基于PLC的防爆機(jī)器人系統(tǒng)的控制

移動機(jī)器人由于具有優(yōu)越的機(jī)動性和靈活性而備受青睞，在許多場合投入實(shí)際應(yīng)用，如核工業(yè)檢測，消防、火場檢測，有毒、易燃、易爆氣體場所探測，采礦、星球探測及無人戰(zhàn)場等。為了適應(yīng)不同環(huán)境下的應(yīng)用，移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)也不相同。本文涉及到的移動機(jī)器人是應(yīng)用在防爆系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)要求高穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性，采用西門子的S7-200系列的PLC作為控制器對其進(jìn)行控制是一種既經(jīng)濟(jì)又能充分滿足設(shè)計(jì)要求的有效方法。

1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1．1控制系統(tǒng)組成及PLG控制原理

一般的控制系統(tǒng)采用工控機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，工控機(jī)工作可靠、控制準(zhǔn)確、使用方便。防爆機(jī)器人一般工作在室外環(huán)境和野外環(huán)境，工作環(huán)境惡劣。作為移動機(jī)器人，整個(gè)控制系統(tǒng)要求盡量輕便，這時(shí)若采用工控機(jī)則整個(gè)系統(tǒng)不夠方便、靈活。PLC具有良好的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)輕巧，采用兩個(gè)PLC作為上、下位機(jī)，則系統(tǒng)輕巧靈活。根據(jù)操作和控制要求，控制系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列的PLC，該P(yáng)LC可以滿足多種多樣的自動化控制需要。由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大功能的指令，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的性價(jià)比大大提高，操作也簡單易行；同時(shí)，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和控制的準(zhǔn)確性也得到了保證。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

此防爆機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由上、下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)PLC(CPU224)用于整個(gè)系統(tǒng)的啟停控制，控制臺上為一系列控制按鈕，控制臺將希望的機(jī)器人的動作傳到上位機(jī)的PLC和上位I擴(kuò)展模塊(EM221)里，操縱桿將電位器的位置通過PLC的擴(kuò)展A／D模塊(EM231)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過上位PLC和下位PLC(CPU224)的通訊，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛籔LC。同時(shí)，上位機(jī)接收來自下位機(jī)的溫度、位置、角度等狀態(tài)信息。為了將這些數(shù)據(jù)顯示，選用性價(jià)比較高的數(shù)碼管與上位PLC進(jìn)行相應(yīng)的連接，然后將這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地顯示出來。防爆機(jī)器人機(jī)體上的攝像頭將機(jī)器人工作現(xiàn)場的畫面?zhèn)魉偷娇刂婆_的顯示器上，在顯示器上實(shí)時(shí)反映機(jī)器人的工作狀態(tài)，便于操作者根據(jù)實(shí)際情況控制排爆機(jī)器人的動作。

下位機(jī)的PLC一方面接收上位機(jī)傳過來的指令，并和O擴(kuò)展模塊(EM222)一起通過繼電器組對直流電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制而對相應(yīng)的直流電機(jī)動作進(jìn)行控制，完成操作者希望的機(jī)器人的動作；另一方面，從工作現(xiàn)場采集到溫度、位置、角度等模擬信號，通過模擬量擴(kuò)展模塊(EM231)將其模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過與上位機(jī)PLC的通訊，將這些數(shù)據(jù)傳送到上位PLC上。

1．2數(shù)據(jù)信號傳輸媒介

數(shù)據(jù)信號傳輸媒介多用光纜和電纜，光纜傳輸容量大，傳輸距離長，抗電磁干擾能力強(qiáng)，但是對安裝技術(shù)要求高，并且價(jià)格相對昂貴。電纜作為信號傳輸媒介，價(jià)格便宜，安裝方便，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、快速，但是有線通訊有許多局限性，例如整個(gè)系統(tǒng)由于電纜的存在而不夠靈活。

在實(shí)際使用過程中，為了解決有線通訊的局限性，采用無線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳輸。無線數(shù)傳模塊體積小、使用方便，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率比較高，易受電磁干擾。這里采用的TDX-1000無線通信模塊包括無線接收、發(fā)射、FSK調(diào)制方式，并采用前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力。接口方式是5VTTL電平兼容接口，無線通信模塊是半雙工的，收／發(fā)的切換通過收發(fā)控制信號線實(shí)現(xiàn)。

2軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．1控制系統(tǒng)控制流程

控制系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

系統(tǒng)的控制過程為：用戶將希望的機(jī)器人的動作作為指令輸入到控制面板上，PLC對這些指令進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，發(fā)送到下位PLC上；下位PLC接收到上位PLC的數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號，控制機(jī)器人體上的直流電機(jī)，完成相應(yīng)的機(jī)器人動作。與此同時(shí)，下位機(jī)采集由傳感器發(fā)來的現(xiàn)場信號，并進(jìn)行處理，從而轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上；上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)來的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管將這些數(shù)據(jù)顯示出來。

2．2數(shù)據(jù)傳輸格式

S7-200系列產(chǎn)品的通信模式有兩種：一種是點(diǎn)對點(diǎn)通訊協(xié)議，用于S7-200與其編程器或西門子公司的人-機(jī)接口產(chǎn)品之間的通訊；另一種是對用戶完全開放的自由口模式，用戶根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用要求，自行規(guī)定通訊協(xié)議。本系統(tǒng)是兩個(gè)PLC之間進(jìn)行通訊，使用自由口通訊協(xié)議。上、下位機(jī)PLC之間的通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600bps，奇校驗(yàn)，數(shù)據(jù)的格式是1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位FCS校驗(yàn)位、1位停止位。數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

2．3控制系統(tǒng)的程序流程

根據(jù)移動機(jī)器人工作的要求，確定機(jī)器人各個(gè)電機(jī)工作的相互關(guān)系，畫出程序流程圖，再由PLC的輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫梯形圖。其上、下位機(jī)的程序流程圖如圖4(a)、(b)所示。限于篇幅，各子程序的流程圖本文不再給出。

2．4提高無線通信可靠性的方法

系統(tǒng)采用無線通信還涉及到許多問題，包括：(1)無線通訊的收發(fā)切換問題；(2)無線收發(fā)模塊易受電磁干擾，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)誤碼率比較高。

采用以下幾種方法對產(chǎn)生的問題進(jìn)行解決。第一：關(guān)于收發(fā)切換引起的延遲。在半雙工通訊中，波特率一定的條件下，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間主要取決于PLC的最大指令執(zhí)行循環(huán)時(shí)間和無線收發(fā)模塊的收發(fā)切換時(shí)間。PLC的最大指令執(zhí)行循環(huán)時(shí)間由PLC的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，在進(jìn)行編程的時(shí)候，充分考慮這些因素進(jìn)行編程。第二：關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采取了幾種方法。(1)對發(fā)送來的每一組數(shù)據(jù)檢查起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)，采用奇校驗(yàn)；(2)采用工程上的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，這種方法是對發(fā)送的數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，將得到的結(jié)果作為FCS校驗(yàn)碼同要發(fā)送的數(shù)據(jù)一起發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的運(yùn)算，將結(jié)果與FCS比較來確定收到的數(shù)據(jù)是否正確；(3)此外，在收發(fā)切換與數(shù)據(jù)發(fā)送之間插入一定的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間大于無線收發(fā)模塊的收發(fā)切換時(shí)間，易于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，以上方法大大提高了通訊系統(tǒng)的可靠性，降低了誤碼率，減少潛在的故障。

本系統(tǒng)采用兩個(gè)PLC分別作為上、下位機(jī)進(jìn)行移動機(jī)器人的控制，可使整個(gè)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，易于操作，維護(hù)方便，性價(jià)比高。本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于防爆機(jī)器人上，在實(shí)際的應(yīng)用中受到好評。