（rén）遠程監控係統總體結構見圖3。通過對橡塑自送料（liào）機器人的分析，明確了遠程監控係統的主要任務（wù）。係（xì）統運行時（shí），基（jī）於LabVIEW2015開發的上（shàng）位（wèi）機軟件（jiàn）通過SIEMENS的OPC服務器讀取S7-200 PLC上所有數字數據，並根據用戶要求設計相應的監控模塊。安裝在伺服電機上的編碼器和（hé）導軌上的（de）光（guāng）柵尺分別將脈（mò）衝傳送給NI-9411采集卡，采集卡將采集到的信（xìn）號轉化為（wéi）角度和位移變化量和方向。通（tōng）過PLC和NI-9411采集卡兩部分的配合，實現對橡塑自送料機器人的整體監控。

2 、硬件設計

硬件配置1台計算機、1台SIEMENS S7-200 PLC、編碼器、光柵尺、數字量輸入模塊、電源、兩台NI-9411數（shù）字（zì）采集卡、USB-PPI電纜、連接線等。其中，數字量輸入模塊用於采（cǎi）集橡塑自送（sòng）料機器人的數字信號，包括限位（wèi）開關（guān）信號、伺服電機脈衝數、氣缸運行信號、紅外傳感器信號等。光（guāng）柵尺用於（yú）采集膠件輸送位置，編碼器用（yòng）於（yú）采集伺服電機旋轉（zhuǎn）角（jiǎo）度，USB-PPI電纜（lǎn）用於實現（xiàn）S7-200 PLC與（yǔ）LabVIEW2015之（zhī）間的通信，將上位機采集數字量輸入模塊采（cǎi）集（jí）的傳感器（qì）數據和S7-200 PLC在橡塑自送料機器人運行期間產生的變化量傳遞給上位（wèi）機。NI-9411采集卡具有（yǒu）比OPC服務器調用數據更快（kuài）的采樣頻率，用於采集編碼器和光柵尺的脈衝信號，該係統配置的S7-200 PLC和NI-9411采集卡如圖4和5所示。

圖4 係統配置的S7-200 PLC

圖5 係統（tǒng）配置的NI-9411采集卡

本係統中光柵尺和編碼器都（dōu）屬於（yú）增量式光電編碼器，輸出兩組相位（wèi）差為90°的方波脈衝信號，脈衝數表示位移大小，因為編碼器A相和B相（xiàng）具（jù）有90°的相位差，通（tōng）過比較A相還是B相在前，可以（yǐ）判別編碼器的方向，以此來判斷（duàn）膠件（jiàn）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（shān）尺與NI-9411采集卡的接口電（diàn）路

3 、軟件設計

軟件設計部分需要（yào）實現的功（gōng）能包括（kuò）控製參（cān）數（shù）設定、數據實時顯示、數據實時存儲、查（chá）詢、分析、故（gù）障判斷。根據以上功（gōng）能需求，係統設（shè）計采用以下軟件：LabVIEW2015，SIMATIC Step 7 V4.0，S7-200 PC Access V1.06，其中LabVIEW2015用於編寫監控（kòng）程序和界麵程序，並（bìng）通過DataSocket技術訪問OPC服務器；LabVIEW2015與S7-200 PLC的連接需要（yào）配（pèi）置OPC服務器，S7-200 PC Access V1.06是S7-200 PLC專用的OPC服務器，用於配置OPC服務器，提供S7-200 PLC與LabVIEW2015的連接（jiē）通道。SIMATIC Step 7 V4.0用於分析PLC程序，優化監控的內容與流程。根據模塊化的設計思想，本係統采用狀態機和生產者/消費（fèi）者設計（jì）模式相結合的方式編寫程序，可維護性強。軟件設計流程見圖7。

圖7 軟（ruǎn）件設計流程

3. 1 數據采（cǎi）集模塊

3. 1. 1 LabVIEW與PLC通信實現

OPC服務器是基於微軟的對象鏈接與嵌（qiàn）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（hù）/服務器模式，隻要硬件廠（chǎng）商提供OPC服務器（qì）接口，就可以在OPC服務器（qì）客戶端讀（dú）取PLC中的信息。采用OPC服務器的優（yōu）勢在於（yú），連接PLC不需要根據PLC的型號（hào）而重新編寫程（chéng）序，隻需要對OPC服務（wù）器進行（háng）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，設置完成後，在LabVIEW2015中采用DataSocket函數訪問OPC服務器。對OPC服務器的（de）訪（fǎng）問有兩種方法，可以通過編程將前麵板的控件與OPC服（fú）務器對應的變量（liàng）綁定（dìng），從而實時訪（fǎng）問PLC數據，見圖8。其中，OPC://代表OPC協議，localhost代表主機名，S7-200. OPCServer代（dài）表OPC服（fú）務器名，Microwin. NewPLC運（yùn）行（háng）按鈕（niǔ）為項目名。

3. 1. 2 LabVIEW與光（guāng）柵尺、編碼（mǎ）器的通信實現

數據（jù）采集（DAQ）模塊通過在LabVIEW中創建、編輯、運（yùn）行NI-DAQmx虛擬通道和任務，可（kě）以很方便地幫助用（yòng）戶實現（xiàn）數據采集操作。

圖8 LabVIEW控件與OPC數據綁定窗口

本係（xì）統通過DAQ模塊分別創建光柵尺、編（biān）碼器兩個虛（xū）擬通道和任務，設定好光柵尺輸入端、光柵尺A相和B相、編碼器輸入端、編碼器A相（xiàng）和B相、采樣間隔（gé），再根（gēn）據光柵尺和編碼器的分（fèn）辨率設定光柵尺的脈衝間隔和編碼器（qì）的脈衝，通過DAQmx讀取虛擬通道（dào）（VI）和（hé）定時循環結構實現數據采集。再將采集到的數據通過通知器發送到從循環，在從循環實現50個點求（qiú）和平均測速，並且加入超時報（bào）警。程（chéng）序每次采集（jí）的數據文件均實時存儲在電腦指定的文（wén）件夾中，方便查看。光柵（shān）尺和編碼器的程序分別如圖9和10所示。

圖9 光柵尺讀取（qǔ）和測速（sù）程序

圖10 編碼（mǎ）器讀取和測速程序

3. 2 運行工序（xù）判斷模（mó）塊

根據橡（xiàng）塑自送（sòng）料機器人的工藝流程（chéng），每個工序對應的PLC程（chéng）序中均設置（zhì）標誌位。在S7-200 PLC執行每個工序時，標誌位的數據也（yě）發生變（biàn）化，LabVIEW2015程序（xù）通（tōng）過檢測標誌位數據（jù）的變化，實時顯示當前橡塑自送料機器人的運行（háng）工序，再根據S7-200 PLC程序中的運行標誌位，判（pàn）斷橡塑自送料（liào）機器人的運（yùn）行狀態。工序和係統（tǒng）狀態顯（xiǎn）示程序（xù）如圖11所（suǒ）示。

圖11 工序和係統狀態顯示程序

3. 3 按鍵監控模（mó）塊

機（jī）器人的啟動（dòng）和停止離不開對（duì）啟動按鍵和停止（zhǐ）按（àn）鍵的（de）控製，對按鍵的監控可以了解機器人啟動和停止時間（jiān），所以本係（xì）統添加了對按鍵的監控，可以記錄啟（qǐ）動（dòng）按鍵（jiàn）和停止按鍵時間，且保存在指定的路（lù）徑下。通過（guò）對啟動按鍵和停止（zhǐ）按鍵時間的分析，可得出機器人（rén）運行時間。按鍵監控程序如圖12所（suǒ）示。

圖12 按鍵監控程序

3. 4 定時計數模塊

根據用戶需要，在橡塑自送料機（jī）器（qì）人運行過程中，需測試一定時間內的輸送能力，即記錄限（xiàn）定時間內的送料次數（shù），本（běn）係統針對此要求設計了定時計（jì）數模塊，如圖13所示。設置好（hǎo）定時的時長，點擊開始（shǐ）計數按鈕，每放（fàng）料成功1次，計數器計數自（zì）動加1，等到已用時間超過定時時長時（shí），計數（shù）器的數值不會發生變化，並且自動計（jì）算（suàn）自送料機器人平（píng）均每次送料的時間。

圖13 定時計數模塊

3. 5 故障判斷與（yǔ）報警模塊（kuài）

根據對橡塑自送料機器人（rén）的分析，送料到（dào）位、回位，放料（liào）到位、回位的時候（hòu），都（dōu）會（huì）給PLC發一個脈衝，如果在限定的時間內，PLC沒有收到這個（gè）脈衝，則說（shuō）明機器發生故障，因此本係統設（shè）計了故障判斷與報警模塊，如圖（tú）14所示。采用生產者/消費（fèi）者設計模式，當在5 s內沒有接收到脈衝（chōng）且自送料機器人（rén）處於運行狀態時，係統發出停（tíng）機報警，且給出故障發生（shēng）的時間，並將故障信息按日期分類記錄在程序所在的目錄下。

圖14 故障判斷與報警（jǐng）模塊

3. 6 遠程（chéng）通（tōng）信實（shí）現

遠程通信是（shì）工業自動化生產的必（bì）要功能，遠程通信的（de）功能就是把現場設（shè）備當作（zuò）服務（wù）器（qì），將遠端的設備當作客戶端。將客戶端的前麵板與服務（wù）器的前麵板同步，達到控製客戶端程序，相當於控（kòng）

製服（fú）務器前麵（miàn）板（bǎn）程序的目的。

首先，配置本地LabVIEW2015的WEB服（fú）務器。LabVIEW2015支持用戶程序（xù）通過WEB發布（bù），通過創建一個HTML文檔並嵌入VI或者獨立應用程序的前麵板。在使用遠程監控功能前，必須在服務器端配置WEB服務器，配置過程如下：（1）打開工具菜單的WEB發布（bù）工具，選擇（zé）需要遠程（chéng）監控的VI，查看模式，選擇內嵌，點擊下一步；（2）設置顯示界麵標題（tí）為橡塑機器（qì）人遠程監控係（xì）統，頁眉與頁腳設置為空，點擊下一步；（3）按照用（yòng）戶要求配（pèi）置每項需求的網址，點擊啟動WEB服務器，即可完成設置。

其次配（pèi）置客戶端的遠（yuǎn）程監控（kòng）。客戶端計算機務必與服（fú）務器計算機保（bǎo）持一（yī）致的LabVIEW Run-Time引擎，連接方式（shì）有（yǒu）兩種：（1）新建1個VI，點擊操作菜單下的連接遠程前麵板指令，在彈出的對話（huà）框中輸入配置的服（fú）務器地址、端口和VI名稱，選擇是否請求控製，點擊連接按鈕，即可對（duì）服（fú）務器程控進行瀏覽和控製；（2）通過IE瀏（liú）覽（lǎn）器連接服務器，在（zài）網址欄輸入配置WEB服務器配置的URL地址即可（見圖15）。

圖15 通過網頁查看（kàn）和控製VI前麵板

4 、試驗與結果

係統在橡塑自送料（liào）機器人（rén）上實際運行結果表明了機器人運行正（zhèng）常以及（jí）基於LabVIEW的橡塑（sù）自（zì）送料機器人監控係統的可靠性與便利性。PLC信息監控界麵見圖16，界麵選取了現階段（duàn）重點關注的運行信號，若增加其他關注點，可以直接抽取（qǔ）運行信號進（jìn）行分析。編碼器與光柵尺顯示與記錄界麵見圖17。

圖16 PLC信息監控界（jiè）麵

圖17 編碼（mǎ）器和光柵尺顯示與記錄界麵

5 、結論

通過對橡塑自送（sòng）料機器人運行狀態的（de）觀測和PLC程序開發的基於LabVIEW的橡塑自送料機（jī）器人（rén）遠程監（jiān）控係統（tǒng）能很好地完成橡塑（sù）自送料（liào）機器（qì）人運行過程中的遠（yuǎn）程監控任務，人機交互界麵清晰（xī），操作方便（biàn）。該監控係統不但可以在線監控機器人的運行狀態，還可以隨時抽取任何（hé）關注點的運（yùn）行信號進行分（fèn）析，提高了現場工作（zuò）人員對機器人的掌控（kòng）和（hé）故障檢測能力。該監（jiān）控係統（tǒng）工作穩定，實（shí）用性強，可擴展性強，已成功應用於（yú）某新型橡塑自送料機器人係統。

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