WIA-FA在工业机器人中的应用
WIA-FA在工业机器人中的应用
WIA-FA Application on Industrial Robots
刘帅 杨雨沱 梁炜 曾鹏
(中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016)
摘要
本文介绍了面向工厂自动化的工业无线网络—WIA-FA及其在新松工业机器人中的应用情况。该系统降低了布线和维护成本，具有移动性、灵活性等方面优势，改变了原有工业机器人生产线纯粹单机控制的现状，实现了工业机器人联网，为工业机器人的远程监测和控制提供了技术及系统支撑。
1 引言
工业机器人引领未来工厂革命，新松公司“数字化工厂”生产线上SR系列机器人是典型的生产线自动化装配机器人，具有设备密集、生产线长、自动化程度高等特点。但机器人手臂的往复运动容易使线缆产生扭曲、磨损乃至断裂，一般机器臂都有超过50或者更多根的线缆，由于线缆有磨损，线缆的寿命通常不足一年。如使用传统的有线网络传递机器人与服务器间的数据信息会导致频繁更换线缆，结果浪费大量人力与物力。
本文针对当前工业机器人发展的通信需求，将WIA-FA技术应用在工业机器人系统中，使各个工业机器人间能够实时、可靠地进行数据通信，整个生产线实现网络化实时交互。采用无线网络的工业机器人生产线具有降低布线和维护成本的优势，同时还具备移动性、灵活性等特征。
2 WIA-FA
Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles -（以下简称WIA-FA），是国际上第一个，经IEC/TC65（国际电工委员会工业过程测量、控制与自动化技术委员会）投票通过，成为面向工厂高速自动控制应用的无线技术规范。WIA-FA协议栈结构如图1所示，包括物理层、数据链路层、应用层（具体包括应用子层，用户应用进程UAP以及设备管理应用进程DMAP）。其中，DMAP中包括网络管理者/模块、安全管理者/模块以及管理信息库MIB。
图1 WIA-FA协议栈结构
3 应用于新松工业机器人
3.1 需求特征
新松公司“数字化工厂”生产线上SR系列机器人的装配对象会不定期更换，需要远程主控制柜对各个线上机器人进行远程配置动作信息。各个机器人也将不间断汇报自身的状态信息，控制柜收到状态信息后对各个机器人进行故障诊断，并最终将数据汇报到服务器。因此，需要在工业现场铺设通信网络以保证服务器与机器人间的实时数据交互。
具体的需求特征如下：
•速率：机器人与主控制柜间的通信（站间通信）包括信息统计与故障诊断，通常数据量较大，要求机器人与控制柜的的平均负载可达100KByte/s。
•实时性：动作控制与状态监测高实时的无线网络的接入性能，以确保机器人的可靠运行，通常要求无线网络的实时性小于50毫秒。
•可靠性：可靠性是工厂自动化的关键指标之一，要求无线网络的可靠性达到99.99%以上。
•机器数量：要求一个主控制柜可至少与10个机器人通信。
•通信距离：新松厂房面积约20000平方米，要求通信距离达到150米以上。
3.2 网络布局
整个厂区占地面积约20000平方米，分南北两个区域，每个区域有一个主控制柜和10个机器人调试工位，每个机器人控制柜控制一个机器人的运行，每个区域的主控制柜与所在区域的机器人通信，两个区域的主控制柜同时将数据传送至主控服务器。其中一个区域如图2所示。网络布局示意图如图3所示。
图2 现场环境
图2 网络布局示意图
3.3 系统功能
新松机器人站间通信系统的结构示意图如图3所示，系统由机器人、WIA-FA网络、主控制柜与服务器组成。
图3 系统结构示意图
系统采用具有高实时与高可靠接入性能的WIA-FA网络作为机器人站间通信网络。图中RC即为SR系列机器人的控制柜，每个RC的数据通过现场设备与其所在区域的连接接入设备的主控制柜进行数据交互，交互的数据信息主要用于对工业机器人进行动作控制、信息统计、状态监测以及故障诊断，主控制柜端的监控界面如图4所示。
图4 机器人状态监控记录
每个主控制柜通过接入设备与连接网关设备的服务器进行数据交互，用于将现场设备的状态信息等汇报给服务器，或用于服务器下达动作控制指令。服务器端的监控界面如图5所示。
图5 机器人的状态信息
4 结论
系统验证了WIA-FA高速无线网络在工业机器人生产线上的技术可用性，并在降低布线和维护成本，以及满足移动性、灵活性要求等方面优势明显；改变了原有工业机器人生产线纯粹单机控制的现状，实现了工业机器人联网，为工业机器人的远程监测和控制、故障诊断和维护提供了技术及系统支撑。
