文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
随着工业4.0的到来，机器人在工业中的应用越来越广泛，码垛机器人作为工业机器人应用的重要分支，已经在食品、电子、医药等行业得到了广泛应用。码垛机器人工作站是一个多机协作系统，包含了多个机器人，主要用于工件的抓取和码垛。
因此，对码垛机器人工作站进行在线监测十分重要，监测过程中应避免发生信息不能及时反馈的问题。
当前，针对码垛机器人工作站的监测研究主要分为三类：一是通过PLC或组态软件对机器人进行监测，包括对机器人的运行状态、传感器信号等进行实时监测，但此方法无法实现对机器人发生异常时的实时反应；
二是通过在机器人上安装传感器，获取机器人状态、传感器信号等数据，但该方法会对机器人造成一定损害，同时还需与PLC、组态软件进行连接；
三是通过建立三维模型和虚拟现实仿真，对机器人进行在线监测，但该方法只能模拟出机器人的运行状态，无法获取发生异常时的状态信息，且该方法无法实现对虚拟现实场景的仿真。
设备在线监测系统的构成
设备在线监测系统主要由传感器、数据采集与处理系统和上位机监测系统组成，如图1所示。
传感器是设备运行过程中重要的感知元件，其主要作用是实时获取设备运行过程中的状态参数，如温度、压力、速度等参数，为数据采集与处理系统提供数据来源。
数据采集与处理系统是将传感器采集到的数据通过接口电路、数据传输线路以及上位机监测系统等传输至上位机，实现设备运行过程中状态参数的实时监控，并通过对数据的处理与分析，实现对设备状态的动态监测。
上位机监测系统主要由下位机监控软件以及上位机可视化界面组成，通过上位机软件可以实时监测设备运行过程中的各项状态参数。
上位机监控软件是对上位机监测软件的二次开发，上位机监控软件可以实现对设备运行过程中各项状态参数的实时监测，并通过对数据的处理与分析，实现对设备运行过程中各项状态参数的动态监控。
在基于数字孪生技术的码垛机器人工作站中，为保证数字孪生模型与物理模型之间能够相互映射、相互影响，需要通过传感器实时采集机器人运行过程中各项状态参数信息并通过上位机监测系统进行实时监测。
为了能够保证数字孪生模型与物理模型之间能够相互映射、相互影响，在数字孪生模型中需要使用具有良好兼容性和互操作性的传感器、传感器网络和通信技术。
传感器主要用于获取设备运行过程中的各项状态参数信息，通过传感器网络可以将设备运行过程中的各项状态参数信息进行及时采集。
总体架构
对码垛机器人工作站进行数字孪生，首先要有一个高精度、高可靠性的数字孪生模型，这个模型可以通过三维扫描与实物扫描等方式，获取到机器人工作站的各个部件的三维模型；
并根据模型的数据格式将其转换为设备数字孪生所需的数据格式，进而建立起设备数字孪生模型。
在进行码垛机器人工作站数字孪生时，需要同时满足以下三个条件：
（1）需要构建一个物理实体对象与虚拟实体对象相对应的模型。物理实体对象与虚拟实体对象之间，不仅要有真实物理实体对象的存在，还需要构建一个与物理实体对象相对应的虚拟实体对象，才能形成完整的虚拟现实。
（2）需要定义一个驱动物理实体和虚拟实体进行交互的物理机制。驱动物理实体进行运动、能量、质量等方面的运动控制和操作；驱动虚拟实体进行信息交互，并根据需要提供相应的数据。
（3）需要构建一个实现模型与实际过程相对应的应用软件。应用软件在真实世界中进行实时反映和控制，并对设备运行过程中发生的异常情况进行快速响应。
通过分析码垛机器人工作站数字孪生模型和驱动物理实体和虚拟实体对象之间交互机制，本项目设计了基于数字孪生模型、驱动物理实体和虚拟实体之间交互机制三层架构。
第一层为数据采集层，包括传感器、控制器、执行器三部分。
在工业过程中，传感器将采集到的设备运行数据通过无线通信网络传输至服务器中，服务器进行数据分析处理并将数据以数据报表和图表的形式呈现给用户。
第二层为数字孪生模型，由设备物理实体对象和虚拟实体对象组成。虚拟实体对象包括机器人工作站的各个部件，其上搭载的传感器可实现对设备运行状态的监测；物理实体对象则通过运动控制算法进行运动控制，包括机械结构、执行机构、驱动单元等。
数字孪生模型的建立是通过三维扫描等方式获取到机器人工作站各个部件的三维模型，然后通过数据处理和分析得到设备运行状态、工作环境及物理实体对象运行状态的数据；
在此基础上，通过将数据传递给驱动物理实体和虚拟实体之间交互机制，对设备运行状态进行监测，并对设备运行状态进行分析和预警。
控制系统
在传统的控制系统中，往往采用PLC作为机器人的主控单元，通过现场总线与机器人进行连接，完成对机器人的运动控制。
由于采用PLC作为主控单元，当PLC发生故障时，系统将无法正常工作，导致控制系统瘫痪。因此，本文基于工业以太网设计了一种新型的控制系统。
该系统采用两个独立的控制器通过现场总线连接到现场总线上。每个控制器均具有独立的通信协议和操作权限，包括控制器参数设置、工业以太网通信和示教编程等。
在两个控制器之间构建一个总线网络，可以实现两个控制器之间的数据交互。在这种模式下，即使一个控制器发生故障，也不会影响其他控制器的正常工作。当一个控制器发生故障时，另一个控制器可以通过冗余方式完成自动切换。
为了使机器人能够执行所有的任务，开发了一种基于工业以太网的机器人控制系统，该控制系统由一个主控制模块、三个从控制模块组成。
主控制模块用于接收从控制模块发来的信息并处理它们，主控制模块将处理后的数据通过工业以太网发送到从控制模块，并通过工业以太网发送到机器人控制器上。
主控制模块中包含一个工业以太网通信接口和两个工业以太网接口：一个用于连接远程终端设备和远程过程设备，另一个用于连接机器人控制器和机器人工作站。
从控制模块负责接收主控制模块发送来的信息并将其处理后传递到从控制模块上；从控制模块负责处理从控制模块发来的信息并将其传递到主控制模块上。
数据采集系统
数据采集系统主要包括PLC和机器人等，通过在机器人上加装传感器、工业相机和摄像头等设备，采集机器人工作站运行过程中的数据，为数字孪生技术提供数据支撑。
传感器：传感器是构建数字孪生的基础，通过传感器采集机器人工作过程中的各种物理信息。常见的传感器有电感式、电容式、霍尔效应式、气压式等。
PLC:PLC是数字孪生技术的核心，通过PLC对机器人运行过程中的各种数据进行实时监测，并通过工业以太网将数据传输到云服务器中进行存储和分析。
工业相机是一种高分辨率视频采集设备，在工业领域应用广泛，能够实现对环境中的目标进行实时监测、自动跟踪和动态抓拍。
摄像头：摄像头是一种高分辨率视频采集设备，可实现对现场环境的实时监控，并具有自动抓拍功能。
工业机器人是数字孪生技术的重要组成部分，通过对工业机器人的运行状态进行实时监测和分析，可以实现对工业机器人运行状态进行全面、精准的掌控。
远程监控软件能够将服务器中存储的数据进行实时查询、分析和传输，为数字孪生技术提供数据支撑。
云服务器是数字孪生技术实现的核心组成部分，可提供强大的计算能力和存储能力，并支持多种通信方式。
监控软件能够对机器人运行过程中的各种数据进行实时查看、存储和分析，并提供远程控制、诊断和报警等功能。
运行监控系统
运行监控系统作为数字孪生系统的核心部分，需要通过对生产数据进行处理和分析，完成对整个生产过程的实时监测，包括状态监测和故障诊断。
状态监测系统的主要功能是对生产数据进行实时采集、处理和分析，并通过模型算法对设备运行状态进行诊断。故障诊断是通过分析采集到的数据，发现设备故障点并生成故障码，以便于指导现场维修人员进行处理。
状态监测系统由三部分组成：设备状态监测、设备故障诊断、故障预测和维护保养。运行监控系统包含5个部分：I/O数据采集系统、PLC控制器数据采集系统、远程服务器和通讯软件。
I/O数据采集系统负责对传感器采集的现场信号进行实时采集，并将数据通过模拟量或数字量传输至PLC控制器，负责将信号处理后，通过串口传输至远程服务器。PLC控制器的运行状态会通过I/O数据采集系统显示出来。
PLC控制器数据采集系统用于接收I/O数据采集系统的信号并进行处理，通过PLC编程算法对处理后的数据进行分析和诊断，通过远程服务器将诊断结果显示给用户。
I/O数据采集系统获取设备状态信息后，对其进行处理并显示在远程服务器上。
故障诊断是根据I/O数据采集系统所获取到的设备运行状态信息进行分析并生成故障码，以便于现场维修人员及时排查故障点。
故障预测是对设备故障发生概率进行预测，以便于制定相应的预防措施，最大限度减少设备故障造成的损失。
笔者观点
本文介绍了一种基于数字孪生技术的码垛机器人工作站在线监测方案，通过工业级摄像头、工业级网络和工业级的PLC控制系统，实现了码垛机器人工作站在生产过程中的远程在线监测和故障诊断。
这种方案具有很高的安全性、实时性和可靠性，能够有效保证设备生产过程中的安全稳定运行。
目前，对于工业机器人的故障诊断和故障报警、远程监控和远程维护等方面还没有比较成熟的解决方案，需要通过进一步研究开发来提高工业机器人在线监测系统的稳定性、可靠性和实时性。
参考文献
1.杨爱东：基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测系统研究，《中国机械工程》，,47(1)：8-9。
2.周俊海：基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测研究，《智能制造技术》，(03)：68-70。
3.杜金成：基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测系统研究与应用，《机械工业自动化》，,40(11)：-。
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