基于PLC控制的ABB机器人电动机节能设计

陈轶恒， 孔庆章

（吉利汽车 春晓公司，浙江 宁波315800）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，能源消耗总量在2009年超越美国，成为世界第一大能源消耗国。目前，我国能源消费量占世界能源消费量的23%。我国工业能源消费量占到第二产业的97.4%[1]。在工业体系中，汽车工业又是其重要组成部分。2019年，我国汽车产销分别完成2572.1万辆和2576.9万辆，产销量蝉联全球第一[2]。我国汽车工业虽面临压力，但总体来说发展十分迅速。因此，整车制造工厂的节能技术研究对于汽车工业有着重大的意义。

图1 能源消耗比例

1 现状分析与目标制定

1.1 现状分析

吉利汽车春晓公司焊装厂2019年有9个月单台能耗超出预定目标值。根据2019年能源消耗数据分析，电能消耗占了总能源消耗的79%，如图1所示。

焊装厂现阶段一、二线共有机器人294台，机器人系统不管是在正常生产运行还是在空闲待机时间都是主要的能量消耗者。降低机器人能源消耗迫在眉睫。

焊装厂现阶段生产模式为“单班游牧式”生产。在该生产模式下，上午在一线自动线生产，下午在二线自动线生产。一部分机器人在较长时间段内都处于电动机上电模式，示教器状态栏显示“电动机开启”，如图2所示。

图2 示教器状态栏

此时机器人6个轴的电动机仍处于消耗电能的状态，但机器人在HOME位等待接收车型，并没有处于生产模式中，造成了不必要的能源浪费。

因为现场机器人数量较多，将全场机器人断电需要花费较长时间（常规断电流程为先在示教器上选择“关闭计算机”，等待30 s后示教器显示“已关机”，再将控制器上的主电源开关断开），所以在短时间待机模式时不适合将机器人断电。例如，在一线生产时二线机器人处于待机状态。另一方面，因机器人自动化线体信号极其复杂，断电后有些无掉电保持的信号会恢复初始值，重新开启后机器人自动化线体往往会出现很多不可预计的问题[3]，如机器人安全位置信号丢失。所以通常在夜间和周末机器人较长时间待机时期，不会为了降低能耗而将机器人控制器总电源关闭。

1.2 节能方案研究

通过查阅大量的ABB手册资料和咨询ABB厂家人员得知，机器人在使用机械抱闸保持姿态和使用使能保持姿态时，6个轴电动机消耗的功率存在差异，具体数据如表1所示。

以现场型号最多的IRB-6700 235/2.65机器人为例，通过电动机上电使能保持机器人6个轴姿态消耗的功率为0.71 kW，而通过机械抱闸保持机器人姿态消耗的功率仅为0.16 kW。所以机器人在待机不生产时若能自动进入到抱闸保持姿态的模式，一台机器人可节省能耗0.55 kW。

表1 不同制动状态下的功率消耗[4]

要达到下电的效果则可以从PLC程序控制入手，通过对PLC程序的优化，控制机器人待机时自动停止程序运行，电动机自动下电。

考虑到正常生产时因设备发生故障导致机器人短时间内出现非预见性停止运行，此时并不希望机器人电动机下电，因为在短时间内排除故障恢复生产后需要对全场几十个区域的机器人重新上电，这无疑增加了操作人员的工作量，也间接影响了设备稼动率。那么机器人停止运行多久后再进入电动机节能模式才合适呢？

下面统计并分析了2019年1月以来的所有故障停线时间。其中，停线在30 min以下时间段内的停线次数占总停线次数的85%，如图3所示。若把时间设置在30 min以内，那么频繁的故障会使机器人频繁地掉电。

图3 20219年1月以来故障次数统计

综合以上信息，将机器人停止运行延时掉电时间定为30 min。只要机器人待机时间达到30 min，程序会停止运行，电动机自动掉电，机器人进入电动机节能模式。这里要特别说明一下，机器人停止机械运动并不代表程序停止运行，一般一个循环结束后，机器人程序指针会停在WHILE Do循环的开始，等待接收任务号。因此在电动机下电之前先要将程序停止运行。

2 改善措施

2.1 PLC功能块开发

结合现场实际情况，机器人在空闲待机时期有多种状态：Home位、换帽位、维修位、抓件等待位和放件等待位。针对各种状态，开发了集各种状态于一体的功能块，如图4所示。功能块的各引脚介绍如表2所示。功能块内程序停止逻辑如图5所示，由输入条件触发#Time_Start信号，1800 s接通延时后，置位#O_Robot_Stop信号，由功能块引脚输出。

考虑到某些可预见性的停线，如中午停线吃饭时间。针对该类型的停线，增加了手动控制掉电功能，因为此时我们并不需要在30 min后再掉电，中午停线时可直接在HMI上控制，立即将机器人程序停止运行。

功能块内电动机下电逻辑如图6所示，当机器人在电动机上电的情况下，机器人程序停止信号#O_Robot_Stop 为1时，3 s接通延时后，置位#O_Robot_Mo torOff信号，由功能块引脚输出给机器人。

2.2 PLC与机器人电动机下电交互信号确定

在PLC 与机器人 交 互 信 号Robot_From_PLC_D ata中，取第三位预留信号Spare[3]定义为机器人电动机下电输入信号，定义机器人输出预留信号Spare_23为电动机下电反馈信号，如图5所示。

图4 机器人自动掉电功能块

表2 自动下电功能块引脚介绍

图5 程序停止逻辑

图6 电动机下电逻辑

2.3 PLC功能块引脚填写

将机器人工位号编号填入Name引脚，将手动控制输入点填入I_Energy_Manual引脚，将机器人抓件等待和放件等待Seg号分别填入WaitSegNo_1 和WaitSegNo_2引脚，将机器人服务位和换帽程序号分别填入ServicePgno和ChgTipPgno引脚，将节能复位输入填入I_Reset引脚，将机器人的交互信号输入组填入Robot_PI 引脚，引脚O_Robot_Stop 上填入机器人程序停止信号#ENERGY_STOP，引脚O_Robot_MotorOff上填入机器人下电信号。信号配置完成后的功能块如图8所示。

停止信号#ENERGY_STOP并到机器人程序停止逻辑段，如图9所示。

图7 机器人与PLC交互信号

图8 功能块引脚信号配置

图9 程序停止程序段

2.4 机器人系统输入信号设置

机器人的系统输入功能通过输入I/O信号可指定具体的系统输入项，比如Start程序执行或Motors on电动机上电。该输入项会在不使用示教器或其它硬件装置的情况下触发一项交由机器人控制器系统处理的系统行动。这里可以用PLC信号来触发相应的系统输入项stop程序停止和MotorsOff电动机下电。

根据前期的信号定义，将机器人输入预留信号Spare[3]更改名称为DiMotorsOff。该信号为PLC的输出信号。对DiMotorsOff进行系统输入设置。点击机器人示教器菜单中的“控制面板”，在I/O主题下双击“System Input”，点击“添加”，双击“Signal Name”，选择“DiMotorsOff”，双击“Action”，选择“Motors Off”。最后点击“确定”，重启示教器完成，如图10所示。整个机器人下电流程如图11所示。

图10 系统输入设置页面

图11 机器人下电流程

3 效果验证

通过改善，焊装车间所有ABB机器人在夜间和周末非生产时期待机超过30 min后，程序自动停止运行，3 s后电动机自动掉电。示教器上状态栏显示的程序运行和电动机上电状态的显示变化过程如图12所示。

改善完成后，2020年3月份单台能耗同比下降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 结语

随着我国工业技术的发展，汽车制造业自动化率大幅提升，机器人大量投入使用代替人工已经成为了汽车制造业的主流。本节能案例可应用到所有汽车制造企业，乃至其他机器人应用行业。实现节约能源消耗、降低生产成本的目的。

图12 断电过程示教器状态显示