【導(dǎo)讀】清淤機(jī)器人的控制程序設(shè)計......

　　

【正文】 口行程開關(guān)時，接收到左行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號，清淤機(jī)器人停止。因為將行程開關(guān)安裝在工作管道的對面管口處，所以不用停車延時，使載體電機(jī)和收放電機(jī)直接停止工作。此時，報警器開始報警。調(diào)節(jié)電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到調(diào)節(jié)裝置回到原位，調(diào)節(jié)電機(jī)停止。 5. 如果需要急停時，按下急停按鈕，四臺電機(jī)全部停止。 PLC 的選型和通信 PLC 的選型 在 工程設(shè)計選型和估算時應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的控制要求，明確控制任務(wù)和范圍，確定所需的操作和動作；然后，根據(jù)控制要求估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、確定 PLC的功能、外部設(shè)備的選擇等；最后，設(shè)計選擇有較高性能價格比的 PLC和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 25 首先確定系統(tǒng)用 PLC是單機(jī)控制還是用 PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計算 PLC的輸入輸出點數(shù)，并且在選購 PLC時要在實際需要點數(shù)的基礎(chǔ)上有一定的余量（ 10%）。然后列出被控對象輸入輸出的設(shè)備名稱，并根據(jù)所帶的輸入輸出點數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。在統(tǒng)計時，應(yīng)考慮為了控制的要求而增加的一些開關(guān)、按鈕或 報警的信號，例如，增加總的供電開關(guān)、為手動需要而增加的手動自動開關(guān)、為聯(lián)鎖需要設(shè)置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關(guān)等。 80點以內(nèi)的系統(tǒng)選用不需擴(kuò)展模塊的 PLC單機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)較大時，就需擴(kuò)展。不同公司的產(chǎn)品，對系統(tǒng)總點數(shù)及擴(kuò)展模塊的數(shù)量都有限制。當(dāng)擴(kuò)展不能滿足要求時，可采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時，在一些廠家產(chǎn)品的個別指令不支持?jǐn)U展模塊，因此，在進(jìn)行軟件編制時要注意。 在 S7200系列 PLC中，一臺 PLC中只有兩個高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個 PWM脈沖輸出來控制三臺步進(jìn)電機(jī)和一臺直流電機(jī)，因此必須選兩個 PLC才能進(jìn)行控制。 根據(jù)實際的 I/O點數(shù)，選用 CPU226控制 M M2， CPU224控制 MM4。 由于選擇了兩臺 PLC，所以就必須進(jìn)行兩臺 PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。 兩臺 PLC 之間的網(wǎng)絡(luò)通信 S7200 系列 PLC 具有很強的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，它可以通過內(nèi)部集成的通訊口以多種方式與現(xiàn)場設(shè)備相連，組成不同的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場控制任務(wù)。 S7200 系列 PLC 支持多種通訊協(xié)議，包括點對點接口（ PointtoPoint Interface， PPI）、多點接口（ MultiPoint Interface， MPI） 、現(xiàn)場總線 PROFIBLS 和自由口（ Freeport） 方式。 1. PPI 通訊協(xié)議 PPI 協(xié)議是 S7200PLC 專用的一 個協(xié)議。 PPI 是一個主 /從協(xié)議，任這個協(xié)議中，主站（ PLC、編程器或操作單元）給從站（網(wǎng)絡(luò)中的所有 PLC 都可作為從站）發(fā)出申請，從站進(jìn)行響應(yīng)、從站不初始化信息，但是當(dāng)主站發(fā)出申請或查詢時，從站才響應(yīng)。在一個網(wǎng)絡(luò)中可以有 127 個地址，其中最多有 32 個主站。在編程時，用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令 NETR 和 NETW 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。如果需要遠(yuǎn)程的編程或監(jiān)控，可以利用調(diào)制解調(diào)器來進(jìn)行通訊。 2. MPI 通訊協(xié)議 MPI 協(xié)議可以是主 /主協(xié)議或主 /從協(xié)議，協(xié)議如何操作取決于設(shè)備類型。 MPI 協(xié)議可以在兩個相互通信的設(shè)備之間建立連接。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 26 3. ROFIBUS 協(xié)議 ROFIBUS 協(xié)議設(shè)計用于分布式 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。 ROFIBUS 上可以連接的設(shè)備包括從簡單的輸入或輸出設(shè)備到變頻調(diào)速器和可編程序控制。 S7200 系列 PLC 可以通過內(nèi)部集成或擴(kuò)展的通訊接口連接到ROFIBUS 上，從而與一個大型的控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。利用小型 PLC 控制的分散性，降低集中控制的危險程度。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用價值。 4. Freeport 通訊 Freeport 通訊方式是一種用戶自定義的協(xié)議，可以通過用戶程序控制 S7200 系列 PLC 的通訊口。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)。該方式使得 S7200 系列 PLC 可以與任何具有通訊能力、并且協(xié)議公開的設(shè)備相通訊。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，以及實現(xiàn) PLC 與上位機(jī)通訊、連接調(diào)制解調(diào)器等。 這次設(shè)計中，使用 PPI通訊協(xié)議。 CPU226為主站， CPU224為從站，當(dāng)主站CPU226發(fā)出申請或查詢時，從站 CPU224才響應(yīng)。兩臺 PLC用 PPI電纜連接起來，用網(wǎng)絡(luò)讀（ NETR）和網(wǎng)絡(luò)寫（ NETW）指令來實現(xiàn)他們之間的通信。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。 I/O 端點的確定和分配 輸入輸出點數(shù)（ I/O 點數(shù)），指可編程序控制器外部輸人輸出端子數(shù)，這是PLC 的一項非常重要的技術(shù)指標(biāo)，常用 I/O 點數(shù)來表征 PLC 的規(guī)模大小。 輸入 /輸出接口是 PLC 主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接電路。為了提高抗干擾能力，一般輸入 、輸出接口均有光電隔離電路，即由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器。 來自現(xiàn)場的檢測元件、指令元件的信號經(jīng)輸人接口進(jìn)入 PLC。檢測元件是指傳感器、按鈕、寄存器觸點、行程開關(guān)等，利用這些元件檢測來自現(xiàn)場的溫度、壓力、位置、電流、電壓等物理量即檢測元件信號；指令元件信號是指操作者在控制臺或鍵盤上發(fā)出的信號，如啟動、暫停、調(diào)整等。這些信號有的是開關(guān)量，有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號，所以要根據(jù)輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 27 由 PLC 發(fā)出的各種控制信號經(jīng)輸出接口去控制和驅(qū)動負(fù)載，如控制指示燈的 亮滅、電磁閥的開閉、繼電器線圈的通電和斷電、電動機(jī)的啟動、停止和正反轉(zhuǎn)等等?？刂曝?fù)載的輸出信號也有不同的形式，同樣要選擇合適的輸出接口。 根據(jù)現(xiàn)場執(zhí)行部件的不同需要，輸出接口的放大環(huán)節(jié)分為繼電器型、晶閘管型和晶體管型三種類型：繼電器型輸出接口為有觸點輸出，外加負(fù)載電源既可以是交流，也可以是直流，響應(yīng)時間為 ms 量級；晶閘管型接口只能帶交流負(fù)載，響應(yīng)時間為 181。s 量級；晶體管型接口只能帶直流負(fù)載，響應(yīng)時間最短，為 ns 量級。 根據(jù)總體控制方案以及傳感器的應(yīng)用， I/O端口的分配如下： 表 5 CPU224 I/O 端口 序號 地址 信號名稱 注釋 1 啟動 按鈕 2 手動返回 按鈕 3 急停 按鈕 4 到下一井口 限位開關(guān) 5 回到原井口 限位開關(guān) 6 光電編碼器 1（調(diào)節(jié)電機(jī)） “ 1”有效 7 回到原井口 限位開關(guān) 8 M3的 PWM控制 “ 1”有效 9 M4的 PWM控制 “ 1”有效 10 M3的方向控制 “ 1”有效 11 M4的方向控制 “ 1”有效 12 載體打滑報警 “ 1”有效 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 28 表 6 CPU226 I/O 端口 序號 地址 信號名稱 注釋 1 光電編碼器 4（載體從動輪） “ 1”有效 2 光電編碼器 2（載體從動輪） “ 1”有效 3 啟動 按鈕 4 手動返回 按鈕 5 光電編碼器 3（刀具電機(jī)） “ 1”有效 6 急停 按鈕 7 到下一井口 限位開關(guān) 8 回到原井口 限位開關(guān) 9 調(diào)速方式選擇（有鈣化物） 按鈕 10 調(diào)速方式選 擇（無鈣化物） 按鈕 11 M1的 PWM控制 “ 1”有效 12 M2的 PWM控制 “ 1”有效 13 M1的方向控制 “ 1”有效 14 M2的方向控制 “ 1”有效 15 M1過載報警 “ 1”有效 16 M2過載報警 “ 1”有效 17 010米遇障位置顯示 “ 1”有效 18 1020米遇障位置顯示 “ 1”有效 19 2030米遇障位置顯示 “ 1”有效 20 3040米遇障位置顯示 “ 1”有效 22 4050米遇障位置顯示 “ 1”有效 23 到達(dá)原井口報警 “ 1”有效 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 29 表 7 所用 輔助觸點 序號 地址 信號名稱 注釋 1 載體打滑 “ 1”有效 2 M1 過載 “ 1”有效 3 M2 過載 “ 1”有效 4 遇大障礙 “ 1”有效 5 壓緊裝置到極限位置 “ 1”有效 6 壓緊裝置回到原位置 “ 1”有效 電機(jī)和驅(qū)動器的連接 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)的連接 電機(jī)相間電壓是 3 325VAC，電機(jī)電纜最長為 50 米，電纜橫截面不小于 平方毫米，電纜的屏蔽層一定要與電機(jī)的殼體和驅(qū)動器殼體連接，驅(qū)動器地和電機(jī)地與它們各自的殼體是相連的，連接驅(qū)動器和電機(jī)間的動力線和所有地線均靠螺釘來固定，這些線的兩端要用金屬套管套好，然后用螺釘固定，三根輸出線電機(jī)的接線圖如下： 驅(qū)動器電機(jī)電機(jī)地橙色白色藍(lán)色紅色綠色黃色驅(qū)動器電機(jī)地電機(jī)端 圖 19 驅(qū)動器和電機(jī)間的連線圖 電源電壓是 220VAC 輸入時，最大電流是 3A。 電源線橫截面≥ 平方毫米，盡量短。驅(qū)動器的 L 端和 N 端接供電電源，同時要串接一個 保險絲。 直流電機(jī) 驅(qū)動器和電機(jī)的連接 直流電機(jī)只有正負(fù)極兩個端點，它的連接相對比較簡單，直接和驅(qū)動器的兩個輸出端相連就滿足要求了。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 30 PLC 和電機(jī)驅(qū)動器的連接 在第二章已經(jīng)講了直流電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的應(yīng)用，而且這兩種驅(qū)動器的應(yīng)用非常類似，都是有兩個主要輸入端，分別是 PWM（脈寬調(diào)制）端口和 DIR（方向控制）端口。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 。 清淤機(jī)器人的控制程序設(shè)計 編程的語言 PLC 的程序結(jié)構(gòu)為典型的塊式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軟件的形成只需要編輯這個過程。其余由系統(tǒng)軟件自動完成。利用編程器的按鍵、顯示和內(nèi)部編輯、監(jiān)控等軟件的支持，可使 PLC 程序的調(diào)試變得容易。因此，一般 PLC 編程語言的主要特點有：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。 1. 梯形圖語言（ LAD） 梯形圖語言采用的圖形與實際的繼電接觸器控制系統(tǒng)的控制線路圖相似，簡單的 PLC 邏輯控制系統(tǒng)的梯形圖與有觸點的電氣原理圖幾乎沒有差別。它沿用了繼電器、觸點、串并聯(lián)等術(shù)語和 類似的圖形符號，具有很強的直觀性和形象感。梯形圖是融邏輯操作、控制于一體，面向?qū)ο蟮摹崟r的、圖形化的編程語言。梯形圖信號流向清楚、簡單、直觀、易懂，很適合電氣工程人員使用。 2. 語句表語言（ STL） PLC 的語句表語言和梯形圖語言是一一對應(yīng)的，它采用助記符來表示，一般由操作碼和操作數(shù)組成。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)。它類似于計算機(jī)的匯編語言，但比匯編語言直觀易懂，編程簡單，因此也是應(yīng)用很廣泛的一種編程語言。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，互為補充。 3. 功能塊圖（ FBD） 功能塊圖類似于普通邏輯功能圖，它沿用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯框圖的表達(dá)方式。一般用一種功能方框表示一種特定的功能，框圖內(nèi)的符號表達(dá)了該功能框圖的功能。功能塊圖是圖形化的高級編程語言。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 31 連接起來，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。它還具有基本邏輯功能、計時和計數(shù)功能、運算和比較功能和數(shù)據(jù)傳送功能等。這種塊圖通常有若干個輸入端和若干個輸出端。輸入端是功能塊圖的條件，輸出端是功能塊圖的運算結(jié)果。 在這次設(shè)計中，所有程序都是用 STEP7Micro/win32 的軟件平臺完成的。STEP7Micro/win32，默認(rèn)的編程語言是梯形圖語言，程序編制完成 后能自動轉(zhuǎn)化成語句表語言。 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。每個梯形圖網(wǎng)絡(luò)是由一個或多個梯級組成。功能塊圖（ FBD）中，使用網(wǎng)絡(luò)概念給程序分段。語句表（ STL）程序中，使用“ NETWORK”這個關(guān)鍵詞對程序分段。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現(xiàn)它們之間的相互轉(zhuǎn)換。 2. 梯形圖（ LAD） / 功能塊圖（ FBD） 梯形圖中左、右垂 直線稱為左、右母線。 STEP7Micro/win32 梯形圖編輯器在繪圖時，通常將右母線省略。在左、右母線之間是由觸點、線圈或功能框組合的有序排列。梯形圖的輸入總是在圖形的左邊，輸出總是在圖形的右邊，因而觸點與左母線相連，線圈或功能框終止右母線，從而構(gòu)成一個梯級。在一個梯級中，左、右母線之間是一個完整的“電路”，不允許“短路”、“開路”，也不允許“能流”反向流動。 3.