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基于PLC控制下的無線遙控手持操作器

ss ? 作者:工程師譚軍 ? 2018-09-24 15:45 ? 次閱讀
單片機(jī)(Microcontrollers)是一種集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代,由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī),發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。
簡介
單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī),和計(jì)算機(jī)相比,單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講:一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí),學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。
單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛,如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī),就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效,常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”,如智能型洗衣機(jī)等 。
應(yīng)用分類
單片機(jī)(Microcontrollers)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域,根據(jù)發(fā)展情況,從不同角度,單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。
通用型
這是按單片機(jī)(Microcontrollers)適用范圍來區(qū)分的。例如,80C51式通用型單片機(jī),它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的;專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的,例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求,在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。
總線型
單片機(jī)
單片機(jī)
這是按單片機(jī)(Microcontrollers)是否提供并行總線來區(qū)分的??偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線,這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接,另外,許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi),因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線,大大減省封裝成本和芯片體積,這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。
控制型
這是按照單片機(jī)(Microcontrollers)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言,工控型尋址范圍大,運(yùn)算能力強(qiáng);用于家電的單片機(jī)多為專用型,通常是小封裝、低價(jià)格,外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然,上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如,80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型,還可以作工控用。

編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)是一種適用性強(qiáng)的工業(yè)用控制器,廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)線,移動(dòng)機(jī)械設(shè)備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場合。其工作性能穩(wěn)定,可擴(kuò)展性強(qiáng),應(yīng)用簡便。根據(jù)不同的模塊配置,可以進(jìn)行邏輯及算數(shù)運(yùn)算,對數(shù)字開關(guān)量、模擬量等進(jìn)行控制和采集,同時(shí)具有豐富的總線接口形式,可以利用公開的協(xié)議與不同設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。在我們所研制的工業(yè)機(jī)械手中,各關(guān)節(jié)由比例閥或開關(guān)閥構(gòu)成開環(huán)液壓控制回路,實(shí)現(xiàn)比例調(diào)速或開關(guān)動(dòng)作,因此我們選用了西門子的S7-200系列PLC作為其控制器。

在一些環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合,尤其是對于移動(dòng)機(jī)械設(shè)備,控制系統(tǒng)的布線受到諸多限制,操作人員與控制系統(tǒng)的位置安排不方便。因此,具有高度靈活性的無線遙控操作系統(tǒng)的應(yīng)用得到了推廣。目前工業(yè)上應(yīng)用的無線遙控操作系統(tǒng)一般采用無線電數(shù)字傳輸方式。一些芯片廠商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應(yīng)于不同場合和要求的RF芯片[3》。

無線數(shù)傳模塊是一種集成式的專用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)的模塊,可直接通過數(shù)據(jù)總線與其它控制、采集等模塊連接完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控、遙測,無線抄表,自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集等場合。具有可靠性高,功耗低,協(xié)議透明使用方便等優(yōu)點(diǎn)。傳輸距離可以達(dá)到幾十至上百米,有些甚至可以到上千米的距離。目前很多廠商推出了工業(yè)化、系列化的產(chǎn)品,可以根據(jù)不同的使用場合和要求選擇合適的產(chǎn)品。

目前一些廠家推出了專用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無線遙控器,其性能優(yōu)異,集成度高。如HBC、JAY等,應(yīng)用于混凝土泵車、裝載機(jī)等場合。但由于其一般針對專用工程設(shè)備,不具有較好的通用性及可擴(kuò)展性,且主要是國外廠家,價(jià)格高昂,其應(yīng)用推廣受到限制。

在我們研制的多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手中,采用PLC作為其主控制器,完成對液壓泵站和各關(guān)節(jié)液壓閥的開關(guān)及比例控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的基本功能。采用無線數(shù)傳模塊通過無線通信方式收發(fā)數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控功能,所設(shè)計(jì)的手持遙控器的輸入開關(guān)量及模擬量由16位單片機(jī)采集并編碼輸出。

總體方案

該機(jī)械手用于巷道內(nèi)進(jìn)行混凝土噴漿作業(yè),有自動(dòng)和手動(dòng)操作兩種模式。自動(dòng)模式下,PLC控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)按程序預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng),調(diào)整機(jī)械手末端的方位與角度,使噴漿噴頭按設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng),且始終垂直于受噴的巷道面,完成巷道表面的噴漿作業(yè)。手動(dòng)模式下,由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開關(guān)閥和比例閥進(jìn)行控制,驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),控制混凝土噴頭的方位及角度。其中按鈕控制泵站的啟停及開關(guān)閥的方向切換,比例搖桿則根據(jù)操作人員的控制,形成一個(gè)±10V范圍內(nèi)的模擬量,比例閥根據(jù)模擬量的大小及方向,控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度的大小及方向。

手持操作器的設(shè)計(jì)

手持操作器的功能為通過處理器的數(shù)字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼后形成控制指令,通過無線數(shù)傳模塊發(fā)出。

XC166系列單片機(jī)是英飛凌科技(Infineon)的16位微控制器產(chǎn)品,其優(yōu)異的內(nèi)核結(jié)構(gòu),高效的指令集,以及不斷擴(kuò)充更新的產(chǎn)品線,使其廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制和信息技術(shù)領(lǐng)域。該系列單片機(jī)具有豐富的接口模式,如14通道10位AD變換器,同步/異步串行通道USART,高速同步串行通道SPI,CAN模塊,79個(gè)IO引腳等,并可與各種設(shè)備組成通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),該系列單片機(jī)適應(yīng)于惡劣的工業(yè)環(huán)境,工作溫度可在-40~125°C。[6》針對我們所設(shè)計(jì)的手持操作器的功能,我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機(jī)。這樣只需附加極少的外圍硬件,就可以實(shí)現(xiàn)所需的功能,同時(shí),使該遙控器具有工作性能穩(wěn)定和易于進(jìn)行功能擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能,即采集搖桿操作產(chǎn)生的比例控制電壓;數(shù)字IO功能,即采集按鈕操作狀態(tài)和進(jìn)行一些功能狀態(tài)顯示;通訊功能,即定時(shí)地將采集到的控制指令按規(guī)定的格式編碼后通過串口以無線的方式發(fā)送。

手持操作器由電池供電,XC166系列單片機(jī)及無線數(shù)傳模塊可以滿足低功耗的要求。

數(shù)據(jù)可靠性

無線遙控操作系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院涂刂频陌踩?,避免發(fā)生失控和錯(cuò)誤控制指令現(xiàn)象,本系統(tǒng)主要通過以下幾方面來保證:

無線數(shù)傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率,高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù);

串行通訊協(xié)議校驗(yàn),一般采用奇偶校驗(yàn);

軟件協(xié)議校驗(yàn);通過軟件編程,對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),可采用CRC校驗(yàn)、交互確認(rèn)或多次發(fā)送對比的方式。在我們的程序中采用同一動(dòng)作指令重復(fù)發(fā)送的方式,只有命令指令與確認(rèn)指令完全相同,PLC才接受指令,否則忽略此指令。這樣就完全避免了通信所產(chǎn)生的錯(cuò)誤指令;

PLC的“軟件看門狗”;在PLC程序中設(shè)置定時(shí)程序,當(dāng)超時(shí)未收到無線指令時(shí),停止機(jī)械手動(dòng)作,防止由于通訊中斷而使機(jī)械手失控;

通過以上四個(gè)措施,可以有效地保證無線遙控的可靠性,防止產(chǎn)生錯(cuò)誤操作指令或機(jī)械手失控。

5.結(jié)論

通過試驗(yàn)證明,這種采用PLC和無線數(shù)傳模塊的遙控方式簡單可行,由于PLC及數(shù)傳模塊都有成熟的工業(yè)化產(chǎn)品,可靠性高,成本低,擴(kuò)展性好,因此本方案具有較高的實(shí)用價(jià)值,簡化了設(shè)計(jì)過程。但手持操作器中的單片機(jī)模塊尚需進(jìn)一步的工業(yè)化設(shè)計(jì),以達(dá)到更高的工業(yè)可靠性要求,并實(shí)現(xiàn)總線通信、自檢驗(yàn)等更多功能。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):通過設(shè)計(jì)一種新的架構(gòu)體系,利用工業(yè)化的無線數(shù)傳模塊,將PLC控制與無線遙控結(jié)合起來,使機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠兼具二者的優(yōu)點(diǎn),降低了成本、滿足了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、兼容性及無線控制的要求。


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