工業(yè)機器人深度節(jié)能研究

胡覺醒 喬 慧 孟令豐 寇程翔

（吉利汽車集團有限公司智能制造部，浙江 慈溪 315300）

0 引言

隨著生產(chǎn)自動化水平的不斷提升，工業(yè)機器人已經(jīng)逐漸代替人類被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域；但是它在實際生產(chǎn)工作中會產(chǎn)生大量的能耗。為實現(xiàn)制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要注重在制造過程中深化節(jié)能自動化技術(shù)的設(shè)計理念[1]。同時，為了保證工業(yè)機器人的高能效利用率，需要使用能耗管理策略降低其能耗消耗[2]，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

1 工業(yè)機器人深度節(jié)能概述

工業(yè)機器人在生產(chǎn)運行和待機狀態(tài)下均會產(chǎn)生能耗，一般將生產(chǎn)運行產(chǎn)生的能耗稱為生產(chǎn)能耗，可以通過減少機器人外部軸工具、優(yōu)化機器人軌跡（減少非必要的減速和加速過程）等方式降低該能耗；將非生產(chǎn)待機狀態(tài)產(chǎn)生的能耗稱為待機能耗，目前針對該能耗的自動化解決方案很少，只有部分制造公司通過硬件設(shè)備和編程的辦法來控制機器人電源的開關(guān)，以達到減少能耗的目的，該技術(shù)屬于常規(guī)的資金投入方案，存在很多弊端。在不增加成本的前提下，降低待機能耗是每個企業(yè)追求的目標，通過技術(shù)研究和實踐發(fā)現(xiàn)，機器人深度節(jié)能（開機和關(guān)機中間能量平衡狀態(tài)）可以通過西門子的功能塊來實現(xiàn)睡眠和能耗顯示，通過自創(chuàng)的魔術(shù)包數(shù)據(jù)來觸發(fā)機器人開機，以實現(xiàn)喚醒功能。

1.1 PROFIenergy協(xié)議

PROFIenergy是由PI（PROFIBUS & PROFINET International國際組織）定義的一個基于PROFINET的生產(chǎn)設(shè)備能源管理標準。

PROFIenergy的中心任務(wù)是利用生產(chǎn)間隙時間里“通過網(wǎng)絡(luò)”功能來關(guān)閉所有不需要的耗電組件，需要工作的組件電源保持激活狀態(tài)，以實現(xiàn)面向未來的能源管理。

1.2 PROFIenergy指令

PROFIenergy定義了標準指令來控制和查詢設(shè)備狀態(tài)的模型。

1.2.1 控制指令

控制指令是控制設(shè)備在工作模式和節(jié)能模式之間的切換。

1.2.2 查詢指令

查詢指令可以查詢設(shè)備的能耗狀態(tài)、PROFIenergy狀態(tài)以及查詢設(shè)備支持哪些PROFIenergy功能。

1.3 PROFIenergy組件

1.3.1 PROFIenergy的I/O控制器

控制器向下級設(shè)備發(fā)送各自的PROFIenergy命令，但也有可能在其中表示完整的PE智能（狀態(tài)模型）。生產(chǎn)過程也可以由該控制器進行控制，但這不是強制的。

1.3.2 PROFIenergy設(shè)備

該設(shè)備可以是簡單的PROFINET I/O設(shè)備或驅(qū)動器，也可以是更復(fù)雜的設(shè)備，例如工業(yè)機器人。

1.3.3 PROFIenergy功能塊

CPU的功能“I-device”（智能I/O設(shè)備）使PLC與I/O控制器交換數(shù)據(jù)成為可能，因此，可以使用CPU作為預(yù)處理部分進程的智能單元。在其作為I/O設(shè)備的角色中，I-device連接到一個“更高級別”的I/O控制器。預(yù)處理是通過CPU中應(yīng)用程序的“I-Device”功能來保證的，這是PROFINET的一種特殊功能。

1.3.4 PROFIenergy狀態(tài)模型

每臺機器或系統(tǒng)基本上都有2種狀態(tài)：“ON”或“OFF”。這些狀態(tài)也代表了系統(tǒng)的生產(chǎn)力。對能源來說，“ON”狀態(tài)表示功耗最高，“OFF”狀態(tài)表示功耗最低。理想情況下，“OFF”狀態(tài)下的功耗為0。通過PROFIenergy可以在2個自然狀態(tài)之間定義節(jié)能狀態(tài)，這使在非生產(chǎn)時間將系統(tǒng)帶入一個更“有利”的能量狀態(tài)成為可能。

如圖1所示的 PROFIenergy狀態(tài)模型展示了不同狀態(tài)、操作時間和能量損耗之間的關(guān)系。

圖1 PROFIenergy狀態(tài)模型

PROFIenergy模型系統(tǒng)通過主要指令或更高級別的系統(tǒng)來激活/取消激活系統(tǒng)的節(jié)能功能。而I/O控制器將PROFIenergy命令“Start”/“End”發(fā)送給PROFINET設(shè)備。由該設(shè)備解釋PROFIenergy命令的內(nèi)容，從而設(shè)置開開啟、關(guān)閉或初始化設(shè)備節(jié)能。PROFIenergy還有其他功能，可以在待機期間檢索設(shè)備信息，該信息可以讓用戶及時查看設(shè)備在睡眠狀態(tài)下的能耗情況。

2 工業(yè)機器人應(yīng)用中節(jié)能場景

工業(yè)機器人的節(jié)能場景有很多，例如待機的電能耗、軌跡的電機扭矩力能耗以及負載質(zhì)量能耗等，該文重點介紹待機能耗下的5種應(yīng)用場景。

2.1 在短暫的時間停頓中節(jié)省能耗

短暫的休息可以是喝咖啡或吃午飯，時間從幾分鐘到一小時不等；其目的是在不影響系統(tǒng)可用性的情況下節(jié)省能源。也可以在短暫停頓期間，僅關(guān)閉部分能耗機器人。短暫的節(jié)省待機能耗如圖2所示（短時間能耗圖）。

圖2 短時間能耗圖

2.2 在長時間的停頓中節(jié)省能耗

該停頓通常出現(xiàn)在晚上和周末。由于暫停時間相當(dāng)長，因此機器人進入節(jié)能模式，降低能耗，從而在暫停期間節(jié)省最大數(shù)量的能量。長時間的節(jié)省待機能耗如圖3所示（長時間能耗圖）。

圖3 長時間能耗圖

2.3 在計劃外停機時間中節(jié)省能耗

通常，這種類型的暫停（停機）沒有計劃，中斷的時間點和持續(xù)時間是無法預(yù)見的。然而，在該情況下，也要節(jié)約能源。例如，如果物質(zhì)（水汽）流動不穩(wěn)定，就會出現(xiàn)中斷的情況。由于PROFIenergy還可以協(xié)調(diào)機組之間的復(fù)雜關(guān)系，因此在該情況下也可以達到最佳的節(jié)約能源的效果。

2.4 有計劃停機時間中節(jié)省能耗

有計劃停機中斷的時間點和持續(xù)時間是有計劃的。例如在缺料和維護保養(yǎng)時，就會出現(xiàn)該待機狀態(tài)，可以根據(jù)現(xiàn)場情況選擇最佳的節(jié)約能源的方案。

2.5 測量和可視化能耗

PROFIenergy還允許以統(tǒng)一格式從設(shè)備中讀取能耗數(shù)據(jù)，例如電能耗數(shù)據(jù)。在操作過程中，這些數(shù)據(jù)被收集并顯示在操作面板上。確保了可以使用統(tǒng)一的格式和結(jié)構(gòu)對目前機器人在運行和待機中可用的測量數(shù)據(jù)變量進行進一步處理和可視化展示。

3 工業(yè)機器人節(jié)能存在問題

工業(yè)機器人在傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)方案中是通過PLC控制繼電器實現(xiàn)斷電工作，機器人斷電后再重啟，就會以冷啟動方式再次上電，也就是恢復(fù)初始狀態(tài)，不再記憶以前的程序狀態(tài)。該技術(shù)方案如圖4 所示（傳統(tǒng)節(jié)能方案），存在的具體問題如下。

圖4 傳統(tǒng)節(jié)能方案圖

3.1 添加硬接線和硬件費用昂貴

傳統(tǒng)市場上對工業(yè)機器人節(jié)能的方案就是單個機器人添加繼電器和硬接線，再通過PLC的信號點進行編程，該方案工作量大、費用昂貴且應(yīng)用環(huán)境局限性大。

3.2 機器人容易丟失零點

在傳統(tǒng)硬接線方案中，工業(yè)機器人不可以在正常生產(chǎn)過程中進入睡眠節(jié)能模式，防止機器人位置坐標丟失，機器人控制柜內(nèi)的蓄電池沒電或者電壓嚴重不足時，就無法支持控制PC延時關(guān)機。寄存器數(shù)據(jù)容易丟失，機器人零點自然丟失，不利于生產(chǎn)。

3.3 恢復(fù)生產(chǎn)時間長

在機器人通過繼電器斷開總電源后，機器人啟動方式改為冷啟動，該啟動方式會掃描系統(tǒng)文件夾進行初始化運行，單臺機器人車型多的程序內(nèi)存占比高，冷啟動時間大約為5 min，在天氣冷的情況下時間會更長。

3.4 重啟故障率高退程序

工業(yè)機器人強制斷電后無法記錄進入程序的具體位置，存在信號丟失的情況，系統(tǒng)運行信號丟失就會報錯，特別是強制性斷電、編碼器丟失位置、報位置錯誤信息以及系統(tǒng)報系統(tǒng)錯誤等。

4 新技術(shù)路線與方案

要實現(xiàn)工業(yè)機器人深度節(jié)能的功能，就需要從2個方面進行工作接入：可編程控制器（PLC）的硬件選型配置和工業(yè)機器人的控制柜控制電路及網(wǎng)絡(luò)配置。

4.1 可編程控制器方面

通過2個實例來介紹可編程控制器通過PROFIenergy訪問工業(yè)機器人。使用功能1控制工業(yè)機器人進入和退出節(jié)能模式，需要提前選定好硬件版本，硬件配置見表1。使用功能2讀取工業(yè)機器人的能耗數(shù)據(jù)，需要提前確定好軟件版本，軟件配置見表2。

表1 硬件配置表

表2 軟件配置表

4.1.1 硬件組態(tài)

首先將工業(yè)機器人控制單元組態(tài)到可編程控制器的PROFINET網(wǎng)絡(luò)下；其次，將工業(yè)機器人板卡診斷地址設(shè)為2035，為后續(xù)編程做好準備；最后，將其編譯下載到硬件組態(tài)中。

4.1.2 使用功能1控制機器人進入節(jié)能模式

編程：打開S7程序庫，引用PROFIenergy程序塊，這里說的是功能1和功能2。將功能1加入主程序中，并為其分配相關(guān)參數(shù)，見表3。

表3 功能參數(shù)表

4.2 啟動和短周期退出節(jié)能模式

執(zhí)行程序，當(dāng)M10.0上升沿時，可編程控制器將PROFIenergy命令（啟動）發(fā)送給工業(yè)機器人，工業(yè)機器人進入節(jié)能模式，關(guān)閉編碼器及電機電源，節(jié)能模式激活。當(dāng)M10.2上升沿時，可編程控制器將PROFIenergy命令（停止）發(fā)送給工業(yè)機器人，工業(yè)機器人在1 min以內(nèi)可以恢復(fù)編碼器及電機電源，退出節(jié)能模式，機器人開始運行，超過1 min就無法退出節(jié)能模式，需要重啟機器人退出節(jié)能模式。

4.3 自創(chuàng)長周期喚醒功能包

采用于西門子PROFIenergy程序塊使機器人進入深度睡眠后，一定時間內(nèi)機器人的網(wǎng)絡(luò)通信徹底斷開，傳統(tǒng)的PN通信無法響應(yīng)。只能使用AMD公司推出的遠程喚醒協(xié)議，即發(fā)送遠程喚醒數(shù)據(jù)包，Magic Packet雖然只是AMD公司所開發(fā)的一項技術(shù)，但是受到了絕大多數(shù)網(wǎng)卡制造商的支持。從根本上來說，它是硬件設(shè)備提供的一項管理功能，該功能可以當(dāng)電腦處于關(guān)機或休眠狀態(tài)時，通過給網(wǎng)卡發(fā)送特定的數(shù)據(jù)包，從而命令網(wǎng)卡向主板發(fā)送開機指令，進而實現(xiàn)上電開機。喚醒工業(yè)機器人，在標準程序里做好統(tǒng)一模板，只需要客戶填入狀態(tài)信息即可，模版如下。

IF"PROFIenergy".HMI.START（需添加所有工業(yè)機器人狀態(tài)條件）

THEN

"PROFIenergy".START:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".START:=;

END_IF;

IF"PROFIenergy".HMI.EndTHEN（不做變更）

"PROFIenergy".End:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".End:=;

END_IF;

IF"PROFIenergy".HMI.InitializedTHEN（不做變更操作前初始化）

"PROFIenergy".Initialized:=TRUE;

ELSE

"PROFIenergy".Initialized:=;

END_IF;

"PROFIenergy_FB_v1.0_DB"（START:="PROFIenergy".START,

End:="PROFIenergy".End,

Initialized:="PROFIenergy".Initialized）;

"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.PT:=T#1000s_0ms;（時間最大值設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.IN:="PROFIenergy".Display.START_Memory;

IF"PROFIenergy".Display.Sleep_Time＜1000THEN

"IEC_Timer_0_DB_3".TONR（IN:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.IN,

R:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.Q,

PT:="PROFIenergy".Display.IEC_Timer.PT,

Q=＞"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.Q,

ET=＞"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.ET）;

"PROFIenergy".Display.Sleep_Time:=ULINT_TO_REAL（TIME_TO_ULINT（"PROFIenergy".Display.IEC_Timer.ET）/1000/60）;（時間最小單位設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.Every_Energy:=0.075;（不做變更）

"PROFIenergy".Display.Rob_Counts:=20;（機器臺數(shù)設(shè)定）

"PROFIenergy".Display.Total_Energy:="PROFIenergy".Display.Rob_Counts*"PROFIenergy".Display.Every_Energy*"PROFIenergy".Display.Sleep_Time;（不做變更）

ELSE

"PROFIenergy".Display.Sleep_Time:=0;

END_IF;

4.4 使用功能2讀取工業(yè)機器人能耗數(shù)據(jù)

功能2編程：打開S7程序庫，找到PROFIenergy Block塊目錄下的功能2。將功能2加入主程序中，并為其分配相關(guān)參數(shù)，見表4。

表4 能耗數(shù)據(jù)表

4.5 讀取有功功率、功率因數(shù)和總的能耗

執(zhí)行功能2程序，當(dāng)M30.0上升沿時，可編程控制器將PROFIenergy命令（能耗測量）發(fā)送給工業(yè)機器人，將工業(yè)機器人應(yīng)答的數(shù)據(jù)保存到接收緩存區(qū)，見表5。

表5 節(jié)能參數(shù)表

4.6 工業(yè)機器人方面

由于工業(yè)機器人處于深度節(jié)能狀態(tài)，因此工業(yè)機器人控制柜接線會根據(jù)先后時序進行斷電，并不是同時全斷。CCU版上的X302是SIB預(yù)留電源，不可接在電源模塊上作為備用。工業(yè)機器人通過網(wǎng)絡(luò)配置軟件WorkVisual 進入選中的PROFIenergy選項，選中EnablePROFIenergy欄，對與可編程控制器之間的通信進行響應(yīng)時長的設(shè)定，需要配置最低響應(yīng)時間、操作時間和觸發(fā)時間，詳細參數(shù)見表6。工業(yè)機器人處于運行模式時，需要在外部使用自動模式，運行指針在軌跡點上。機器人關(guān)機模式選擇休眠，方便工業(yè)機器人喚醒時的記憶依然在之前的程序，不會因為睡眠導(dǎo)致退程序。

表6 機器人時間表

5 深度節(jié)能后優(yōu)勢分析及收益

工業(yè)機器人深度節(jié)能功能的實現(xiàn)，標志著制造行業(yè)自動化水平達到了一個新高度，可以通過軟件編程的方式最大程度地實現(xiàn)降低能耗的目標，達到真正的零投入降本增效的目的，具體可以從以下5個方面敘述。

5.1 工業(yè)機器人待機能耗方面

工業(yè)機器人在待機情況下能耗為200 W～250 W，使用機器人深度節(jié)能功能后，工業(yè)機器人待機能耗46 W～57 W，節(jié)約能耗78%。

5.2 有形經(jīng)濟收益方面

工業(yè)機器人的型號不同，其所節(jié)約的電能也不同，根據(jù)常用機器人型號計算：一周生產(chǎn)5 d，一天10 h，0.6元/kW·h，一個基地500臺機器人，假設(shè)共計10個基地，可以節(jié)約2 721 264元。

（10h×5d+48h）× 52（周） × 0.178（kW/h）×0.6（元 /kW·h）× 500（臺）×10（個）=2721264元。

5.3 運行效率方面

人工單臺工業(yè)機器人關(guān)閉和開啟電源總時間大約為6 min，開啟深度節(jié)能功能后，多臺工業(yè)機器人關(guān)閉和開啟電源總時間約為2 min，運行效率提高300%。

5.4 人員管理效率方面

現(xiàn)場有多條線體時，需要多人操作工業(yè)機器人的電源，開啟深度節(jié)能功能后，1個現(xiàn)場配置1個人就夠了。

5.5 安全故障方面

工業(yè)機器人深度節(jié)能功能并非徹底關(guān)閉機器人電源，而是保留部分通信電路。保證報文可以接收，故障失敗率低，工業(yè)機器人不會頻繁報警，對系統(tǒng)沒有影響，系統(tǒng)安全可靠。

6 結(jié)語

綜上所述，在為工業(yè)機器人添加深度節(jié)能功能時，選擇正確的硬件和軟件版本，需要提前在PLC中進行相應(yīng)的硬件組態(tài)編輯數(shù)據(jù)塊，機器人選擇VS8.3及以上系統(tǒng)，需要在前期網(wǎng)絡(luò)配置和接線中制定標準技術(shù)要求，避免后期因現(xiàn)場修改程序而影響生產(chǎn)，將該技術(shù)路線所述的功能作為可編程控制器和工業(yè)機器人標準軟件的擴展功能，為工業(yè)機器人降低能耗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置，不依賴線體商和廠家，通過自主開發(fā)的魔術(shù)包喚醒工業(yè)機器人的技術(shù)，為工業(yè)機器人節(jié)能功能提供了強有力的支撐。