基于可編程控制器的工業(yè)機械手無線遙控系統(tǒng)

　　在布線方便的情況下，按鈕操作及搖桿操作的開關及比例信號可通過電纜直接輸入到PLC的數字量及模擬量輸入模塊。這種方式結構簡單、成本低、可靠性高，控制系統(tǒng)的硬件設計及軟件編程極為簡化。但在實際工業(yè)現場中，布線受到諸多限制，尤其是對于移動型設備，采用有線控制方式人員操作不夠方便靈活。由于我們研制的機械手需要在軌道上長距離運動，且操作距離較遠，因此必須采用無線遙控操作的方式。為此我們采用無線數傳模塊作為通信模塊，并設計了基于16位單片機的手持式操作器，改進后的遙控型機械手控制系統(tǒng)總體功能框圖如圖2所示。無線數傳模塊成對使用，在手持操作器端和機械手本體上的控制系統(tǒng)端各有一塊，分別完成數據的無線發(fā)送及接收功能。在控制系統(tǒng)需要的時候，也可以雙向收發(fā)，即同一端的數傳模塊在數據接收和數據發(fā)送功能中切換。此時需要注意，數傳模塊的發(fā)送與接收功能的切換需要一定的時間。

　　手持操作器根據操作員對按鈕及搖桿的不同操作，通過IO口及AD轉換進行采集，采集后的信息進行數字編碼后形成指令，以ASCII碼的形式通過串口發(fā)送到無線數傳模塊，無線數傳模塊再將指令以無線方式發(fā)出;機械手上的控制系統(tǒng)的數傳模塊接收到發(fā)送來的指令編碼后通過串口總線傳送至PLC，PLC對指令編碼進行解碼，分解出不同的操作指令，然后進行邏輯運算，根據不同的指令得到不同的需要執(zhí)行的動作，再通過數字輸出和模擬輸出控制相應的繼電器或閥動作，從而實現對機械手各關節(jié)的遠程無線操作。通過信號電纜連接到PLC的按鈕操作輸入及搖桿操作輸入保留在機械手本體上，作為備份或檢修使用。同時，在PLC數字輸入口和手持操作器上均設置遙控操作切換按鈕，可以進入或退出遙控操作模式。PLC上的按鈕操作應具有更高的優(yōu)先級。

　　由于搖桿操作采集的對象為搖桿的比例位置狀態(tài)，它采用的是自動對中的設計的。因此在控制系統(tǒng)軟件結構上，采用循環(huán)發(fā)送指令的方式。即進入無線控制狀態(tài)后，手持操作器就定時地將采集到的狀態(tài)發(fā)送出來，而不管此時有沒有操作人員的操作輸入。

圖2遙控型機械手控制系統(tǒng)功能框圖

　　2.通信模式選擇

　　無線數傳模塊一般具備三種接口模式：TTL電平UART接口，可直接與單片機或其它芯片的串口管腳相連;標準的RS-232接口;標準的RS-485接口。其中232接口模式與485接口模式通過跳線進行切換。西門子的S7-200系列PLC具備一個或兩個RS-485標準的接口，因此可以采用后兩種方式，將PLC直接與無線數傳模塊的485接口相連;或者利用與PLC相配的PC/PPI電纜將PLC的485接口轉換為232接口后，再與無線數傳模塊的232接口相連。

　　S7-200系列PLC的通訊端口支持多種通訊協(xié)議，此處可以采用的有兩種。一種是西門子的PPI主-從協(xié)議，利用這種協(xié)議主站可以直接對從站，即控制系統(tǒng)中的PLC，發(fā)出指令，控制從站的各端口及功能。這種方式PLC的編程簡單，不需要對原有從站程序進行修改。但是PPI協(xié)議不是一個公開的協(xié)議，在文獻[4>中提到了一種通過串口偵聽獲取PPI協(xié)議從而利用主站編程控制從站的方式。另外一種通訊模式是自由口模式，利用自定義的PLC程序控制S7-200CPU的通訊端口，使用用戶自己定義的通訊協(xié)議來實現與外界的通訊。這種模式支持ASCII和二進制協(xié)議。自由口模式使用簡單、靈活，但需要對PLC進行專門的編程。因為無線遙控所需數據量不大，通過比較，選擇了自由口通訊模式，以ASCII碼的形式在手持操作器和PLC之間傳遞命令和反饋信息。在PLC內編寫了專門的無線控制程序，實現無線控制狀態(tài)下的數據通信及對機械手的控制。

　　無線數傳模塊的功能僅為實現PLC與手持操作器的無線通信功能，對于PLC與手持操作器中CPU而言，通過無線數傳模塊的無線通信與通過串行端口直接相連的有線通信兩種方式，在編程上是沒有任何差別的。

　　單片機與無線數傳模塊的通信接口則可以選擇三種接口模式中的任一種，既可以采用簡單的直接相連;為提高穩(wěn)定性，也可以采用232或485芯片進行電平轉換后再與數傳模塊相連。為保持更好的可擴展性，我們選擇了RS-232接口標準。