協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控平臺(tái)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的利用率。由于學(xué)生無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，也無(wú)法進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為了提高實(shí)驗(yàn)室的利用率并保證線上教學(xué)背景下學(xué)生的動(dòng)手操作能力依然能夠得到充分地鍛煉，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控平臺(tái)。該平臺(tái)主界面上的五個(gè)工作站操控平臺(tái)按鈕分別能夠控制實(shí)驗(yàn)室中的五個(gè)工作站。每個(gè)工作站操控平臺(tái)界面都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室工作站的狀態(tài)、指示參數(shù)、設(shè)定系統(tǒng)操作和報(bào)警等功能。通過(guò)向?qū)W生開(kāi)放該平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室的空間和時(shí)間都能夠得到大大的拓展，實(shí)驗(yàn)室的利用率也能夠得到很大提高。同時(shí)，學(xué)生的動(dòng)手操作能力也能夠得到充分地鍛煉。

關(guān)鍵詞 協(xié)作機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)室；遠(yuǎn)程操控；開(kāi)放式

一、引言

我校協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主要服務(wù)于PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線、機(jī)電系統(tǒng)集成方面的課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)。該實(shí)驗(yàn)室主要由5臺(tái)協(xié)作機(jī)器人工作站及4條輸送帶構(gòu)成。每臺(tái)工作站都配備有PLC、觸摸屏、變頻器和編碼器光電開(kāi)關(guān)等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的傳感器。工作站和輸送線均可以單獨(dú)使用，也可以通過(guò)PLC的現(xiàn)場(chǎng)總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)指定的功能。整條生產(chǎn)線模擬工廠的自動(dòng)裝配線，可以實(shí)現(xiàn)3種不同形狀（正方形、長(zhǎng)方形、圓形）和不同顏色的物料（紅、藍(lán)、綠）的自動(dòng)出庫(kù)、裝配、螺絲機(jī)擰緊、打磨及視覺(jué)分揀入庫(kù)全過(guò)程。每個(gè)工作站的功能包括：底座上料（出庫(kù)）、上蓋上料與裝配（出庫(kù)、雙手爪）、上蓋上料擰緊裝配（螺絲機(jī)、氣動(dòng)螺絲刀）、工件打磨/噴涂（轉(zhuǎn)臺(tái)）和成品碼垛入庫(kù)（視覺(jué)分揀）。機(jī)械手采用節(jié)卡7kg協(xié)作機(jī)器人，并具有防碰撞功能。控制部分全部采用西門(mén)子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)行控制，控制器為西門(mén)子S71200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機(jī)臺(tái)通過(guò)西門(mén)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(mén)子V20系列變頻器控制。PLC通過(guò)西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對(duì)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(lái)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(dòng)能夠繼續(xù)進(jìn)行，學(xué)生們也能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)知識(shí)，但線上教學(xué)也給實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)等課程的高質(zhì)量進(jìn)行帶來(lái)了一定的難度[2]。協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室最初是以線下教學(xué)為前提的，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)也都是由學(xué)生和教師進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室上課。因此，開(kāi)發(fā)一款實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控平臺(tái)就顯得非常必要[3]。該平臺(tái)能夠讓教師和學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作設(shè)備的問(wèn)題。此外，該平臺(tái)還可以通過(guò)開(kāi)放遠(yuǎn)程操控平臺(tái)的方式來(lái)拓展實(shí)驗(yàn)室的空間和時(shí)間，讓學(xué)生能夠在開(kāi)放時(shí)間通過(guò)遠(yuǎn)程操控平臺(tái)隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而極大地鍛煉學(xué)生的動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)思路

在平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，應(yīng)選取符合遠(yuǎn)程操控平臺(tái)功能需求的云平臺(tái)。為了讓學(xué)生在遠(yuǎn)程編程操控之前了解5個(gè)工作站的功能及動(dòng)作，需要在遠(yuǎn)程操控平臺(tái)上為每個(gè)工作站設(shè)計(jì)操控界面。操控界面包含了工作站的全部動(dòng)作，通過(guò)配合攝像頭，可以在線上清晰地向?qū)W生展示每個(gè)工作站的全部動(dòng)作。為了實(shí)時(shí)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(yùn)行時(shí)，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需要在遠(yuǎn)程操控平臺(tái)上設(shè)置報(bào)警功能，包括報(bào)警靜音、報(bào)警復(fù)位、報(bào)警查看。為了讓學(xué)生看到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，除了在操控平臺(tái)上設(shè)置狀態(tài)指示燈，還需要為每個(gè)工作站配備一個(gè)全景攝像頭，以便實(shí)時(shí)觀看設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

三、遠(yuǎn)程操控平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程

原協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)線由OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個(gè)工作站組成。各部分之間可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以聯(lián)動(dòng)。控制部分全部采用西門(mén)子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)行控制。控制器為西門(mén)子S7 1200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機(jī)臺(tái)通過(guò)西門(mén)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(mén)子V20系列變頻器控制，PLC 通過(guò)西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對(duì)傳輸線進(jìn)行啟停以及調(diào)速控制。各機(jī)臺(tái)工件通過(guò)節(jié)卡系列機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)接，保證工件的順利周轉(zhuǎn)。在開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程操控平臺(tái)之前，需要查看并熟知五個(gè)工作站的PLC程序，了解I/O點(diǎn)與各執(zhí)行器和傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。選擇適合的云平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，添加控制變量，編輯云端組態(tài)畫(huà)面（電腦端、手機(jī)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(tái)采用了黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。黑馬組態(tài)云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程編程調(diào)試及維護(hù)，遠(yuǎn)程上下載程序等功能。平臺(tái)支持手機(jī)端、電腦端、企業(yè)大屏三端同屏監(jiān)控，并可以通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。平臺(tái)還具備實(shí)時(shí)預(yù)警功能，數(shù)據(jù)一旦超過(guò)預(yù)定值，即可通過(guò)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(tái)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(shí)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(mén)子1200進(jìn)行博圖軟件配置時(shí)，需要打開(kāi)“允許從遠(yuǎn)程伙伴（PLC、HMI、OPC…）使用PUT/GET通訊訪問(wèn)”。對(duì)于固件版本高于V4.1的西門(mén)子1200、1500PLC，如果要訪問(wèn)DB數(shù)據(jù)塊，需要對(duì)DB數(shù)據(jù)進(jìn)行兩處設(shè)置。本項(xiàng)目固件版本低于V4.1，無(wú)需對(duì) 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(gè)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(shí)現(xiàn)手機(jī)、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(guò)程中，教師可以將學(xué)生編寫(xiě)的PLC程序上傳至工作站，并通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行功能驗(yàn)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(diǎn)位由按鈕、觸摸屏等多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入終端控制，為了防止IO點(diǎn)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(duì)應(yīng)的IO點(diǎn)位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)目變量地址從M1000開(kāi)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(chēng)和變量地址，如圖1所示。

（二）編輯組態(tài)

協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控平臺(tái)主界面由 OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個(gè)協(xié)作機(jī)器人工作站操控平臺(tái)組成。右上角有I/O監(jiān)控和報(bào)警查詢(xún)按鈕，右下角有總電源開(kāi)關(guān)，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源控制，需要對(duì)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(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程啟動(dòng)。通過(guò)對(duì)每個(gè)工作站配電箱總斷路器前端加裝25A固態(tài)繼電器，可通過(guò)PLC的I/O口對(duì)繼電器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)工作站的通電。

主界面可以進(jìn)入每個(gè)操控平臺(tái)界面，以下以O(shè)P10 工作站遠(yuǎn)程操控平臺(tái)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(kù)（圓形、正方形、長(zhǎng)方形）。操控平臺(tái)上設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個(gè)模塊。在平臺(tái)下方設(shè)置了I/O監(jiān)控、報(bào)警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。通過(guò)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(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)。在氣缸推三種工件出庫(kù)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)工件卡住、工件缺失等問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送報(bào)警信息到操控平臺(tái)。此時(shí)需要檢查對(duì)應(yīng)的推料機(jī)械裝置或工件是否缺失，排除后點(diǎn)擊報(bào)警復(fù)位按鍵恢復(fù)。在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)操控過(guò)程中，如遇到意外情況，可通過(guò)緊急停止按鍵斷開(kāi)工作站電源。在狀態(tài)指示模塊中，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、三種工件位置狀態(tài)進(jìn)行指示。配合實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)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(guò)編碼器檢測(cè)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(yùn)行的實(shí)際頻率，單位為赫茲。傳送帶設(shè)定頻率：設(shè)定傳送帶運(yùn)行時(shí)的速度，最大為50，單位為赫茲。

系統(tǒng)操作模塊用于手動(dòng)操作各對(duì)應(yīng)的功能。需要注意的是，在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行停止的狀態(tài)下才能操作，否則會(huì)引起誤動(dòng)作或人員傷害。工件標(biāo)識(shí)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(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)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(yùn)行后點(diǎn)擊此按鈕清除當(dāng)前的工件標(biāo)識(shí)記憶，再人工將輸送帶上所有工件清空。自動(dòng)啟停：在確認(rèn)所有條件允許的情況下，點(diǎn)擊此按鈕系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作。

（三）修改源程序，設(shè)置控件動(dòng)態(tài)屬性

在編輯完組態(tài)畫(huà)面后，需要修改 PLC 源程序，并設(shè)置控件動(dòng)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(dòng)程序”“自動(dòng)運(yùn)行程序”等FC 功能塊。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，我們需要新建一個(gè)“遠(yuǎn)程控制”功能塊FC。在OB1中，用“遠(yuǎn)程手動(dòng)控制”變量的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)“遠(yuǎn)程控制”功能塊。當(dāng)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制時(shí)，“遠(yuǎn)程手動(dòng)控制”的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，運(yùn)行“遠(yuǎn)程控制”功能塊，將遠(yuǎn)程手動(dòng)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(jī)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(shí)，變頻器啟動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)M10.0為 0時(shí)，變頻器停止運(yùn)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(xiě)程序，用M1000.0的常開(kāi)觸點(diǎn)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(yǔ)

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(duì)于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程的教學(xué)效果，尤其是需要用到實(shí)驗(yàn)室、機(jī)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室中有5臺(tái)協(xié)作機(jī)器人工作站，每個(gè)工作站之間由一條輸送帶連接，每臺(tái)工作站和輸送線可以單獨(dú)使用，也可以通過(guò)PLC現(xiàn)場(chǎng)總線連接在一起實(shí)現(xiàn)指定的功能。如果采用線上教學(xué)，學(xué)生將無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)備的實(shí)際操作，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程也無(wú)法進(jìn)行。學(xué)生的動(dòng)手操作能力得不到鍛煉，實(shí)驗(yàn)室的利用率也會(huì)極低。為了解決以上問(wèn)題，本文針對(duì)協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控平臺(tái)。該平臺(tái)采用黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，平臺(tái)主界面由五個(gè)協(xié)作機(jī)器人工作站操控平臺(tái)組成，通過(guò)主界面可以進(jìn)入到每個(gè)操控平臺(tái)界面，每個(gè)操控平臺(tái)界面設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個(gè)模塊，以及設(shè)置了I/O監(jiān)控、報(bào)警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。該平臺(tái)能讓學(xué)生和教師通過(guò)平臺(tái)界面對(duì)協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，使得學(xué)生的動(dòng)手操作能力仍然能得到充分的鍛煉。另外，通過(guò)開(kāi)放該平臺(tái)給學(xué)生，極大提高實(shí)驗(yàn)室的利用率，拓展實(shí)驗(yàn)室的空間和時(shí)間。目前該平臺(tái)還不能進(jìn)行遠(yuǎn)程編程，還需要對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行完善，最終實(shí)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(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力的目的。

作者單位：馮嵩 李丹 沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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