机器人生产线PLC自保护智能控制系统设计

0引言

随着科技的进步,基于ABB机器人协同工作的机电设备生产线应运而生,而且已经得到很好的发展与应用。工业机器人在码垛、焊接、搬运和喷涂等领域有很强的技术优势,切实提高了生产效率,为生产带来了极大的便利,但是随之而来的安全问题也暴露了出来,工人被机器人挤压、剐蹭等情况时有发生,设计更加简洁高效智能的控制系统迫在眉睫。

吴公平^[1]设计了一种基于PLC控制的设备安全控制系统,系统可以监测设备的运行状况、自动检测安全故障并进行快速处理。武晓雯等人^[2]设计了一种单目视觉安全辅助系统,可为机器人提供非接触式安全预警,系统根据安全预警的范围、安全策略的等级和图像信息进行自动安全预判,为工业机器人控制系统提供有效的安全预警。孙英飞等人^[3]针对工业机器人安全输入输出接口控制系统,将安全接口电路系统分为IO接口系统和安全处理系统两部分,完成安全逻辑保护功能、PMAC各I/O光电隔离处理和外围通信控制功能设计。毛丽民等人^[4]根据对居家安全隐患的分析,得到典型的安全隐患,通过传感器对典型安全隐患进行监测,利用GSM移动网络来给居家主人发送危险信号短信,主人通过网络技术完成特定安全隐患的预处理。

现阶段对ABB机器人生产线智能控制系统的研究较多,但是在ABB机器人生产线PLC安全集成控制、自动智能、无线收发和人工自保护方面的研究还不够深入。针对ABB机器人生产线,本文设计了一种自保护智能控制系统。

1 自保护智能控制系统硬件设计

自保护智能控制系统主要包括硬件和软件两大方面的集成设计,其硬件接线如图1所示。硬件方面包括西门子PLC、触摸屏、无线手持报警器、声光报警器、机器人回退硬中断装置、应急按钮和监控摄像头等设备,其中声光报警器包括ABB生产线事故现场声光报警器和企业集控室声光报警器。将主要硬件设备集中到一个控制柜,在生产车间,每个机器人生产线区域分布一个自保护智能系统控制柜,负责此区域的安全应急工作。

1.1 PLC和触摸屏

本系统使用西门子CPU1214CDC/DC/DC作为控制器,选用西门子7寸触摸屏TP700 Comfort进行人机交互和画面组态。系统输入和输出模块要留有备用通道,方便后期的检修维护和系统功能扩展。触摸屏通过网线连接到PLC。

1.2 无线手持报警器

无线手持报警器是自保护智能控制系统的核心部分,采用的是海鹦(PUFFINS)品牌的4路一对一固定式无线开关量收发装置,型号为HK—FKGD40,便于携带,方便信号在企业车间范围内传输。工人随身携带无线手持报警器,在身处险境时,按下无线手持报警器,安装在PLC上的无线接收装置就会收到信号,对应的开关闭合,PLC的输入端I0.0接通。

1.3 声光报警器

声光报警器主要发出声音和闪光。当PLC的I0.0接通后,通过程序控制,PLC的输出端Q0.0线圈得电,会在现场附近触发ABB生产线事故现场声光报警,警示周围人员及时查看此区域的情况。同时,Q0.2线圈得电,远传到企业集控室,触发集控室的声光报警,从而通知运行值班人员查看监控,并前往就地及时排查险情。

1.4机器人回退硬中断

以ABB机器人控制柜使用的板卡DSQC652为例,当PLC的I0.0接通后,通过程序控制,Q0.1线圈得电,将Q0.1的输出通过24 V中间继电器的常开触点送至DSQC652的输入,使得机器人控制柜得到一个硬中断输入信号。通过该信号将机器人程序引入中断程序,机器人可以自动记录运动的起始点,然后智能判断、自动回退,从而保护工人的生命安全。总之,被挤压的工人通过手中的无线手持报警器便可控制机器人的回退,实现了自保护功能。

1.5 应急按钮

智能控制系统控制柜应急按钮布置情况如图2所示,将所有应急按钮集中到一个自保护智能控制柜中,便于快速应急处置。应急按钮的设计可以有多种位置,但是工人因为能力和习惯的因素,很难记得周全,所以将所有应急按钮集中到一个控制柜并注明功能非常有必要。

应急按钮包括急停按钮、机器人暂停按钮和机器人抱闸释放按钮。急停按钮可以实现该生产线的设备全部断电。机器人暂停按钮是直接引自机器人控制柜的暂停按钮^[5],按下此按钮可以暂停机器人运动且不断电。机器人抱闸释放按钮直接引自机器人控制柜的抱闸释放按钮^[5],使用此按钮,须一人托住机器人,另一人按下抱闸释放按钮,可以人为随意改变机器人的姿态,从而解救被挤压人员。

1.6 监控摄像头

视频监控是生产企业常规配置,智能控制系统把机器人工作区域的监控单独调出来,在集控室大屏幕上以32个画面集中播放。智能控制系统区域的摄像头具有画面自动报警功能,如果有人经过机器人生产线危险区域,可以自动弹出画面,呈现给盘前的操作人员,有助于操作人员的安全巡视。

1.7小结

生产企业的维修工作不允许单人作业,所以安全的把控首要的是工人自身安全水平的提高,其次是安全监护人的监护。企业应该加强安全培训,不断提高工人的安全技能和管理人员的管理水平。

自保护智能控制系统首要的是对无线手持报警器的使用,可以实现受机器人挤压人员的自解救。其次是安全监护人员对应急按钮的辅助操作,可以起到协助解救的作用。监控画面的自动提醒无法做到十分精准的推送,容易导致看盘人员疲劳,继而容易忽略报警信息,所以监控摄像只是控制系统的辅助。其他措施比如光栅、围栏、警示标志等也起到了较好的辅助作用。

2 自保护智能控制系统软件设计

自保护智能控制系统采用博图TIAPortal软件编写梯形图程序,博图软件不仅适合S7—1200系列PLC程序的编写和仿真,而且可以进行触摸屏的画面仿真。

自保护智能控制系统程序主要包括无线手持报警器信号输入检测程序、声光报警程序和自保护(机器人智能判断自动回退)程序,如图3和图4所示。程序通过调试,编译下载至S7—1200PLC即可自动运行。

在图3中,当无线手持报警器信号输入时,延时时间1 5(为了防止误碰发生错误的报警,所以设定了1 5的延时)后,中间继电器M11.0线圈得电,触发报警程序。在图4中,Q0.0~Q0.2线圈也同时得电,触发机器人回退硬中断程序并发出声光报警。

ABB机器人得到PLC送来的回退硬中断信号以后,通过智能判断,记录当前运动起点和指令修正,实现自动回退运动。

3 自保护智能控制系统仿真结果

自保护智能控制系统采用触摸屏7寸精智版本进行画面组态仿真^[6],主要分为操作按钮区、事故触发定时计时区和报警显示区域三个部分,具体仿真画面如图5所示。

3.1报警触发结果仿真

报警触发结果如图6所示。按下无线手持报警器

信号输入按钮,1s后,定时器计时显示值显示“+1”,证明有人按下了无线手持报警器超过1s,从而触发报警程序。报警显示区域会显示三个红灯信号:ABB生产线事故现场声光报警提醒现场周围人员及时排查处置险情;触发机器人回退硬中断用红灯模拟,表明PLC输出了机器人回退硬中断信号;企业集控室声光报警亮红灯,提醒集控室人员及时排查处置险情。

3.2报警复位仿真

收到声光报警到达现场的人员处理完险情后,按下ABB生产线就地复位按钮,报警显示区域的第一个和第二个红灯熄灭,代表声光报警复位和机器人回退信号复位完成。企业集控室人员处置完险情前后,均可按下企业集控室声光报警复位按钮,将报警显示区域的第三个红灯熄灭,代表企业集控室声光报警复位完成。复位后,定时器计时显示值显示“+0”。最终报警复位后的结果如图5所示。

3.3 应急按钮仿真

智能控制系统控制柜上的三个应急按钮采用的是实际的操作按钮,急停按钮实现系统断电,相当于电源总闸,无须仿真。为了防止另外两个按钮出现故障,在触摸屏上也添加了两个相同功能的应急按钮(机器人暂停按钮和机器人抱闸释放按钮)作为备用,并注明了使用方法。按下机器人暂停按钮,可以实现机器人暂停且不断电。按下机器人抱闸释放按钮,工人可以随意调节机器人的形态。

触摸屏仿真结果表明, 自保护智能控制系统可以实现相应的功能。

4结束语

该机器人生产线PLC自保护智能控制系统通过硬件设计、软件编程和触摸屏仿真,实现了ABB机器人生产线的自保护智能控制功能;通过对应急按钮的集成,提高了突发事故的处理速度;通过无线手持报警器和机器人智能自动回退的设计,实现了工人自我解救,保障了工人人身安全;加上声光报警和监控的辅助设计,降低了人工巡视的力度,避免了出现事故无人发现的不良情况。该系统可以通过一个控制柜实现对整个厂房所有机器人生产线的安全控制,减少了PLC和触摸屏的使用数量,成本低、控制智能、实用性强,便于推广应用。

[参考文献]

[1]吴公平.基于PLC的机械设备安全控制系统设计[J].内燃机与配件,2024(4):72-74.

[2]武晓雯,刘赫,高铁洪.工业机器人单目视觉安全辅助系统设计[J].哈尔滨理工大学学报,2022,27(3):90-96.

[3]孙英飞,罗爱华,徐亮.基于工业机器人安全I/0接口控制系统设计[J].中国新技术新产品,2015(19):1-2.

[4]毛丽民,卢振利,王晨希,等.家居安全隐患的智能机器人多传感器控制系统设计[J].机床与液压,2015,43 (9):42-45.

[5] 张春芝,钟柱培,张大维.工业机器人操作与编程[M].2版.北京:高等教育出版社,2022.

[6]延龙,石宪红,张凯丽,等.基于PLC的小车自动配料控制系统设计[J].机电信息,2023(6):17-20.

《机电信息》2025年第14期第8篇