基于PLC控制的ABB機器人電動機節(jié)能設(shè)計

陳軼恒， 孔慶章

（吉利汽車 春曉公司，浙江 寧波315800）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源消耗總量在2009年超越美國，成為世界第一大能源消耗國。目前，我國能源消費量占世界能源消費量的23%。我國工業(yè)能源消費量占到第二產(chǎn)業(yè)的97.4%[1]。在工業(yè)體系中，汽車工業(yè)又是其重要組成部分。2019年，我國汽車產(chǎn)銷分別完成2572.1萬輛和2576.9萬輛，產(chǎn)銷量蟬聯(lián)全球第一[2]。我國汽車工業(yè)雖面臨壓力，但總體來說發(fā)展十分迅速。因此，整車制造工廠的節(jié)能技術(shù)研究對于汽車工業(yè)有著重大的意義。

圖1 能源消耗比例

1 現(xiàn)狀分析與目標(biāo)制定

1.1 現(xiàn)狀分析

吉利汽車春曉公司焊裝廠2019年有9個月單臺能耗超出預(yù)定目標(biāo)值。根據(jù)2019年能源消耗數(shù)據(jù)分析，電能消耗占了總能源消耗的79%，如圖1所示。

焊裝廠現(xiàn)階段一、二線共有機器人294臺，機器人系統(tǒng)不管是在正常生產(chǎn)運行還是在空閑待機時間都是主要的能量消耗者。降低機器人能源消耗迫在眉睫。

焊裝廠現(xiàn)階段生產(chǎn)模式為“單班游牧式”生產(chǎn)。在該生產(chǎn)模式下，上午在一線自動線生產(chǎn)，下午在二線自動線生產(chǎn)。一部分機器人在較長時間段內(nèi)都處于電動機上電模式，示教器狀態(tài)欄顯示“電動機開啟”，如圖2所示。

圖2 示教器狀態(tài)欄

此時機器人6個軸的電動機仍處于消耗電能的狀態(tài)，但機器人在HOME位等待接收車型，并沒有處于生產(chǎn)模式中，造成了不必要的能源浪費。

因為現(xiàn)場機器人數(shù)量較多，將全場機器人斷電需要花費較長時間（常規(guī)斷電流程為先在示教器上選擇“關(guān)閉計算機”，等待30 s后示教器顯示“已關(guān)機”，再將控制器上的主電源開關(guān)斷開），所以在短時間待機模式時不適合將機器人斷電。例如，在一線生產(chǎn)時二線機器人處于待機狀態(tài)。另一方面，因機器人自動化線體信號極其復(fù)雜，斷電后有些無掉電保持的信號會恢復(fù)初始值，重新開啟后機器人自動化線體往往會出現(xiàn)很多不可預(yù)計的問題[3]，如機器人安全位置信號丟失。所以通常在夜間和周末機器人較長時間待機時期，不會為了降低能耗而將機器人控制器總電源關(guān)閉。

1.2 節(jié)能方案研究

通過查閱大量的ABB手冊資料和咨詢ABB廠家人員得知，機器人在使用機械抱閘保持姿態(tài)和使用使能保持姿態(tài)時，6個軸電動機消耗的功率存在差異，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

以現(xiàn)場型號最多的IRB-6700 235/2.65機器人為例，通過電動機上電使能保持機器人6個軸姿態(tài)消耗的功率為0.71 kW，而通過機械抱閘保持機器人姿態(tài)消耗的功率僅為0.16 kW。所以機器人在待機不生產(chǎn)時若能自動進(jìn)入到抱閘保持姿態(tài)的模式，一臺機器人可節(jié)省能耗0.55 kW。

表1 不同制動狀態(tài)下的功率消耗[4]

要達(dá)到下電的效果則可以從PLC程序控制入手，通過對PLC程序的優(yōu)化，控制機器人待機時自動停止程序運行，電動機自動下電。

考慮到正常生產(chǎn)時因設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致機器人短時間內(nèi)出現(xiàn)非預(yù)見性停止運行，此時并不希望機器人電動機下電，因為在短時間內(nèi)排除故障恢復(fù)生產(chǎn)后需要對全場幾十個區(qū)域的機器人重新上電，這無疑增加了操作人員的工作量，也間接影響了設(shè)備稼動率。那么機器人停止運行多久后再進(jìn)入電動機節(jié)能模式才合適呢？

下面統(tǒng)計并分析了2019年1月以來的所有故障停線時間。其中，停線在30 min以下時間段內(nèi)的停線次數(shù)占總停線次數(shù)的85%，如圖3所示。若把時間設(shè)置在30 min以內(nèi)，那么頻繁的故障會使機器人頻繁地掉電。

圖3 20219年1月以來故障次數(shù)統(tǒng)計

綜合以上信息，將機器人停止運行延時掉電時間定為30 min。只要機器人待機時間達(dá)到30 min，程序會停止運行，電動機自動掉電，機器人進(jìn)入電動機節(jié)能模式。這里要特別說明一下，機器人停止機械運動并不代表程序停止運行，一般一個循環(huán)結(jié)束后，機器人程序指針會停在WHILE Do循環(huán)的開始，等待接收任務(wù)號。因此在電動機下電之前先要將程序停止運行。

2 改善措施

2.1 PLC功能塊開發(fā)

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，機器人在空閑待機時期有多種狀態(tài)：Home位、換帽位、維修位、抓件等待位和放件等待位。針對各種狀態(tài)，開發(fā)了集各種狀態(tài)于一體的功能塊，如圖4所示。功能塊的各引腳介紹如表2所示。功能塊內(nèi)程序停止邏輯如圖5所示，由輸入條件觸發(fā)#Time_Start信號，1800 s接通延時后，置位#O_Robot_Stop信號，由功能塊引腳輸出。

考慮到某些可預(yù)見性的停線，如中午停線吃飯時間。針對該類型的停線，增加了手動控制掉電功能，因為此時我們并不需要在30 min后再掉電，中午停線時可直接在HMI上控制，立即將機器人程序停止運行。

功能塊內(nèi)電動機下電邏輯如圖6所示，當(dāng)機器人在電動機上電的情況下，機器人程序停止信號#O_Robot_Stop 為1時，3 s接通延時后，置位#O_Robot_Mo torOff信號，由功能塊引腳輸出給機器人。

2.2 PLC與機器人電動機下電交互信號確定

在PLC 與機器人 交 互 信 號Robot_From_PLC_D ata中，取第三位預(yù)留信號Spare[3]定義為機器人電動機下電輸入信號，定義機器人輸出預(yù)留信號Spare_23為電動機下電反饋信號，如圖5所示。

圖4 機器人自動掉電功能塊

表2 自動下電功能塊引腳介紹

圖5 程序停止邏輯

圖6 電動機下電邏輯

2.3 PLC功能塊引腳填寫

將機器人工位號編號填入Name引腳，將手動控制輸入點填入I_Energy_Manual引腳，將機器人抓件等待和放件等待Seg號分別填入WaitSegNo_1 和WaitSegNo_2引腳，將機器人服務(wù)位和換帽程序號分別填入ServicePgno和ChgTipPgno引腳，將節(jié)能復(fù)位輸入填入I_Reset引腳，將機器人的交互信號輸入組填入Robot_PI 引腳，引腳O_Robot_Stop 上填入機器人程序停止信號#ENERGY_STOP，引腳O_Robot_MotorOff上填入機器人下電信號。信號配置完成后的功能塊如圖8所示。

停止信號#ENERGY_STOP并到機器人程序停止邏輯段，如圖9所示。

圖7 機器人與PLC交互信號

圖8 功能塊引腳信號配置

圖9 程序停止程序段

2.4 機器人系統(tǒng)輸入信號設(shè)置

機器人的系統(tǒng)輸入功能通過輸入I/O信號可指定具體的系統(tǒng)輸入項，比如Start程序執(zhí)行或Motors on電動機上電。該輸入項會在不使用示教器或其它硬件裝置的情況下觸發(fā)一項交由機器人控制器系統(tǒng)處理的系統(tǒng)行動。這里可以用PLC信號來觸發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)輸入項stop程序停止和MotorsOff電動機下電。

根據(jù)前期的信號定義，將機器人輸入預(yù)留信號Spare[3]更改名稱為DiMotorsOff。該信號為PLC的輸出信號。對DiMotorsOff進(jìn)行系統(tǒng)輸入設(shè)置。點擊機器人示教器菜單中的“控制面板”，在I/O主題下雙擊“System Input”，點擊“添加”，雙擊“Signal Name”，選擇“DiMotorsOff”，雙擊“Action”，選擇“Motors Off”。最后點擊“確定”，重啟示教器完成，如圖10所示。整個機器人下電流程如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)輸入設(shè)置頁面

圖11 機器人下電流程

3 效果驗證

通過改善，焊裝車間所有ABB機器人在夜間和周末非生產(chǎn)時期待機超過30 min后，程序自動停止運行，3 s后電動機自動掉電。示教器上狀態(tài)欄顯示的程序運行和電動機上電狀態(tài)的顯示變化過程如圖12所示。

改善完成后，2020年3月份單臺能耗同比下降43%，四月份同比下降37.8%，五月份同比下降51.3%，六月份同比下降59.1%。

4 結(jié)語

隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車制造業(yè)自動化率大幅提升，機器人大量投入使用代替人工已經(jīng)成為了汽車制造業(yè)的主流。本節(jié)能案例可應(yīng)用到所有汽車制造企業(yè)，乃至其他機器人應(yīng)用行業(yè)。實現(xiàn)節(jié)約能源消耗、降低生產(chǎn)成本的目的。

圖12 斷電過程示教器狀態(tài)顯示