采用西門(mén)子S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)漿液下移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，在移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)和PLC應(yīng)用方面有很多人已經(jīng)做了相關(guān)的研究工作。本文研究的機(jī)器人(小車(chē))工作在大約40 m深的漿液下，為防止水煤漿由于長(zhǎng)時(shí)間的存貯而沉淀，在按照規(guī)劃的軌跡移動(dòng)時(shí)完成攪拌水煤漿功能。基于超聲波傳感器和電子羅盤(pán)的實(shí)時(shí)測(cè)量位姿信息，查模糊控制表，控制電機(jī)，使機(jī)器人能及時(shí)、連續(xù)、平穩(wěn)、按規(guī)劃軌跡運(yùn)行。采用西門(mén)子S7-200系列PLC作為主控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液下移動(dòng)機(jī)器人的控制。

1 控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位姿是跟蹤控制首要解決的問(wèn)題。為此，本機(jī)器人的定位采用了超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，導(dǎo)航采用了電子羅盤(pán)。整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)

PLC系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的核心，做主站管理各從站，起到總的控制作用，通過(guò)RS-485總線同各個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。PLC把各個(gè)從站得到的信息經(jīng)過(guò)加工處理后，得到最終的控制命令傳給電機(jī)，控制機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)確的行走。TD200可對(duì)PLC的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的需要。

1號(hào)單片機(jī)、2號(hào)單片機(jī)、3號(hào)單片機(jī)記錄發(fā)射超聲波信號(hào)在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，乘以超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出相應(yīng)的距離，通過(guò)定位算法便可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度變化，有著特定函數(shù)關(guān)系，因此可以借助溫度傳感器對(duì)超聲波的速度進(jìn)行修正。電子羅盤(pán)可獲得小車(chē)的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的導(dǎo)航。

操作員通過(guò)無(wú)線通信的方式達(dá)到對(duì)機(jī)器人的無(wú)線控制。無(wú)線控制是對(duì)有線控制的一種輔助措施，使機(jī)器人能得到更理想的控制效果。當(dāng)主控制系統(tǒng)控制失效，機(jī)器人出現(xiàn)意外情況，通過(guò)定位系統(tǒng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)機(jī)器人偏離規(guī)劃軌道，此時(shí)，利用無(wú)線控制可使機(jī)器人及時(shí)回到規(guī)劃軌道。

2 網(wǎng)絡(luò)通信

2.1 通信協(xié)議的選擇

S7-200 PLC支持多種通信息協(xié)議，如點(diǎn)到點(diǎn)接口(PPI)、多點(diǎn)接口(MPI)、PROFIBUS及用戶自定義協(xié)議等。

通過(guò)使用接收中斷、發(fā)送中斷、字符中斷、發(fā)送指令(XMT)和接收指令(RCV)，自由端口通信可以控制S7-200 CPU通信口的操作模式。利用自由端口模式，可以實(shí)現(xiàn)用戶定義的通信協(xié)議，連接多種智能設(shè)備。

CPU處于STOP模式時(shí)，自由端口模式被禁止，CPU重新建立使用其他協(xié)議的通信，例如與編程設(shè)備的通信。只有當(dāng)CPU處于RUN模式時(shí)，才能使用自由端口模式。通過(guò)向SMB30(端口0)的協(xié)議選擇域置1，可以將通信端口設(shè)置為自由端口模式。處于該模式時(shí)，不能與編程設(shè)備通信。SMB30其他位還可以設(shè)置端口0通信的波特率和奇偶校檢等參數(shù)。在此，我們所研究的機(jī)器人采用了自由端口模式。通信協(xié)議我們采用Medbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是美國(guó)可編程控制器供應(yīng)商Modicon公司制定的一種工業(yè)通訊協(xié)議，現(xiàn)在已經(jīng)被許多工控廠商所支持，廣泛應(yīng)用于智能儀表、總線控制等領(lǐng)域。其物理層遵循RS-485標(biāo)準(zhǔn)，RS-485總線具有信號(hào)傳輸速率快、傳輸距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其接口可以有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，很容易實(shí)現(xiàn)PLC與多臺(tái)智能設(shè)備之間的通信。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)

在接收信息時(shí)我們采用了接收中斷而沒(méi)用接收指令(RCV)。接收字符中斷是每當(dāng)接收緩沖區(qū)SMBZ中接收到一個(gè)字符便產(chǎn)生一次中斷，能在中斷中對(duì)所接收到的字符進(jìn)行適時(shí)處理，如果不正確，能及時(shí)進(jìn)行第二次或更多次的發(fā)射和接收一直到達(dá)成功，并不影響字符和字符間的接收工作。更確切的說(shuō)對(duì)字符的處理是在接收字符之間的間隙進(jìn)行的。但是RCV指令一次性的接收完對(duì)方發(fā)射的所有信息，最后一個(gè)字符接收完，執(zhí)行中斷事件才能對(duì)所接收到的字符進(jìn)行處理，如果不正確，到這時(shí)才能重新發(fā)射和接收，這與上一種方法相比浪費(fèi)了時(shí)間。兩種方法所用到的全局變量VB是一樣的，用接收指令RCV程序會(huì)簡(jiǎn)潔些，但是從適時(shí)的角度我們選擇了接收字符中斷。

PLC是主站，1號(hào)單片機(jī)、2號(hào)單片機(jī)、3號(hào)單片機(jī)、無(wú)線通信模塊、溫度傳感器、電子羅盤(pán)都作為從站，地址依次是3lH，32H，33H，34H，35H，36H。當(dāng)各從站都沒(méi)有出現(xiàn)故障，且主站同各從站通信，從站都能給與正確的回應(yīng)信息時(shí)，建立起的地址輪詢表是3lH，32H，33H，34H，35H，36H。主站按照這個(gè)地址輪詢表所建立起的地址同各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)某一個(gè)從站出現(xiàn)故障，如2號(hào)單片機(jī)同主站不能進(jìn)行通信，建立起的地址輪詢表是31H，3H，34H，35H，36H。主站按照這個(gè)地址輪詢表同各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并及時(shí)報(bào)警要求查找故障。但是這時(shí)并不影響對(duì)小車(chē)的控制，因?yàn)橥ㄟ^(guò)1號(hào)單片機(jī)、3號(hào)單片機(jī)仍然能對(duì)小車(chē)進(jìn)行定位，僅僅是定位的精度不十分精確。整個(gè)控制過(guò)程沒(méi)有間斷而是連續(xù)的進(jìn)行。

我們可以根據(jù)報(bào)警信息，查出有故障的單片機(jī)。當(dāng)查好后我們可以通過(guò)TD200或無(wú)線通信模塊向主站告訴故障已經(jīng)解除。要求主站重新建立地址輪詢表，建立地址信息。按照重新建立的地址輪詢表發(fā)射數(shù)據(jù)信息。

3 電機(jī)控制

西門(mén)子S7-200系列PLC的高速脈沖輸出功能是指在PLC某些輸出端產(chǎn)生高速脈沖，用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制。PLC主機(jī)最多可提供2個(gè)高速脈沖輸出端，即Q0.0或Q0.1。每個(gè)高速脈沖發(fā)生器對(duì)應(yīng)一定數(shù)量的特殊寄存器，包括控制字節(jié)寄存器，狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器，它們用以控制高速脈沖輸出形式，反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值。PLC控制電機(jī)中通過(guò)脈沖輸出指令(PLS)檢查為脈沖輸出(Q0.0或Q0.1)設(shè)置的特殊存貯器位(SM)，然后啟動(dòng)由特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作。脈沖由Q0.0或Q0.1輸出控制電機(jī)。

如何控制電機(jī)，使小車(chē)能及時(shí)以直線、曲線、停止的方式進(jìn)行運(yùn)行，且運(yùn)行過(guò)程連續(xù)、平穩(wěn)，避免小車(chē)出現(xiàn)異常行為，如突然的大轉(zhuǎn)彎、急剎車(chē)等，是我們必須要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。因此，小車(chē)的啟動(dòng)、每步控制之間的過(guò)渡、停止都要處理好，輸出脈沖的周期要連續(xù)，解決方法如下。

圖2 電機(jī)控制

圖2中f軸表示：頻率；t軸表示：發(fā)射脈沖數(shù)。小車(chē)剛開(kāi)始啟動(dòng)階段以f1的頻率啟動(dòng)，加速到f2，發(fā)射的脈沖數(shù)是t1-t0。，然后以f2的頻率勻速，規(guī)定每4 s對(duì)小車(chē)進(jìn)行一次定位和控制，假設(shè)在t2時(shí)正好是4 s，開(kāi)始對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制，但是，定位和控制過(guò)程需要一段時(shí)間，當(dāng)發(fā)射控制命令時(shí)，小車(chē)可能已不在原來(lái)定位的點(diǎn)。此時(shí)時(shí)間已超過(guò)4 s，設(shè)此時(shí)滯的時(shí)間為t，計(jì)算所要執(zhí)行的程序量，t的最大上限值是0.1 s，這么小的時(shí)間完全可以忽略，在時(shí)滯的時(shí)間內(nèi)讓小車(chē)仍以原來(lái)發(fā)射脈沖頻率運(yùn)行，當(dāng)發(fā)射的脈沖數(shù)是t3時(shí)開(kāi)始對(duì)小車(chē)進(jìn)行了新的控制，小車(chē)進(jìn)行下一步的運(yùn)行。然而，此刻仍以前一步的頻率為開(kāi)始發(fā)射頻率。

轉(zhuǎn)換辦法是通過(guò)兩條命令:①M(fèi)OVB 0，SMB67；②PLS 0。使前一步的運(yùn)行立刻停止，接著調(diào)用新的包羅段控制小車(chē)進(jìn)行下一步的運(yùn)行，下一步的開(kāi)始周期是前一步的結(jié)束周期，加速或減速到本步規(guī)定的周期(如圖2所示)，加速或減速的時(shí)間盡可能短，以此周期勻速運(yùn)行。小車(chē)在運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中每步之間處理方法都是這樣。圖中所示為頻率減小到f5小車(chē)停止。采用此方法后小車(chē)的運(yùn)行是連續(xù)平穩(wěn)的。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序流程框圖如圖3所示，整個(gè)程序共有4大塊組成：①對(duì)S7-200各個(gè)變量、中斷初始化；②主站同各從站進(jìn)行信息通訊；③進(jìn)行定位處理；④控制電機(jī)。

圖3 程序流程框圖

整個(gè)程序量是巨大的，合理安排程序結(jié)構(gòu)顯得很重要。當(dāng)沒(méi)進(jìn)行通信時(shí)，S7-200反復(fù)掃描執(zhí)行周期，出現(xiàn)字符中斷時(shí)，對(duì)接收到的信息進(jìn)行保存處理，因?yàn)镾7-200順序執(zhí)行的特點(diǎn)，這要在很多執(zhí)行周期內(nèi)完成。但是每個(gè)執(zhí)行周期的時(shí)間都是短暫的。所有的從站都通信完畢，調(diào)用定位子程序求出小車(chē)所在的空間位置。然后順序調(diào)用模糊控制子程序、電機(jī)控制子程序。這三大塊子程序要在同一周期內(nèi)完成，此周期執(zhí)行時(shí)間是最大的，程序必須簡(jiǎn)單實(shí)用，使執(zhí)行周期盡可能的降到最小值，減小控制的時(shí)滯。從宏觀上看掃描周期顯現(xiàn)出伸縮性的特點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)漿液下移動(dòng)機(jī)器人的功能要求及PLC所具有的特點(diǎn)，搭建的漿液下移動(dòng)機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)具有特性，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)間的通信，對(duì)電機(jī)控制方法進(jìn)行了探討，使電機(jī)能連續(xù)平穩(wěn)的運(yùn)行，最后對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文所涉及到的工作已調(diào)試成功。