基于PLC的工业机器人故障诊断系统设计

孙鑫 （1989.7） 女 汉族 吉林白城人 学历：硕士研究生 职称：讲师 从事电子检测与控制 工业机器人研究

摘要：针对工业机器人故障诊断的问题，设计了基于 PLC的工业机器人故障诊断系统；首先，分析了工业机器人故障诊断系统的需求；然后，根据需求分析，设计了以 PLC为核心、触摸屏为人机交互界面的工业机器人故障诊断系统硬件结构；在硬件系统中，采用无线通信技术，通过 PLC对触摸屏进行数据采集，通过触摸屏对工业机器人进行控制；最后，针对故障诊断软件部分设计了基于 PLC的故障诊断程序。实验结果表明，该系统可以有效地对工业机器人出现的故障进行实时监测和定位，并且具有较高的可靠性。该系统可应用于工业机器人的实时监测、远程控制和故障处理等领域。

关键词：PLC；工业机器人；故障诊断；系统设计

引言

工业机器人广泛应用于汽车制造、电子电气、食品加工、机械制造、能源化工等行业，能够代替人工完成复杂、重复或危险的工作，是实现工业化和自动化生产的关键设备，对于提高企业生产效率和产品质量具有重要意义。但工业机器人在长期运行过程中，会出现各种故障，这些故障可能对设备本身或人员造成安全隐患，也会对企业生产造成负面影响。因此，如何对工业机器人进行故障诊断并及时采取措施是提高企业经济效益的重要途径。目前工业机器人故障诊断主要通过 PLC现场总线技术和通信协议实现，但存在成本高、传输距离短等问题。为此，本文提出了一种基于 PLC和无线通信技术的故障诊断系统，可以快速、准确地进行工业机器人的故障诊断。

一、系统架构设计

本故障诊断系统采用分层架构设计，分为数据采集层、数据处理层、故障诊断层和人机交互层。数据采集层通过各类传感器与 PLC 连接，采集工业机器人的运行数据，如电机电流、关节位置、温度等。数据处理层对采集到的数据进行预处理，包括滤波、归一化等操作，提高数据质量。故障诊断层运用智能算法对处理后的数据进行分析，判断是否存在故障及故障类型。人机交互层则用于展示诊断结果、报警信息，并接收操作人员的指令。

二、硬件选型与连接

工业机器人故障诊断系统采用西门子S7-1200作为控制器，采用无线通信技术将采集的数据上传至工业机器人远程控制系统，利用上位计算机对采集到的数据进行分析处理，得到工业机器人故障的类型、位置以及发生的时间。通过现场总线技术将采集到的数据与上位机通信，从而实现对工业机器人故障的诊断与远程控制。

1. PLC选型：根据工业机器人的控制需求和 I/O 点数，选择合适型号的 PLC，如西门子S7-1200 系列。其具有丰富的通信接口和强大的运算能力，能够满足数据采集与处理要求。

2. 传感器选型与安装：选用高精度的电流传感器检测电机工作电流，在电机驱动线路上安装；关节位置传感器采用编码器，安装在机器人关节轴处，用于精确测量关节位置；温度传感器选用热电偶或热电阻，安装在电机、控制柜等易发热部位。所有传感器通过屏蔽电缆与 PLC 的相应输入模块连接，确保信号传输的稳定性和抗干扰性。

三、软件设计

1. 数据采集程序设计：在 PLC 编程软件中开发数据采集程序，设置采样周期，如每 10 毫秒采集一次数据。利用 PLC 的输入指令读取传感器数据，并存储在特定的数据存储区。

2. 数据处理算法实现：采用中值滤波算法去除采集数据中的脉冲干扰，然后进行归一化处理，将数据映射到特定的区间，方便后续故障诊断算法使用。

3. 故障诊断算法设计：运用基于模型的故障诊断方法，建立工业机器人的正常运行数学模型，如动力学模型。通过对比实际运行数据与模型预测数据的差异，判断故障是否发生。同时，结合专家系统，将经验性的故障判断规则存储在知识库中，对故障进行进一步的分析和定位。例如，当电机电流持续超过额定值的 120%且关节位置偏差超出允许范围时，判断为电机过载且传动机构故障。

四、人机交互界面设计

使用触摸屏或上位机软件设计人机交互界面。界面显示工业机器人的实时运行状态，包括各关节位置、电机电流、温度等信息。当诊断出故障时，界面以醒目的方式显示故障类型、发生时间及可能的故障原因，并发出声光报警。操作人员可通过界面查看历史故障记录，进行故障复位等操作。此外，界面还应具备参数设置功能，如修改数据采集周期、报警阈值等。

五、未来展望

近年来，随着我国工业机器人技术的快速发展，我国的制造业逐渐向智能化、自动化方向发展。工业机器人是实现智能制造的重要设备之一，其可靠性对工业生产有着重要的影响。在工业机器人实际运行过程中，由于其工作环境复杂，工作任务繁重，很容易出现各种故障问题，对其运行可靠性造成了严重影响。因此，为了有效提高工业机器人在运行过程中的可靠性，需要对其进行故障诊断系统设计。基于 PLC的工业机器人故障诊断系统能够有效实现对工业机器人进行状态监控和控制，能够及时判断出系统中存在的故障问题并制定相应的解决方案，从而提高了工业机器人运行效率和可靠性，具有较高的应用价值。

目前，基于 PLC和无线通信技术的故障诊断系统还处于初步应用阶段，在未来工作中还需要进一步研究以下几个方面：一是工业机器人故障诊断系统需对数据进行实时监测和存储，为企业安全生产提供保障；二是工业机器人故障诊断系统需进一步提高数据传输速率和稳定性；三是工业机器人故障诊断系统需进一步提高其抗干扰能力。

结语

本文设计了一种基于 PLC和无线通信技术的工业机器人故障诊断系统，通过对现场总线和 PLC的研究，采用无线通信技术实现了对工业机器人的远程控制和故障诊断。该系统能够在工厂现场实时地对工业机器人的运动状态进行监测，并将检测结果显示在触摸屏上，供操作人员查阅；同时，能够实现对工业机器人的故障诊断，在PLC中通过传感器采集到的工业机器人的运行状态数据，再通过无线通信技术上传到上位机监控计算机上进行显示和处理。基于 PLC和无线通信技术的故障诊断系统能够快速、准确地完成工业机器人故障诊断与远程控制任务，同时具有一定的稳定性和可靠性，能够为工业机器人提供较好的保障。

参考文献：

[1]隋胄君.基于PLC的工业机器人抗扰动控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2022（6）：57-61，78.

[2]马伟俊，韩少华.基于PLC的工业机器人监控系统设计[J].新型工业化，2021，11（1）：22-23. DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2021.1.009.