信息化技术在机器人上下料设备中的应用

□ 黄立波

上海电气集团自动化工程有限公司 上海 200233

1 应用背景

随着我国工业装备技术的快速发展,对机器人上下料设备的高效、自动化、信息化程度提出了越来越高的要求。

一般来说,非标自动化设备是以可编程序控制器为控制中心,结合软件技术与智能化技术形成的设备系统。可编程序控制器因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强,以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点,已经广泛用于机器人上下料设备。机器人虽然具有较强的运动控制功能,但是逻辑控制功能较弱,通信功能较弱,只有在设备较为简单的情况下能够作为控制中心,在复杂的情况下还是主要作为可编程序控制器的从站。

在没有信息化系统的情况下,虽然非标自动化设备也能独立运行,但是无法进行数据追溯,无法进行设备运行效率的统计,也无法进行数据图表趋势的展示与预防性维护。对于工厂的生产管理者来说,这样的设备就成为了一座座信息孤岛。只有建立了信息化系统,设备的当前状态、历史状态、运行趋势才能被使用者和维护者时刻掌握,从而提升整个生产线的运行效率和生产质量。

笔者以机器人上下料设备项目为例,研究信息化软件在机器人上下料设备中的开发与应用。

2 设备组成

实际项目中,整套系统分为一套机器人上料设备、一套机器人下料设备,每套设备中包含机器人、三维视觉设备、输送线、物料架配套设备,如图1所示。

▲图1 机器人上下料设备

项目中的主要设备包括:① 可编程序控制器,使用西门子S7-1200 CPU1214C 可编程序控制器进行主控;② 机器人设备,使用发那科R-2000iC/165F进行上下料抓取;③ 三维视觉设备,在上料工位需要对炉架进行视觉定位,在下料工位需要对工件进行视觉定位;④ 输送线设备,在上料工位需要对输入的工件进行输送,在下料工位需要对输出的工件进行输送。

3 信息化系统硬件设计

项目中使用工控机运行信息化系统,工控机的配置如下:① 中央处理器,采用英特尔酷睿 i5 ORE i5 10代;② 内存,为16 GiByte;③ 硬盘,采用256 GiByte固态硬盘+2 TiByte机械磁盘阵列;④ 显示器,采用17 in液晶显示器一台和50 in大屏电视一台。

4 信息化系统软件设计

4.1 数据采集程序开发

数据采集是信息化功能实现的基础。而数据采集的关键是实现可编程序控制器与上位机之间的通信。项目中,数据采集程序需要与上料工位可编程序控制器和下料工位可编程序控制器分别通信,需求参数见表1。

表1 通信需求参数

对于不同的可编程序控制器,与上位机之间的通信方式各有不同。项目选用了目前机械自动化领域应用最广的西门子可编程序控制器,与上位机之间的通信方式主要有,OPC Server、SIMATIC NET、ProDave、LibNoDave、Snap7等,项目中使用Snap7通信方式。

Snap7是Github平台上的开源工具,用于访问西门子可编程序控制器。虽然Snap7已多年未更新,但是使用它访问西门子可编程序控制器仍然非常稳定。Snap7使用C++语言开发,运行效率很高。Snap7支持.NET的调用方式,开发效率高。Snap7支持跨平台运行。Snap7是开源的软件,遇到问题也可以进行诊断和修复。Snap7是免费软件,使用成本低。

使用Snap7方式,可以方便地和可编程序控制器建立通信,访问里面的数据,C#典型代码如下:

S7Client m_clnt;

m_clnt =new S7Client();

int ret;

ret = Client.ConnectTo(″192.168.10.10″,0,2);

charbuffRead[100],buffWrite[100];

ret = Client.DBRead(10,0,100,buffRead);

...

ret = Client.DBWrite(10,0,100,buffWrite);

...

m_clnt.Disconnect();

项目中,为上料可编程序控制器、下料可编程序控制器各创建一个扫描线程。在扫描线程里,根据配置的数据参数进行轮询扫描。这样,不参与运行或有通信故障的设备指挥阻塞该设备对应的线程,不会因为通信故障而影响其它设备的扫描,数据采集程序的运行稳定性会提高很多。

4.2 数据库设计

信息化软件产生的数据需要进行保存、查询和分析,只有数据库可以胜任上述功能。根据需求,可以选择不同的数据库,不同的数据库有各自的特点和适宜的应用场合。在工业自动化领域中,常用的数据库有Microsoft SQL Server、Microsoft Access、Oracle、MySQL、PostgreSQL、SQLite等。项目中使用MySQL,MySQL的特点如下:① 成本低,MySQL数据库是一种完全免费的产品,用户可以直接从网上下载;② 支持跨平台,MySQL数据库支持至少20种以上的开发平台,包括Linux、Windows、FreeBSD等,这使得在任何平台下编写的程序都可以进行移植,而不需要对程序做任何修改;③ 应用广泛,MySQL数据库得到了大量应用的验证,稳定性非常高;④ 功能强大,MySQL数据库中提供了多种数据库存储引擎,各个引擎各有所长,适用于不同的应用场合,用户可以选择最合适的引擎以得到最高性能,这些引擎升值可以应用处理每天访问量数亿的高强度Web搜索站点,MySQL数据库支持事务、视图、存储过程和触发器等;⑤ 存储容量大,MySQL数据库的最大有效容量通常是由操作系统对文件大小限制决定的,而不是由MySQL数据库内部限制决定的。

项目中,一共创建了四个和上下料数据相关的表格,见表2。

表2 数据表格

项目中,使用数据库脚本SQL语言进行数据库的创建。脚本方式的好处是,当需要进行数据库的维护、更新、重构时,使用脚本更加迅速,不依赖于环境配置。如果需要将数据库升级或迁移到其它数据库,通过脚本可以快速实现。例如,对于炉位上料记录,使用如下SQL脚本可以创建相关的数据表:

CREATE TABLE ′RackUpData′(

′ID′ int NOT NULL AUTO_INCREMENT,

′RackNum′ int NOT NULL,

′RackPos′ int NOT NULL,

′Flag′ int NOT NULL DEFAULT 0,

′CreatedTime′ DATETIME NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,

PRIMARY KEY(′ID′),

INDEX(′RackNum′),

INDEX(′CreatedTime′),

INDEX(′Flag′)

)ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

4.3 服务器端软件开发

信息化软件产生的数据需要进行显示和管理,因此需要开发用户界面。

界面应用程序的开发通常包括对话框界面程序开发和网页界面程序开发。

网页界面程序的开发越来越受欢迎,主要基于以下特点:① 网页界面程序只需要在浏览器上运行,不像对话框界面程序需要安装包,安装的前提条件更多;② 网页界面程序,可以将数据处理逻辑都置于服务器后端运行,对前端运行环境的要求更低;③ 网页界面程序可以实现跨平台,可以在Windows、Linux等平台上运行;④ 网页界面程序可以实现移动端的运行,可以在手机和智能平板上运行。

项目中,使用ASP.NET MVC,采用微服务的方式开发服务器端,将服务器端开发和前端开发分离开来。服务器端开发的与上下料信息化相关的控制器参数见表3。

表3 控制器参数

由表3可以看出,项目中使用Json的方式进行数据交换。Json是一种轻量级的数据交换格式,具有良好的可读和便于快速编写的特性。业内主流技术为其提供了完整的解决方案,从而可以在不同平台间进行数据交换。Json采用兼容性很高的文本格式,同时也具备类似于C语言体系的行为。输入输出参数均使用Json,服务器端的开发可进行统一的处理。

4.4 前端软件开发

信息化软件前端提供用户界面,用户可以从中看到数据追溯、统计、监控的内容。前端一般采用脚本语言开发,通过网络服务器运行。项目中采用JavaScript脚本语言开发前端界面,通过互联网信息服务运行提供前端页面,在浏览器中运行。

从浏览器中输入根网址http://localhost:8020,局域网电脑则使用工控机的网际协议替换本地主机访问。登录系统后的界面,左侧是菜单栏,上栏是打开的页面导航,右上栏是个人信息和退出功能,个人信息功能可以修改个人的资料和密码,首页是产量统计数据和本周每一天的柱状统计图,出现的运行界面如图2所示。

▲图2 柱状统计图界面▲图3 质量追溯/上料工位菜单界面

选择界面下的质量追溯/上料工位菜单,出现的运行界面如图3所示。

由于前端页面需要访问服务器提供的服务才能获取数据,为了使页面的刷新更加平滑,笔者使用了Ajax技术,在当前页面调用异步方法,获取服务器里的数据。典型代码如下:

5 结束语

笔者针对机器人上下料设备,开发设计了信息化系统软件,实现了数据的可追溯、图形展示、数据统计等功能。由于架构的优化,将来扩展参数设置、报表等功能,也都是可行的。管理人员可以在办公室里通过电脑、手机或平板电脑,打开信息化界面,监控现场设备的运行。笔者开发的信息化系统将打通车间设备中的信息孤岛,使车间设备更数字化、智能化,将在制造业中得到应用。