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(guān)及比例信號可通過電纜直接輸入到PLC的數(shù)字量及模擬量輸入模塊。這種方式結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件編程極為簡化。但在實際工業(yè)現(xiàn)場中，布線受到諸多限制，尤其是對于移動型設(shè)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(yuǎn)，因此必須采用無線遙控操作的方式。為此我們采用無線數(shù)傳模塊作為通信模塊，并設(shè)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)傳模塊在數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能中切換。此時需要注意，數(shù)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(jù)操作員對按鈕及搖桿的不同操作，通過IO口及AD轉(zhuǎn)換進行采集，采集后的信息進行數(shù)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(shù)傳模塊，無線數(shù)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(shù)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(jù)不同的指令得到不同的需要執(zhí)行的動作，再通過數(shù)字輸出和模擬輸出控制相應(yīng)的繼電器或閥動作，從而實現(xiàn)對機械手各關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)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(shù)字輸入口和手持操作器上均設(shè)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(yīng)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(shè)計的。因此在控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口;標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的接口，因此可以采用后兩種方式，將PLC直接與無線數(shù)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(zhuǎn)換為232接口后，再與無線數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(nèi)編寫了專門的無線控制程序，實現(xiàn)無線控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信及對機械手的控制。

　　無線數(shù)傳模塊的功能僅為實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)換后再與數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。