【正文】 gramming technology, including PLC and the driver’s selection, step motor and the driver’s connection and the control program and so on. The clear silt robot development’s significance lies in: May realize the cleanup drainage channel。 stepping motor。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。因此，對清淤機(jī)器人的控制就是用控制器直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其控制器現(xiàn)在大多采用技術(shù)比較成熟的 PLC和單片機(jī)，特別是 PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制。設(shè)計(jì)要求利用 S7200PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其中包括：步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)器的選擇；步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器的連接； PLC對步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)方向、速度控制，從而可以實(shí)現(xiàn)對排水管道清淤機(jī)器人前進(jìn) /返回控制，變速控制，以提高清淤機(jī)器人的工作效率。如美國、丹麥、日本、韓國等諸多國家均有管道清洗機(jī)器人系列產(chǎn)品。國外相繼開展研制了多種類型的管內(nèi)檢測移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人可作管內(nèi)裂紋探測 ， 適用管徑 50mm， 行走速度 0～。縱觀國外管道清洗機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)大同小異，性能水平也沒太大的差別： 1. 大多采用輪式或雙履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，管道適應(yīng)性并不強(qiáng)； 2. 配有高速旋轉(zhuǎn)的清掃機(jī)構(gòu)，用來把管內(nèi)的灰塵打落、清除。 四川工業(yè)學(xué)院著重研究了 PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制。在一個(gè)采樣周期內(nèi) ， PLC速度控制程序需處理以下工作以調(diào)節(jié)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行；用定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間；調(diào)用高速計(jì)數(shù)指令采樣電機(jī)位置信號(hào)；調(diào)用除法程序求電機(jī)速度；設(shè)置值和實(shí)測值做減法求偏差值；調(diào)用比例積分微分（ PID）子程序?qū)ζ钸M(jìn)行控制調(diào)節(jié)；通過寫 PWM指令控制字調(diào)節(jié)PWM輸出占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 目前， 主要采用的管道清淤方法是水力清淤法和機(jī)械清淤法。因此，研究唐山的排水管道結(jié)構(gòu)和管道清淤方式具有很重要的意義。 目前主要用兩種設(shè)備：一個(gè)是管道高壓清洗車，另一個(gè)是管道吸污車。 按下啟動(dòng)按鈕， M1正轉(zhuǎn)， M4反轉(zhuǎn)， M2延時(shí)后正轉(zhuǎn)；載體打滑時(shí)， M3正轉(zhuǎn)，直到不打滑時(shí) M3停止，若壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)到極限位置還打滑，則 M3停止，則按下手動(dòng)返回按鈕返回；若電機(jī)過載時(shí)，則按下手動(dòng)返回按鈕返回；遇大障礙時(shí)，則按下手動(dòng)返回按鈕返回；若需要急停時(shí)，則按下急停按鈕；若到達(dá)下一井口，行程開關(guān)動(dòng)作，載體返回。由于管道機(jī)器人是在野外管線內(nèi)部作業(yè) ， 環(huán)境惡劣 ， 不允許出現(xiàn)在管內(nèi)失控的重大事故，因此除了對機(jī)器人的能源動(dòng)力系統(tǒng)等強(qiáng)電部分提出了嚴(yán)格要求外 ， 還對機(jī)器人的控制單元提出了極高的運(yùn)行可靠性要求 ， 以保證控制單元不受環(huán)境、強(qiáng)電及射線等干擾 ， 在有效的控制策略下起到持續(xù)監(jiān)控作 用 ； 另外管道機(jī)器人在作業(yè)過程中主要處理一些開關(guān)量 ， 對控制器的處理時(shí)間要求不高 ， 所以選用了可編程邏輯控制器 （ PLC） 作為管道機(jī)器人的控制器。全部采用整體式結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有豐富的指令集，只有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有豐富的功能擴(kuò)展模塊，在各行各業(yè)中的應(yīng)用迅速得到推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制器。 1. S7200CPU 模塊 S7200CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元（ CPU）、電源以及數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。 4）通信端口允許將 S7200CPU 同編程器 或其他 — 些設(shè)備連接起來。 8）一些 CPU 具有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其他 CPU 則需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 9 1）模塊數(shù) 量。 7 個(gè)模塊中最多能有兩個(gè)智能擴(kuò)展模塊（ EM 277ProfibusDP 模塊）。一個(gè)特殊模塊可能不能全部尋址 8 個(gè)點(diǎn)，例如， CPU224 有 10 個(gè)輸出點(diǎn)，但它占用邏輯輸出區(qū)的 16 全點(diǎn)地址。 CPU224 和 CPU226 為 32 輸入和 32 輸出 4） 5V 電源供電。 2）模擬量擴(kuò)展模塊 模擬量擴(kuò)展模塊提供了模擬量輸入 /輸出的功能，直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12 位的分辨率和多種輸入 /輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如， EM235 模塊可直接與 PT100 熱電阻相連。 IN 是所要傳送的數(shù) 據(jù)輸入端。每個(gè)定時(shí)器均有一個(gè) 16 位當(dāng)前值寄存器及一個(gè) 1 位的狀態(tài)位（反映其觸點(diǎn) 的狀態(tài)）。當(dāng)使能輸入端 IN 接通時(shí)，定時(shí)器立即接通，并把當(dāng) 前值設(shè)為 0，當(dāng)使能輸入端斷開時(shí)定時(shí)器開始定時(shí)，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間。 3. 脈沖輸出指令 其梯形圖表示如下： 圖 8 脈沖輸出指令 IN TONR PT IN TOF PT PLS EN ENO 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 13 對于 S7200 系列的 CPU，如果 CPU 模塊上的輸出類型為 DC 型（晶體管輸出），那么在其 和 上可以產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可調(diào)的波形，頻率可以達(dá)到 20kHz。這些值全部存儲(chǔ)在特殊存儲(chǔ)器中，一旦這些特殊存儲(chǔ)器的位被置成所需操作，可以通過執(zhí)行脈沖輸出指令（ PLS）來調(diào)用這些操作。s，周期值保存在（ SMW68 或 SMW78）中，周期的變化范圍是 50181。 PWM 操作實(shí)例：將 設(shè)置成 PWM 輸出，其周期值為 1000ms，脈寬值為300ms。 NETR 指令可以從遠(yuǎn)程站 點(diǎn)上讀 16 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。通俗地講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)動(dòng)一步。 從電機(jī)元件本身來看只要在各相繞組內(nèi)輪流通電，就能產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)外加脈沖信號(hào)時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與脈沖信號(hào)相對應(yīng)，也就是說作同步的旋轉(zhuǎn)。也就是說，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的 總位移量則取決于總的脈沖信號(hào)；誤差不長期積累。在多數(shù)情況下，可以代替直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 大家知道，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。這 里只對電子變換器即驅(qū)動(dòng)電源作介紹。功率放大器的主要功用是根據(jù)電機(jī)或負(fù)載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號(hào)進(jìn)行放大。其中，步進(jìn)電機(jī)為 德國百格拉公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電氣性能基本相同。 3）電路板采取三防處理，有過熱、過壓、欠壓、過流及相間短路保護(hù)功能。 7）比同樣尺寸的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大 20%左右。 11）電機(jī)上下電時(shí)，輸出軸位置不變，給工作帶來很大方便。 CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC， 10mA≤ I≤ 200mA，電阻性負(fù)載。 下面為脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖： 3A 3B 3Astepright leftPU LE S ：DI R ：2 2 1脈寬定義：脈寬和脈沖間隔 2 . 5 u s ；占 空 比：可選用任意占空比的脈沖；輸入信號(hào)：采用光耦隔離；切換時(shí)間：轉(zhuǎn)動(dòng)方向的切換時(shí)間 0 u s ；1Hold tim e 2 . 5 u s2 Se tu p ti me 0u s3A M in im um p ul se w id th 2. 5u s3B M in im um p ul se p au se 2. 5u s 圖 15 脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖 5. 控制信號(hào)連接 上位機(jī)的控制信號(hào)可以高電平有效，也可以低電平有效。 下表中列出了控制信號(hào)高有效和低有效時(shí)的接線方式。 LMD18200 的 5 腳為 PWM 波輸入端，通過改變 PWM 的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變 3 腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 3腳 ： 方向輸入端。剎車時(shí) ， 將該腳置邏輯高電平 ， 并將 PWM信號(hào)輸入端 （ 腳 5） 置邏輯高電平 ， 腳 3的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用器件。 此時(shí) ， 每個(gè)輸出端只有很小的電流 （ 1. 5mA） 。 8腳 ： 電流取樣輸出端 ， 提供電流取樣信號(hào)。 2） 電源電壓 55V。 6） 芯片過熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷。使用單極性 工作方式，在單極性這種工作方式中 ， PWM脈沖信號(hào)接在 LMD18200的 PWM端 ， 而方向信號(hào)接在 DIR端 ， PWM端脈沖信號(hào)的占空比決定電機(jī)轉(zhuǎn)速 ， 而 DIR端的電平高低決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。該端最高電壓 12V。 3） 限流 LMD18200內(nèi)部含有限流保護(hù)電路。由于短路將產(chǎn)生大量熱量 ， 因此 ， 實(shí)際 使用時(shí) ， LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器 。利用內(nèi)部 300kHz的振蕩器對內(nèi)部自舉電容充電可獲得 14V電壓 ， 該驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間為 20ns， 可保證器件的開關(guān)頻率達(dá)1kHz； 開關(guān)頻率更高時(shí) ， 可采用外部自舉電容 ， 并由 DMOS管對該自舉電容充電 ，H橋輸出端與自舉端接入 10nF外部電容 ， 可提供上升時(shí)間達(dá) 100ns的驅(qū)動(dòng)電壓 ， 從而保證開關(guān)頻率達(dá)到 500kHz。 2. 清淤機(jī)器人在工作過程中，通過高速計(jì)數(shù)指令完成載體打滑、電機(jī)過載、遇大障及工作位置輸出的檢測。 4. 當(dāng)清污機(jī)到達(dá)左井口行程開關(guān)時(shí)，接收到左行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，清淤機(jī)器人停止。 5. 如果需要急停時(shí)，按下急停按鈕，四臺(tái)電機(jī)全部停止。在統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮為了控制的要求而增加的一些開關(guān)、按鈕或 報(bào)警的信號(hào)，例如，增加總的供電開關(guān)、為手動(dòng)需要而增加的手動(dòng)自動(dòng)開關(guān)、為聯(lián)鎖需要設(shè)置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關(guān)等。 在 S7200系列 PLC中，一臺(tái) PLC中只有兩個(gè)高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個(gè) PWM脈沖輸出來控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)，因此必須選兩個(gè) PLC才能進(jìn)行控制。 S7200 系列 PLC 支持多種通訊協(xié)議，包括點(diǎn)對點(diǎn)接口（ PointtoPoint Interface， PPI）、多點(diǎn)接口（ MultiPoint Interface， MPI） 、現(xiàn)場總線 PROFIBLS 和自由口（ Freeport） 方式。在編程時(shí)，用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令 NETR 和 NETW 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 3. ROFIBUS 協(xié)議 ROFIBUS 協(xié)議設(shè)計(jì)用于分布式 I/O 設(shè)備的高速通訊，它是目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線協(xié)議。提高系統(tǒng)的處理能力和安 全性，這對于大型的控制系統(tǒng)和控制對象相對分散的情況很有實(shí)用價(jià)值。利用自由口模式，可以連接多種智能設(shè)備，如打印機(jī)、變頻器、條碼閱讀器等，以及實(shí)現(xiàn) PLC 與上位機(jī)通訊、連接調(diào)制解調(diào)器等。網(wǎng)絡(luò)讀寫指令的應(yīng)用詳見前面 S7200指令介紹，通信程序見程序清單。 來自現(xiàn)場的檢測元件、指令元件的信號(hào)經(jīng)輸人接口進(jìn)入 PLC?？刂曝?fù)載的輸出信號(hào)也有不同的形式，同樣要選擇合適的輸出接口。 電源線橫截面≥ 平方毫米，盡量短。由于 PWM 端口要接收高速脈沖，所以它必須接到 PLC 的 或 上， DIR 端口分別接到 或 。因此，一般 PLC 編程語言的主要特點(diǎn)有：圖形化指令結(jié)構(gòu)；明確的變量和常數(shù)；簡化的程序結(jié)構(gòu)；應(yīng)用軟件形成過程簡便；程序調(diào)試容易等。梯形圖信號(hào)流向清楚、簡單、直觀、易懂，很適合電氣工程人員使用。這種編程語言可使用簡單編程器編程，但比較抽象，一般與梯形圖語言配合使 用，互為補(bǔ)充。通過軟連接的方法把所需的功能塊圖3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 連接起來，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。 在這次設(shè)計(jì)中，所有程序都是用 STEP7Micro/win32 的軟件平臺(tái)完成的。功能塊圖（ FBD）中，使用網(wǎng)絡(luò)概念給程序分段。 STEP7Micro/win32 梯形圖編輯器在繪圖時(shí)，通常將右母線省略。 3. 允許輸。梯形圖的輸入總是在圖形的左邊，輸出總是在圖形的右邊，因而觸點(diǎn)與左母線相連，線圈或功能框終止右母線，從而構(gòu)成一個(gè)梯級(jí)。對梯形圖、功能塊圖、語句表程序分段后，就可通過編程軟件實(shí)現(xiàn)它們之間的相互轉(zhuǎn)換。 編程的一般規(guī)約 1. 網(wǎng)絡(luò) 在梯形圖（ LAD）中，程序被分成稱為網(wǎng)絡(luò)的一些程序段。這種塊圖通常有若干個(gè)輸入端和若干個(gè)輸出端。一般用一種功能方框表示一種特定的功能，框圖內(nèi)的符號(hào)表達(dá)了該功能框圖的功能。操作碼表示的是指令需要完成的操作功能，操作數(shù)為變量或常數(shù)。它沿用了繼電器、觸點(diǎn)、串并聯(lián)等術(shù)語和 類似的圖形符號(hào)，具有很強(qiáng)的直觀性和形象感。其余由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。 直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連接 直流電機(jī)只有正負(fù)極兩個(gè)端點(diǎn)，它的連接相對比較簡單，直接和驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)輸出端相連就滿足要求了。s 量級(jí)；晶體管型接口只能帶直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間最短，為 ns 量級(jí)。這些信號(hào)有的是開關(guān)量，有的是模擬量，有的是直流信號(hào)，有的是交流信號(hào)，所以要根據(jù)輸入信號(hào)的類型選擇合適的輸入接口。 輸入 /輸出接口是 PLC 主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接電路。 CPU226為主站， CPU224為從站，當(dāng)主站CPU226發(fā)出申請或查詢時(shí)，從站 CPU224才響應(yīng)。在 Freeport 方式下，通訊口的協(xié)議由外設(shè)決定， PLC 通過程序來適應(yīng)外設(shè)。 S7200 系列 PLC 可以通過內(nèi)部集成或擴(kuò)展的通訊接口連