可編程序邏輯控制器(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(chǎng)合。其工作性能穩(wěn)定,可擴(kuò)展性強(qiáng),應(yīng)用簡(jiǎn)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(duì)數(shù)字開(kāi)關(guān)量、模擬量等進(jìn)行控制和采集,同時(shí)具有豐富的總線接口形式,可以利用公開(kāi)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(kāi)關(guān)閥構(gòu)成開(kāi)環(huán)液壓控制回路,實(shí)現(xiàn)比例調(diào)速或開(kāi)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(chǎng)合,尤其是對(duì)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(wú)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(wú)線遙控操作系統(tǒng)一般采用無(wú)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(chǎng)合和要求的RF芯片[3》。
無(wú)線數(shù)傳模塊是一種集成式的專用于無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的模塊,可直接通過(guò)數(shù)據(jù)總線與其它控制、采集等模塊連接完成無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控、遙測(cè),無(wú)線抄表,自動(dòng)化數(shù)據(jù)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(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(chǎng)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(wú)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(chǎng)合。但由于其一般針對(duì)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(guó)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(duì)液壓泵站和各關(guān)節(jié)液壓閥的開(kāi)關(guān)及比例控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的基本功能。采用無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)無(wú)線通信方式收發(fā)數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控功能,所設(shè)計(jì)的手持遙控器的輸入開(kāi)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(duì)開(kāi)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(kāi)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(guò)處理器的數(shù)字IO及AD功能檢測(cè)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(guò)無(wú)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(duì)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(guò)串口以無(wú)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(wú)線數(shù)傳模塊可以滿足低功耗的要求。
數(shù)據(jù)可靠性
無(wú)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裕苊獍l(fā)生失控和錯(cuò)誤控制指令現(xiàn)象,本系統(tǒng)主要通過(guò)以下幾方面來(lái)保證:
無(wú)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(guò)軟件編程,對(duì)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(duì)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(wú)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(guò)以上四個(gè)措施,可以有效地保證無(wú)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(guò)試驗(yàn)證明,這種采用PLC和無(wú)線數(shù)傳模塊的遙控方式簡(jiǎn)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)一種新的架構(gòu)體系,利用工業(yè)化的無(wú)線數(shù)傳模塊,將PLC控制與無(wú)線遙控結(jié)合起來(lái),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(wú)線控制的要求。
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