基于PLC的防爆機器人系統的控制

移動(dòng)機器人由于具有優(yōu)越的機動(dòng)性和靈活性而備受青睞，在許多場(chǎng)合投入實(shí)際應用，如核工業(yè)檢測，消防、火場(chǎng)檢測，有毒、易燃、易爆氣體場(chǎng)所探測，采礦、星球探測及無(wú)人戰場(chǎng)等。為了適應不同環(huán)境下的應用，移動(dòng)機器人控制系統的硬件和軟件結構也不相同。本文涉及到的移動(dòng)機器人是應用在防爆系統中，控制系統要求高穩定性、可靠性和實(shí)時(shí)性，采用西門(mén)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)濟又能充分滿(mǎn)足設計要求的有效方法。

1移動(dòng)機器人控制系統的硬件設計

1．1控制系統組成及PLG控制原理

一般的控制系統采用工控機控制整個(gè)系統的工作，工控機工作可靠、控制準確、使用方便。防爆機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(dòng)機器人，整個(gè)控制系統要求盡量輕便，這時(shí)若采用工控機則整個(gè)系統不夠方便、靈活。PLC具有良好的穩定性、結構輕巧，采用兩個(gè)PLC作為上、下位機，則系統輕巧靈活。根據操作和控制要求，控制系統選用西門(mén)子公司的S7-200系列的PLC，該PLC可以滿(mǎn)足多種多樣的自動(dòng)化控制需要。由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價(jià)格以及強大功能的指令，使得整個(gè)控制系統的性?xún)r(jià)比大大提高，操作也簡(jiǎn)單易行；同時(shí)，系統的可靠性、穩定性和控制的準確性也得到了保證?？刂葡到y結構如圖1所示。

此防爆機器人的控制系統主要由上、下位機兩部分組成。上位機PLC(CPU224)用于整個(gè)系統的啟?？刂?，控制臺上為一系列控制按鈕，控制臺將希望的機器人的動(dòng)作傳到上位機的PLC和上位I擴展模塊(EM221)里，操縱桿將電位器的位置通過(guò)PLC的擴展A／D模塊(EM231)將模擬量轉化為數字量，通過(guò)上位PLC和下位PLC(CPU224)的通訊，將這些數據傳輸到下位PLC。同時(shí)，上位機接收來(lái)自下位機的溫度、位置、角度等狀態(tài)信息。為了將這些數據顯示，選用性?xún)r(jià)比較高的數碼管與上位PLC進(jìn)行相應的連接，然后將這些數據準確地顯示出來(lái)。防爆機器人機體上的攝像頭將機器人工作現場(chǎng)的畫(huà)面傳送到控制臺的顯示器上，在顯示器上實(shí)時(shí)反映機器人的工作狀態(tài)，便于操作者根據實(shí)際情況控制排爆機器人的動(dòng)作。

下位機的PLC一方面接收上位機傳過(guò)來(lái)的指令，并和O擴展模塊(EM222)一起通過(guò)繼電器組對直流電機驅動(dòng)器進(jìn)行控制而對相應的直流電機動(dòng)作進(jìn)行控制，完成操作者希望的機器人的動(dòng)作；另一方面，從工作現場(chǎng)采集到溫度、位置、角度等模擬信號，通過(guò)模擬量擴展模塊(EM231)將其模擬量轉換為數字量。通過(guò)與上位機PLC的通訊，將這些數據傳送到上位PLC上。

1．2數據信號傳輸媒介

數據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(cháng)，抗電磁干擾能力強，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，數據傳輸準確、快速，但是有線(xiàn)通訊有許多局限性，例如整個(gè)系統由于電纜的存在而不夠靈活。

在實(shí)際使用過(guò)程中，為了解決有線(xiàn)通訊的局限性，采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊進(jìn)行數據信號的傳輸。無(wú)線(xiàn)數傳模塊體積小、使用方便，但是數據傳輸的誤碼率比較高，易受電磁干擾。這里采用的TDX-1000無(wú)線(xiàn)通信模塊包括無(wú)線(xiàn)接收、發(fā)射、FSK調制方式，并采用前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力。接口方式是5VTTL電平兼容接口，無(wú)線(xiàn)通信模塊是半雙工的，收／發(fā)的切換通過(guò)收發(fā)控制信號線(xiàn)實(shí)現。

2軟件系統的設計

2．1控制系統控制流程

控制系統的控制流程如圖2所示。

系統的控制過(guò)程為：用戶(hù)將希望的機器人的動(dòng)作作為指令輸入到控制面板上，PLC對這些指令進(jìn)行處理，轉換為數據，發(fā)送到下位PLC上；下位PLC接收到上位PLC的數據后，將這些數據轉換為控制信號，控制機器人體上的直流電機，完成相應的機器人動(dòng)作。與此同時(shí)，下位機采集由傳感器發(fā)來(lái)的現場(chǎng)信號，并進(jìn)行處理，從而轉換成數據傳送到上位機上；上位機接收下位機發(fā)來(lái)的現場(chǎng)的數據，通過(guò)數碼管將這些數據顯示出來(lái)。

2．2數據傳輸格式

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(mén)子公司的人-機接口產(chǎn)品之間的通訊；另一種是對用戶(hù)完全開(kāi)放的自由口模式，用戶(hù)根據實(shí)際系統的應用要求，自行規定通訊協(xié)議。本系統是兩個(gè)PLC之間進(jìn)行通訊，使用自由口通訊協(xié)議。上、下位機PLC之間的通訊數據傳輸的波特率為9600bps，奇校驗，數據的格式是1位起始位、8位數據位、1位FCS校驗位、1位停止位。數據格式如圖3所示。

2．3控制系統的程序流程

根據移動(dòng)機器人工作的要求，確定機器人各個(gè)電機工作的相互關(guān)系，畫(huà)出程序流程圖，再由PLC的輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫(xiě)梯形圖。其上、下位機的程序流程圖如圖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(wú)線(xiàn)通信可靠性的方法

系統采用無(wú)線(xiàn)通信還涉及到許多問(wèn)題，包括：(1)無(wú)線(xiàn)通訊的收發(fā)切換問(wèn)題；(2)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊易受電磁干擾，數據傳輸時(shí)誤碼率比較高。

采用以下幾種方法對產(chǎn)生的問(wèn)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，系統的響應時(shí)間主要取決于PLC的最大指令執行循環(huán)時(shí)間和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的收發(fā)切換時(shí)間。PLC的最大指令執行循環(huán)時(shí)間由PLC的軟件系統結構決定，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)于數據傳輸的穩定性和準確性。為了保證數據傳輸的穩定性和準確性，采取了幾種方法。(1)對發(fā)送來(lái)的每一組數據檢查起始字節和結束字節，采用奇校驗；(2)采用工程上的循環(huán)冗余校驗(CRC)，這種方法是對發(fā)送的數據按字節進(jìn)行異或運算，將得到的結果作為FCS校驗碼同要發(fā)送的數據一起發(fā)送到下位機，下位機將收到的數據進(jìn)行同樣的運算，將結果與FCS比較來(lái)確定收到的數據是否正確；(3)此外，在收發(fā)切換與數據發(fā)送之間插入一定的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間大于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的收發(fā)切換時(shí)間，易于保證數據傳輸的穩定性。實(shí)驗證明，以上方法大大提高了通訊系統的可靠性，降低了誤碼率，減少潛在的故障。

本系統采用兩個(gè)PLC分別作為上、下位機進(jìn)行移動(dòng)機器人的控制，可使整個(gè)系統的性能穩定，易于操作，維護方便，性?xún)r(jià)比高。本系統已經(jīng)成功應用于防爆機器人上，在實(shí)際的應用中受到好評。