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

一、引言

我校協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗室主要服務(wù)于PLC、現(xiàn)場總線、機(jī)電系統(tǒng)集成方面的課程實(shí)驗實(shí)踐實(shí)訓(xùn)。該實(shí)驗室主要由5臺協(xié)作機(jī)器人工作站及4條輸送帶構(gòu)成。每臺工作站都配備有PLC、觸摸屏、變頻器和編碼器光電開關(guān)等工業(yè)現(xiàn)場常用的傳感器。工作站和輸送線均可以單獨(dú)使用，也可以通過PLC的現(xiàn)場總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)指定的功能。整條生產(chǎn)線模擬工廠的自動裝配線，可以實(shí)現(xiàn)3種不同形狀（正方形、長方形、圓形）和不同顏色的物料（紅、藍(lán)、綠）的自動出庫、裝配、螺絲機(jī)擰緊、打磨及視覺分揀入庫全過程。每個工作站的功能包括：底座上料（出庫）、上蓋上料與裝配（出庫、雙手爪）、上蓋上料擰緊裝配（螺絲機(jī)、氣動螺絲刀）、工件打磨/噴涂（轉(zhuǎn)臺）和成品碼垛入庫（視覺分揀）。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?？刂撇糠秩坎捎梦鏖T子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)行控制，控制器為西門子S71200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機(jī)臺通過西門子PROFINET總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互工作，傳輸線馬達(dá)采用西門子V20系列變頻器控制。PLC通過西門子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對傳輸線進(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)活動能夠繼續(xù)進(jìn)行，學(xué)生們也能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)知識，但線上教學(xué)也給實(shí)驗、實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)等課程的高質(zhì)量進(jìn)行帶來了一定的難度[2]。協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗室最初是以線下教學(xué)為前提的，相關(guān)的實(shí)驗也都是由學(xué)生和教師進(jìn)入實(shí)驗室中進(jìn)行的。然而，目前的線上教學(xué)形式并不能保證學(xué)生和教師能隨時進(jìn)入實(shí)驗室上課。因此，開發(fā)一款實(shí)驗室遠(yuǎn)程操控平臺就顯得非常必要[3]。該平臺能夠讓教師和學(xué)生對實(shí)驗室工作站進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，不斷解決線上教學(xué)中教師和學(xué)生無法進(jìn)入實(shí)驗室操作設(shè)備的問題。此外，該平臺還可以通過開放遠(yuǎn)程操控平臺的方式來拓展實(shí)驗室的空間和時間，讓學(xué)生能夠在開放時間通過遠(yuǎn)程操控平臺隨時進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行實(shí)驗，從而極大地鍛煉學(xué)生的動手操作能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果[4]。

二、遠(yuǎn)程操控平臺設(shè)計思路

在平臺設(shè)計開發(fā)過程中，為了縮短開發(fā)周期，應(yīng)選取符合遠(yuǎn)程操控平臺功能需求的云平臺。為了讓學(xué)生在遠(yuǎn)程編程操控之前了解5個工作站的功能及動作，需要在遠(yuǎn)程操控平臺上為每個工作站設(shè)計操控界面。操控界面包含了工作站的全部動作，通過配合攝像頭，可以在線上清晰地向?qū)W生展示每個工作站的全部動作。為了實(shí)時了解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，為了及時發(fā)現(xiàn)問題，需要在遠(yuǎn)程操控平臺上設(shè)置報警功能，包括報警靜音、報警復(fù)位、報警查看。為了讓學(xué)生看到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，除了在操控平臺上設(shè)置狀態(tài)指示燈，還需要為每個工作站配備一個全景攝像頭，以便實(shí)時觀看設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

三、遠(yuǎn)程操控平臺開發(fā)流程

原協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗室產(chǎn)線由OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個工作站組成。各部分之間可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以聯(lián)動?？刂撇糠秩坎捎梦鏖T子品牌工控產(chǎn)品進(jìn)行控制?？刂破鳛槲鏖T子S7 1200系列PLC，觸摸屏為KTP系列。各部分機(jī)臺通過西門子PROFINET總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互工作。傳輸線馬達(dá)采用西門子V20系列變頻器控制，PLC 通過西門子標(biāo)準(zhǔn)USS協(xié)議對傳輸線進(jìn)行啟停以及調(diào)速控制。各機(jī)臺工件通過節(jié)卡系列機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)接，保證工件的順利周轉(zhuǎn)。在開發(fā)遠(yuǎn)程操控平臺之前，需要查看并熟知五個工作站的PLC程序，了解I/O點(diǎn)與各執(zhí)行器和傳感器的對應(yīng)關(guān)系。選擇適合的云平臺作為開發(fā)平臺，添加控制變量，編輯云端組態(tài)畫面（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)程操控平臺采用了黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺作為開發(fā)平臺。黑馬組態(tài)云平臺可以實(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，并可以通過攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控。平臺還具備實(shí)時預(yù)警功能，數(shù)據(jù)一旦超過預(yù)定值，即可通過短信、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。在使用西門子1200進(jìn)行博圖軟件配置時，需要打開“允許從遠(yuǎn)程伙伴（PLC、HMI、OPC…）使用PUT/GET通訊訪問”。對于固件版本高于V4.1的西門子1200、1500PLC，如果要訪問DB數(shù)據(jù)塊，需要對DB數(shù)據(jù)進(jìn)行兩處設(shè)置。本項目固件版本低于V4.1，無需對 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)過程中，教師可以將學(xué)生編寫的PLC程序上傳至工作站，并通過自動運(yùn)行功能驗證程序的正確性。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、觸摸屏等多個現(xiàn)場輸入終端控制，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)對應(yīng)的IO點(diǎn)位來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的操控。為了不占用源程序的變量地址（已用地址M834），項目變量地址從M1000開始。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)驗室遠(yuǎn)程操控平臺主界面由 OP10、OP20、OP30、OP40、OP50五個協(xié)作機(jī)器人工作站操控平臺組成。右上角有I/O監(jiān)控和報警查詢按鈕，右下角有總電源開關(guān)，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源控制，需要對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。通過對每個工作站配電箱總斷路器前端加裝25A固態(tài)繼電器，可通過PLC的I/O口對繼電器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)每個工作站的通電。

主界面可以進(jìn)入每個操控平臺界面，以下以O(shè)P10 工作站遠(yuǎn)程操控平臺為例進(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（圓形、正方形、長方形）。操控平臺上設(shè)計了實(shí)時監(jiān)控畫面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個模塊。在平臺下方設(shè)置了I/O監(jiān)控、報警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。通過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過程中，可能會出現(xiàn)工件卡住、工件缺失等問題，系統(tǒng)會發(fā)送報警信息到操控平臺。此時需要檢查對應(yīng)的推料機(jī)械裝置或工件是否缺失，排除后點(diǎn)擊報警復(fù)位按鍵恢復(fù)。在系統(tǒng)自動運(yùn)行或手動操控過程中，如遇到意外情況，可通過緊急停止按鍵斷開工作站電源。在狀態(tài)指示模塊中，對系統(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)時監(jiān)控畫面，可以實(shí)時掌握設(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)過編碼器檢測到的行走距離，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)行時的速度，最大為50，單位為赫茲。

系統(tǒng)操作模塊用于手動操作各對應(yīng)的功能。需要注意的是，在系統(tǒng)自動運(yùn)行停止的狀態(tài)下才能操作，否則會引起誤動作或人員傷害。工件標(biāo)識清除：此按鈕可在任意狀態(tài)下操作，需謹(jǐn)慎使用。系統(tǒng)自動運(yùn)轉(zhuǎn)時會自動記憶各形狀工件（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)識記憶，再人工將輸送帶上所有工件清空。自動啟停：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)入自動運(yùn)行狀態(tài)，各機(jī)構(gòu)開始工作。

（三）修改源程序，設(shè)置控件動態(tài)屬性

在編輯完組態(tài)畫面后，需要修改 PLC 源程序，并設(shè)置控件動態(tài)屬性，使控件與變量關(guān)聯(lián)。在源程序中，有“公共程序”“觸摸屏手動程序”“自動運(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“遠(yuǎn)程控制”功能塊FC。在OB1中，用“遠(yuǎn)程手動控制”變量的常開觸點(diǎn)串聯(lián)“遠(yuǎn)程控制”功能塊。當(dāng)遠(yuǎn)程手動控制時，“遠(yuǎn)程手動控制”的常開觸點(diǎn)閉合，運(yùn)行“遠(yuǎn)程控制”功能塊，將遠(yuǎn)程手動控制程序?qū)懭搿斑h(yuǎn)程控制”功能塊中即可。以“輸送線啟?！惫δ転槔斔途€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，變頻器啟動運(yùn)行；當(dāng)M10.0為 0時，變頻器停止運(yùn)行。遠(yuǎn)程“輸送線啟?！标P(guān)聯(lián)變量為M1000.0。那么，在“遠(yuǎn)程控制”功能塊中編寫程序，用M1000.0的常開觸點(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

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，這對于實(shí)驗實(shí)踐實(shí)訓(xùn)類課程的教學(xué)效果，尤其是需要用到實(shí)驗室、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)驗室，該實(shí)驗室中有5臺協(xié)作機(jī)器人工作站，每個工作站之間由一條輸送帶連接，每臺工作站和輸送線可以單獨(dú)使用，也可以通過PLC現(xiàn)場總線連接在一起實(shí)現(xiàn)指定的功能。如果采用線上教學(xué)，學(xué)生將無法進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行設(shè)備的實(shí)際操作，相應(yīng)的實(shí)驗課程也無法進(jìn)行。學(xué)生的動手操作能力得不到鍛煉，實(shí)驗室的利用率也會極低。為了解決以上問題，本文針對協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗室設(shè)計并開發(fā)了實(shí)驗室遠(yuǎn)程操控平臺。該平臺采用黑馬物聯(lián)云盒子和黑馬組態(tài)云平臺作為開發(fā)平臺，平臺主界面由五個協(xié)作機(jī)器人工作站操控平臺組成，通過主界面可以進(jìn)入到每個操控平臺界面，每個操控平臺界面設(shè)計了實(shí)時監(jiān)控畫面、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)操作四個模塊，以及設(shè)置了I/O監(jiān)控、報警信息處理、緊急停止、返回主界面等按鈕。該平臺能讓學(xué)生和教師通過平臺界面對協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗室各工作站進(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)驗內(nèi)容，保證了線上實(shí)驗教學(xué)的效果，使得學(xué)生的動手操作能力仍然能得到充分的鍛煉。另外，通過開放該平臺給學(xué)生，極大提高實(shí)驗室的利用率，拓展實(shí)驗室的空間和時間。目前該平臺還不能進(jìn)行遠(yuǎn)程編程，還需要對該平臺進(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)生動手操作能力和創(chuàng)新能力的目的。

作者單位：馮嵩 李丹 沈陽城市建設(shè)學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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[3]胡李亞洲，王曉軍，馬銳軍，等.引入云平臺理念的電子技術(shù)實(shí)驗教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技風(fēng)，2022（05）：125-127.

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