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用于各個工業(yè)生產(chǎn)領域；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)能自動化技術的設計理念[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備和編程的辦法來控制機器人電源的開關，以達到減少能耗的目的，該技術屬于常規(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，通過技術研究和實踐發(fā)現(xiàn)，機器人深度節(jié)能（開機和關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)設備能源管理標準。

PROFIenergy的中心任務是利用生產(chǎn)間隙時間里“通過網(wǎng)絡”功能來關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備狀態(tài)的模型。

1.2.1 控制指令

控制指令是控制設備在工作模式和節(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備的能耗狀態(tài)、PROFIenergy狀態(tài)以及查詢設備支持哪些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設備

該設備可以是簡單的PROFINET I/O設備或驅(qū)動器，也可以是更復雜的設備，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作為預處理部分進程的智能單元。在其作為I/O設備的角色中，I-device連接到一個“更高級別”的I/O控制器。預處理是通過CPU中應用程序的“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設備。由該設備解釋PROFIenergy命令的內(nèi)容，從而設置開開啟、關閉或初始化設備節(jié)能。PROFIenergy還有其他功能，可以在待機期間檢索設備信息，該信息可以讓用戶及時查看設備在睡眠狀態(tài)下的能耗情況。

2 工業(yè)機器人應用中節(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)機組之間的復雜關系，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，也就是恢復初始狀態(tài)，不再記憶以前的程序狀態(tài)。該技術方案如圖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)絡下；其次，將工業(yè)機器人板卡診斷地址設為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，關閉編碼器及電機電源，節(jié)能模式激活。當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)絡通信徹底斷開，傳統(tǒng)的PN通信無法響應。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，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，它是硬件設備提供的一項管理功能，該功能可以當電腦處于關機或休眠狀態(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）;（時間最小單位設定）

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

"PROFIenergy".Display.Rob_Counts:=20;（機器臺數(shù)設定）

"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時長的設定，需要配置最低響應時間、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)絡配置和接線中制定標準技術要求，避免后期因現(xiàn)場修改程序而影響生產(chǎn)，將該技術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)的魔術包喚醒工業(yè)機器人的技術，為工業(yè)機器人節(jié)能功能提供了強有力的支撐。