PLC的漿液下移動機器人控制系統(tǒng)

　　目前，在移動機器人控制技術(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。本文研究的機器人(小車)工作在大約40 m深的漿液下，為防止水煤漿由于長時間的存貯而沉淀，在按照規(guī)劃的軌跡移動時完成攪拌水煤漿功能。基于超聲波傳感器和電子羅盤的實時測量位姿信息，查模糊控制表，控制電機，使機器人能及時、連續(xù)、平穩(wěn)、按規(guī)劃軌跡運行。采用西門子S7-200系列PLC作為主控制器來實現(xiàn)對漿液下移動機器人的控制。

　　1 控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

　　在移動機器人的應(yīng)用中，精確的位姿是跟蹤控制首要解決的問題。為此，本機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。整個控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

　　圖1 機器人控制網(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RS-485總線同各個從站進行數(shù)據(jù)傳遞。PLC把各個從站得到的信息經(jīng)過加工處理后，得到最終的控制命令傳給電機，控制機器人進行準(zhǔn)確的行走。TD200可對PLC的參數(shù)進行實時的修改，達到實時控制的需要。

　　1號單片機、2號單片機、3號單片機記錄發(fā)射超聲波信號在介質(zhì)中的傳播時間，乘以超聲波的傳播速度，可以計算出相應(yīng)的距離，通過定位算法便可對機器人進行定位。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超聲波的速度進行修正。電子羅盤可獲得小車的姿態(tài)，實現(xiàn)小車的導(dǎo)航。

　　操作員通過無線通信的方式達到對機器人的無線控制。無線控制是對有線控制的一種輔助措施，使機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，機器人出現(xiàn)意外情況，通過定位系統(tǒng)測量發(fā)現(xiàn)機器人偏離規(guī)劃軌道，此時，利用無線控制可使機器人及時回到規(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，如點到點接口(PPI)、多點接口(MPI)、PROFIBUS及用戶自定義協(xié)議等。

　　通過使用接收中斷、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，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，才能使用自由端口模式。通過向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，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總線具有信號傳輸速率快、傳輸距離更遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，其接口可以有多個驅(qū)動器和接收器，很容易實現(xiàn)PLC與多臺智能設(shè)備之間的通信。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)

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

　　PLC是主站，1號單片機、2號單片機、3號單片機、無線通信模塊、溫度傳感器、電子羅盤都作為從站，地址依次是3lH，32H，33H，34H，35H，36H。當(dāng)各從站都沒有出現(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，建立起的地址輪詢表是3lH，32H，33H，34H，35H，36H。主站按照這個地址輪詢表所建立起的地址同各從站進行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)某一個從站出現(xiàn)故障，如2號單片機同主站不能進行通信，建立起的地址輪詢表是31H，3H，34H，35H，36H。主站按照這個地址輪詢表同各從站進行數(shù)據(jù)通信，并及時報警要求查找故障。但是這時并不影響對小車的控制，因為通過1號單片機、3號單片機仍然能對小車進行定位，僅僅是定位的精度不十分精確。整個控制過程沒有間斷而是連續(xù)的進行。

　　我們可以根據(jù)報警信息，查出有故障的單片機。當(dāng)查好后我們可以通過TD200或無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 電機控制

　　西門子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，用來驅(qū)動負載實現(xiàn)精確控制。PLC主機最多可提供2個高速脈沖輸出端，即Q0.0或Q0.1。每個高速脈沖發(fā)生器對應(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控制電機中通過脈沖輸出指令(PLS)檢查為脈沖輸出(Q0.0或Q0.1)設(shè)置的特殊存貯器位(SM)，然后啟動由特殊存儲器位定義的脈沖操作。脈沖由Q0.0或Q0.1輸出控制電機。

　　如何控制電機，使小車能及時以直線、曲線、停止的方式進行運行，且運行過程連續(xù)、平穩(wěn)，避免小車出現(xiàn)異常行為，如突然的大轉(zhuǎn)彎、急剎車等，是我們必須要解決的一個重要問題。因此，小車的啟動、每步控制之間的過渡、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 電機控制