陳軼恒， 孔慶章

（吉利汽車 春曉公司，浙江 寧波315800）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源消耗總量在2009年超越美國(guó)，成為世界第一大能源消耗國(guó)。目前，我國(guó)能源消費(fèi)量占世界能源消費(fèi)量的23%。我國(guó)工業(yè)能源消費(fèi)量占到第二產(chǎn)業(yè)的97.4%[1]。在工業(yè)體系中，汽車工業(yè)又是其重要組成部分。2019年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷分別完成2572.1萬(wàn)輛和2576.9萬(wàn)輛，產(chǎn)銷量蟬聯(lián)全球第一[2]。我國(guó)汽車工業(yè)雖面臨壓力，但總體來(lái)說(shuō)發(fā)展十分迅速。因此，整車制造工廠的節(jié)能技術(shù)研究對(duì)于汽車工業(yè)有著重大的意義。

圖1 能源消耗比例

1 現(xiàn)狀分析與目標(biāo)制定

1.1 現(xiàn)狀分析

吉利汽車春曉公司焊裝廠2019年有9個(gè)月單臺(tái)能耗超出預(yù)定目標(biāo)值。根據(jù)2019年能源消耗數(shù)據(jù)分析，電能消耗占了總能源消耗的79%，如圖1所示。

焊裝廠現(xiàn)階段一、二線共有機(jī)器人294臺(tái)，機(jī)器人系統(tǒng)不管是在正常生產(chǎn)運(yùn)行還是在空閑待機(jī)時(shí)間都是主要的能量消耗者。降低機(jī)器人能源消耗迫在眉睫。

焊裝廠現(xiàn)階段生產(chǎn)模式為“單班游牧式”生產(chǎn)。在該生產(chǎn)模式下，上午在一線自動(dòng)線生產(chǎn)，下午在二線自動(dòng)線生產(chǎn)。一部分機(jī)器人在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)都處于電動(dòng)機(jī)上電模式，示教器狀態(tài)欄顯示“電動(dòng)機(jī)開(kāi)啟”，如圖2所示。

圖2 示教器狀態(tài)欄

此時(shí)機(jī)器人6個(gè)軸的電動(dòng)機(jī)仍處于消耗電能的狀態(tài)，但機(jī)器人在HOME位等待接收車型，并沒(méi)有處于生產(chǎn)模式中，造成了不必要的能源浪費(fèi)。

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人數(shù)量較多，將全場(chǎng)機(jī)器人斷電需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間（常規(guī)斷電流程為先在示教器上選擇“關(guān)閉計(jì)算機(jī)”，等待30 s后示教器顯示“已關(guān)機(jī)”，再將控制器上的主電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)），所以在短時(shí)間待機(jī)模式時(shí)不適合將機(jī)器人斷電。例如，在一線生產(chǎn)時(shí)二線機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)。另一方面，因機(jī)器人自動(dòng)化線體信號(hào)極其復(fù)雜，斷電后有些無(wú)掉電保持的信號(hào)會(huì)恢復(fù)初始值，重新開(kāi)啟后機(jī)器人自動(dòng)化線體往往會(huì)出現(xiàn)很多不可預(yù)計(jì)的問(wèn)題[3]，如機(jī)器人安全位置信號(hào)丟失。所以通常在夜間和周末機(jī)器人較長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)時(shí)期，不會(huì)為了降低能耗而將機(jī)器人控制器總電源關(guān)閉。

1.2 節(jié)能方案研究

通過(guò)查閱大量的ABB手冊(cè)資料和咨詢ABB廠家人員得知，機(jī)器人在使用機(jī)械抱閘保持姿態(tài)和使用使能保持姿態(tài)時(shí)，6個(gè)軸電動(dòng)機(jī)消耗的功率存在差異，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

以現(xiàn)場(chǎng)型號(hào)最多的IRB-6700 235/2.65機(jī)器人為例，通過(guò)電動(dòng)機(jī)上電使能保持機(jī)器人6個(gè)軸姿態(tài)消耗的功率為0.71 kW，而通過(guò)機(jī)械抱閘保持機(jī)器人姿態(tài)消耗的功率僅為0.16 kW。所以機(jī)器人在待機(jī)不生產(chǎn)時(shí)若能自動(dòng)進(jìn)入到抱閘保持姿態(tài)的模式，一臺(tái)機(jī)器人可節(jié)省能耗0.55 kW。

表1 不同制動(dòng)狀態(tài)下的功率消耗[4]

要達(dá)到下電的效果則可以從PLC程序控制入手，通過(guò)對(duì)PLC程序的優(yōu)化，控制機(jī)器人待機(jī)時(shí)自動(dòng)停止程序運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)下電。

考慮到正常生產(chǎn)時(shí)因設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致機(jī)器人短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)非預(yù)見(jiàn)性停止運(yùn)行，此時(shí)并不希望機(jī)器人電動(dòng)機(jī)下電，因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)排除故障恢復(fù)生產(chǎn)后需要對(duì)全場(chǎng)幾十個(gè)區(qū)域的機(jī)器人重新上電，這無(wú)疑增加了操作人員的工作量，也間接影響了設(shè)備稼動(dòng)率。那么機(jī)器人停止運(yùn)行多久后再進(jìn)入電動(dòng)機(jī)節(jié)能模式才合適呢？

下面統(tǒng)計(jì)并分析了2019年1月以來(lái)的所有故障停線時(shí)間。其中，停線在30 min以下時(shí)間段內(nèi)的停線次數(shù)占總停線次數(shù)的85%，如圖3所示。若把時(shí)間設(shè)置在30 min以內(nèi)，那么頻繁的故障會(huì)使機(jī)器人頻繁地掉電。

圖3 20219年1月以來(lái)故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜合以上信息，將機(jī)器人停止運(yùn)行延時(shí)掉電時(shí)間定為30 min。只要機(jī)器人待機(jī)時(shí)間達(dá)到30 min，程序會(huì)停止運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)掉電，機(jī)器人進(jìn)入電動(dòng)機(jī)節(jié)能模式。這里要特別說(shuō)明一下，機(jī)器人停止機(jī)械運(yùn)動(dòng)并不代表程序停止運(yùn)行，一般一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，機(jī)器人程序指針會(huì)停在WHILE Do循環(huán)的開(kāi)始，等待接收任務(wù)號(hào)。因此在電動(dòng)機(jī)下電之前先要將程序停止運(yùn)行。

2 改善措施

2.1 PLC功能塊開(kāi)發(fā)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，機(jī)器人在空閑待機(jī)時(shí)期有多種狀態(tài)：Home位、換帽位、維修位、抓件等待位和放件等待位。針對(duì)各種狀態(tài)，開(kāi)發(fā)了集各種狀態(tài)于一體的功能塊，如圖4所示。功能塊的各引腳介紹如表2所示。功能塊內(nèi)程序停止邏輯如圖5所示，由輸入條件觸發(fā)#Time_Start信號(hào)，1800 s接通延時(shí)后，置位#O_Robot_Stop信號(hào)，由功能塊引腳輸出。

考慮到某些可預(yù)見(jiàn)性的停線，如中午停線吃飯時(shí)間。針對(duì)該類型的停線，增加了手動(dòng)控制掉電功能，因?yàn)榇藭r(shí)我們并不需要在30 min后再掉電，中午停線時(shí)可直接在HMI上控制，立即將機(jī)器人程序停止運(yùn)行。

功能塊內(nèi)電動(dòng)機(jī)下電邏輯如圖6所示，當(dāng)機(jī)器人在電動(dòng)機(jī)上電的情況下，機(jī)器人程序停止信號(hào)#O_Robot_Stop 為1時(shí)，3 s接通延時(shí)后，置位#O_Robot_Mo torOff信號(hào)，由功能塊引腳輸出給機(jī)器人。

2.2 PLC與機(jī)器人電動(dòng)機(jī)下電交互信號(hào)確定

在PLC 與機(jī)器人 交 互 信 號(hào)Robot_From_PLC_D ata中，取第三位預(yù)留信號(hào)Spare[3]定義為機(jī)器人電動(dòng)機(jī)下電輸入信號(hào)，定義機(jī)器人輸出預(yù)留信號(hào)Spare_23為電動(dòng)機(jī)下電反饋信號(hào)，如圖5所示。

圖4 機(jī)器人自動(dòng)掉電功能塊

表2 自動(dòng)下電功能塊引腳介紹

圖5 程序停止邏輯

圖6 電動(dòng)機(jī)下電邏輯

2.3 PLC功能塊引腳填寫(xiě)

將機(jī)器人工位號(hào)編號(hào)填入Name引腳，將手動(dòng)控制輸入點(diǎn)填入I_Energy_Manual引腳，將機(jī)器人抓件等待和放件等待Seg號(hào)分別填入WaitSegNo_1 和WaitSegNo_2引腳，將機(jī)器人服務(wù)位和換帽程序號(hào)分別填入ServicePgno和ChgTipPgno引腳，將節(jié)能復(fù)位輸入填入I_Reset引腳，將機(jī)器人的交互信號(hào)輸入組填入Robot_PI 引腳，引腳O_Robot_Stop 上填入機(jī)器人程序停止信號(hào)#ENERGY_STOP，引腳O_Robot_MotorOff上填入機(jī)器人下電信號(hào)。信號(hào)配置完成后的功能塊如圖8所示。

停止信號(hào)#ENERGY_STOP并到機(jī)器人程序停止邏輯段，如圖9所示。

圖7 機(jī)器人與PLC交互信號(hào)

圖8 功能塊引腳信號(hào)配置

圖9 程序停止程序段

2.4 機(jī)器人系統(tǒng)輸入信號(hào)設(shè)置

機(jī)器人的系統(tǒng)輸入功能通過(guò)輸入I/O信號(hào)可指定具體的系統(tǒng)輸入項(xiàng)，比如Start程序執(zhí)行或Motors on電動(dòng)機(jī)上電。該輸入項(xiàng)會(huì)在不使用示教器或其它硬件裝置的情況下觸發(fā)一項(xiàng)交由機(jī)器人控制器系統(tǒng)處理的系統(tǒng)行動(dòng)。這里可以用PLC信號(hào)來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)輸入項(xiàng)stop程序停止和MotorsOff電動(dòng)機(jī)下電。

根據(jù)前期的信號(hào)定義，將機(jī)器人輸入預(yù)留信號(hào)Spare[3]更改名稱為DiMotorsOff。該信號(hào)為PLC的輸出信號(hào)。對(duì)DiMotorsOff進(jìn)行系統(tǒng)輸入設(shè)置。點(diǎn)擊機(jī)器人示教器菜單中的“控制面板”，在I/O主題下雙擊“System Input”，點(diǎn)擊“添加”，雙擊“Signal Name”，選擇“DiMotorsOff”，雙擊“Action”，選擇“Motors Off”。最后點(diǎn)擊“確定”，重啟示教器完成，如圖10所示。整個(gè)機(jī)器人下電流程如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)輸入設(shè)置頁(yè)面

圖11 機(jī)器人下電流程

3 效果驗(yàn)證

通過(guò)改善，焊裝車間所有ABB機(jī)器人在夜間和周末非生產(chǎn)時(shí)期待機(jī)超過(guò)30 min后，程序自動(dòng)停止運(yùn)行，3 s后電動(dòng)機(jī)自動(dòng)掉電。示教器上狀態(tài)欄顯示的程序運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)上電狀態(tài)的顯示變化過(guò)程如圖12所示。

改善完成后，2020年3月份單臺(tái)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 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車制造業(yè)自動(dòng)化率大幅提升，機(jī)器人大量投入使用代替人工已經(jīng)成為了汽車制造業(yè)的主流。本節(jié)能案例可應(yīng)用到所有汽車制造企業(yè)，乃至其他機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)。實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源消耗、降低生產(chǎn)成本的目的。

圖12 斷電過(guò)程示教器狀態(tài)顯示