基于可編程控制器工業(yè)機械手無(wú)線(xiàn)遙控系統

　　0.前言

　　可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一種適用性強的工業(yè)用控制器，廣泛應用于各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)，移動(dòng)機械設備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場(chǎng)合。其工作性能穩定，可擴展性強，應用簡(jiǎn)便。根據不同的模塊配置，可以進(jìn)行邏輯及算數運算，對數字開(kāi)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(xiàn)接口形式，可以利用公開(kāi)的協(xié)議與不同設備構成復雜的系統。在我們所研制的工業(yè)機械手中，各關(guān)節由比例閥或開(kāi)關(guān)閥構成開(kāi)環(huán)液壓控制回路，實(shí)現比例調速或開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此我們選用了西門(mén)子的S7-200系列PLC作為其控制器。

　　在一些環(huán)境復雜的應用場(chǎng)合，尤其是對于移動(dòng)機械設備，控制系統的布線(xiàn)受到諸多限制，操作人員與控制系統的位置安排不方便。因此，具有高度靈活性的無(wú)線(xiàn)遙控操作系統的應用得到了推廣。目前工業(yè)上應用的無(wú)線(xiàn)遙控操作系統一般采用無(wú)線(xiàn)電數字傳輸方式。一些芯片廠(chǎng)商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應于不同場(chǎng)合和要求的RF芯片[3>。

　　無(wú)線(xiàn)數傳模塊是一種集成式的專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)的模塊，可直接通過(guò)數據總線(xiàn)與其它控制、采集等模塊連接完成無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)功能，廣泛應用于工業(yè)遙控、遙測，無(wú)線(xiàn)抄表，自動(dòng)化數據采集等場(chǎng)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(chǎng)商推出了工業(yè)化、系列化的產(chǎn)品，可以根據不同的使用場(chǎng)合和要求選擇合適的產(chǎn)品。

　　目前一些廠(chǎng)家推出了專(zhuān)用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無(wú)線(xiàn)遙控器，其性能優(yōu)異，集成度高。如HBC、JAY等，應用于混凝土泵車(chē)、裝載機等場(chǎng)合。但由于其一般針對專(zhuān)用工程設備，不具有較好的通用性及可擴展性，且主要是國外廠(chǎng)家，價(jià)格高昂，其應用推廣受到限制。

　　在我們研制的多關(guān)節工業(yè)機械手中，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關(guān)節液壓閥的開(kāi)關(guān)及比例控制，實(shí)現機械手的基本功能。采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式收發(fā)數字信號，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)遙控功能，所設計的手持遙控器的輸入開(kāi)關(guān)量及模擬量由16位單片機采集并編碼輸出。

　　1.總體方案

　　該機械手用于巷道內進(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控制機械手各關(guān)節按程序預定的軌跡運動(dòng)，調整機械手末端的方位與角度，使噴漿噴頭按設定軌跡運動(dòng)，且始終垂直于受?chē)姷南锏烂?，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(kāi)關(guān)閥和比例閥進(jìn)行控制，驅動(dòng)各關(guān)節運動(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(kāi)關(guān)閥的方向切換，比例搖桿則根據操作人員的控制，形成一個(gè)±10V范圍內的模擬量，比例閥根據模擬量的大小及方向，控制關(guān)節運動(dòng)速度的大小及方向。其控制系統功能框圖如圖1所示。

圖1機械手控制系統功能框圖

　　3.手持操作器的設計

　　手持操作器的功能為通過(guò)處理器的數字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入，并將轉換后的數字信號進(jìn)行編碼后形成控制指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊發(fā)出。

　　XC166系列單片機是英飛凌科技(Infineon)的16位微控制器產(chǎn)品，其優(yōu)異的內核結構，高效的指令集，以及不斷擴充更新的產(chǎn)品線(xiàn)，使其廣泛應用于汽車(chē)電子、工業(yè)控制和信息技術(shù)領(lǐng)域。該系列單片機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，并可與各種設備組成通訊網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，該系列單片機適應于惡劣的工業(yè)環(huán)境，工作溫度可在-40～125°C。[6>針對我們所設計的手持操作器的功能，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機。這樣只需附加極少的外圍硬件，就可以實(shí)現所需的功能，同時(shí)，使該遙控器具有工作性能穩定和易于進(jìn)行功能擴展的優(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定的格式編碼后通過(guò)串口以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送。

　　手持操作器由電池供電，XC166系列單片機及無(wú)線(xiàn)數傳模塊可以滿(mǎn)足低功耗的要求。

　　4.數據可靠性

　　無(wú)線(xiàn)遙控操作系統必須保證數據傳輸的高可靠性和控制的安全性，避免發(fā)生失控和錯誤控制指令現象，本系統主要通過(guò)以下幾方面來(lái)保證：

　　無(wú)線(xiàn)數傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率，高效前向糾錯信道編碼技術(shù);

　　串行通訊協(xié)議校驗，一般采用奇偶校驗;

　　軟件協(xié)議校驗;通過(guò)軟件編程，對發(fā)送的數據進(jìn)行校驗，可采用CRC校驗、交互確認或多次發(fā)送對比的方式。在我們的程序中采用同一動(dòng)作指令重復發(fā)送的方式，只有命令指令與確認指令完全相同，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)生的錯誤指令;

　　PLC的“軟件看門(mén)狗”;在PLC程序中設置定時(shí)程序，當超時(shí)未收到無(wú)線(xiàn)指令時(shí)，停止機械手動(dòng)作，防止由于通訊中斷而使機械手失控;

　　通過(guò)以上四個(gè)措施，可以有效地保證無(wú)線(xiàn)遙控的可靠性，防止產(chǎn)生錯誤操作指令或機械手失控。

　　5.結論

　　通過(guò)試驗證明，這種采用PLC和無(wú)線(xiàn)數傳模塊的遙控方式簡(jiǎn)單可行，由于PLC及數傳模塊都有成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，可靠性高，成本低，擴展性好，因此本方案具有較高的實(shí)用價(jià)值，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。但手持操作器中的單片機模塊尚需進(jìn)一步的工業(yè)化設計，以達到更高的工業(yè)可靠性要求，并實(shí)現總線(xiàn)通信、自檢驗等更多功能。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)設計一種新的架構體系，利用工業(yè)化的無(wú)線(xiàn)數傳模塊，將PLC控制與無(wú)線(xiàn)遙控結合起來(lái)，使機械手控制系統能夠兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，降低了成本、滿(mǎn)足了控制系統穩定性、兼容性及無(wú)線(xiàn)控制的要求。