基于可編程控制器工業(yè)機(jī)械手無線遙控系統(tǒng)

　　0.前言

　　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，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。

　　1.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)，有自動和手動操作兩種模式。自動模式下，PLC控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)按程序預(yù)定的軌跡運(yùn)動，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，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)動各關(guān)節(jié)運(yùn)動，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±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)動速度的大小及方向。其控制系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1機(jī)械手控制系統(tǒng)功能框圖

　　3.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IO引腳等，并可與各種設(shè)備組成通訊網(wǎng)絡(luò)。同時，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，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。

　　4.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)生的錯誤指令;

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

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