【正文】 ULSE與 CW， DIR與 CCW對(duì)應(yīng)同一個(gè)接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。當(dāng)高有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的負(fù)端連在一起作為信號(hào)地，低有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的正端連在一起作為信號(hào)公共端。 “ ”為控制方式選擇開關(guān)，兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)兩種控制方式。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 20 表 3 控制信號(hào)接線方式 控制方式 高電 平有效接線 低電平有效接線 ON 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) PULSE+接正轉(zhuǎn)信號(hào) DIR+接反轉(zhuǎn)信號(hào) PULSE與 DIR短接為信號(hào)地 PULSE接正轉(zhuǎn)信號(hào) DIR接反轉(zhuǎn)信號(hào) PULSE+與 DIR+短接為公共端 OFF 脈沖和方向 PULSE+接脈沖信號(hào) DIR+接方向信號(hào) PULSE與 DIR短接為信號(hào)地 PULSE接脈沖信號(hào) DIR接方向信號(hào) PULSE+與 DIR+短接為公共端 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇 美國國家半導(dǎo)體公司 的 LMD18200。此種芯片瞬間驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，無 “shotthrough” 電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)的測(cè)量電路，只需要在 LMD18200 的 8 腳輸出端測(cè)出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。此電 路和以上幾種驅(qū)動(dòng)電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠。 10腳 ： H橋輸出端。轉(zhuǎn)向時(shí) ， 輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表 3， 該腳控制輸出 1與輸出 2 （ 腳 10） 之間電流的方向 ， 從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。剎車時(shí) ， 輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表 4， 通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎 車。 3腳為邏輯高電平時(shí) ， H橋中兩個(gè)高端晶體管導(dǎo)通。腳 4置邏輯高電平 ， 腳 5置邏輯低電平時(shí) ， H橋中所有晶體管關(guān)斷 。 5腳 ： PWM信號(hào)輸入端。 7腳 ： 電源正端與負(fù)端。 9腳 ： 溫度報(bào)警輸出。 表 4 邏輯真值表 PWM 轉(zhuǎn)向 剎車 實(shí)際輸出電流 H H L 流出 1，流入 2 H L L 流入 1，流出 2 L —— L 流出 1，流出 2 H H H 流出 1，流出 2 H L H 流入 1，流入 2 L —— H NONE 2. LMD18200主要特點(diǎn) 1） 額定電流 3A， 峰值電流 6A。 3） 功率晶體管導(dǎo)通電阻 RDS為 0. 38。 5） 內(nèi)含防橋臂單側(cè)直通電路。 7） 內(nèi)部的充電泵電路提供橋路上臂兩管的柵極電壓。在雙極性工作方式中 ， 單個(gè)的 PWM信號(hào)接入 LMD18200的DIR端子 ， 由 PWM信號(hào)的占空比大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速 ， 當(dāng)占空比為 50%時(shí) ，UAB電壓的平均值為零 ， 電機(jī)靜止 ； 當(dāng)占空比為 75%時(shí) ， UAB平均值大于零 ， 電機(jī)正轉(zhuǎn) ； 當(dāng)占空比為 25%時(shí) ， UAB的平均值小于零 ， 電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果控制器能提供 PWM和 DIR信號(hào) ， 則使驅(qū)動(dòng)器工作在單極性方式 ， 這樣構(gòu)成的系統(tǒng)為全數(shù)字式 ， 避免了模擬電壓的溫漂和噪聲干擾等不利影響 。接在 8腳與地之間的電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào) ， 該電壓幅值在 58V之間時(shí) ， 線性度與精度最佳。電流取樣電路并不檢測(cè)反饋電流 ， 僅檢測(cè)橋臂上端晶體管中的電流。該端最高電壓為 12V。該電路檢測(cè)器件中的電流 ， 該電流接近 10A時(shí) ， 迅速關(guān)斷功率器件。一旦外界短路故障消失 ， 器件就能夠恢復(fù)正常運(yùn)行。 同時(shí) ， 為了散熱 ， 芯片電源端 VCC（ 腳 6） 在 PCB板上需要 1平方英寸的銅箔。采用內(nèi)部充電泵電路可獲取該電壓。 圖 18 內(nèi)部充電泵電路 /自舉電路 5） 內(nèi)部續(xù)流二極管 H橋中四個(gè) DMOS管都有續(xù)流（保護(hù)）二極管 ， 高端續(xù)流二極管流過 6A的反向電流時(shí) ， 反向恢復(fù)時(shí)間為 70ns， 反向恢復(fù)電流為 1A。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 清淤機(jī)器人的控制過程 根 據(jù)唐山市排水管道的實(shí)際情況及前面的分析，確定 PLC 控制清淤機(jī)器人的過程如下： 1. 按下啟動(dòng)按鈕，載體電機(jī)正轉(zhuǎn)、收放電機(jī)反 轉(zhuǎn)和刀具電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，延時(shí) 2S后刀具電機(jī)開始啟動(dòng)。因?yàn)榍逵贆C(jī)器人在工作過程中可能會(huì)打滑或電機(jī)過載，會(huì)使載體速度變慢；遇到障礙或者出現(xiàn)故障，載體停止，如果有工作位置的顯示，工作人員可以很方便的查出出現(xiàn)障礙的位置和清淤機(jī)器人出現(xiàn)故障的位置，方便及時(shí)處理問題。 3. 清淤 機(jī)器人到達(dá)右井口行程開關(guān)時(shí)或按下手動(dòng)返回按鈕， PLC 接收到右行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，使刀具電機(jī)停止，載體電機(jī)反轉(zhuǎn)、收放線電機(jī)正轉(zhuǎn)使清淤機(jī)器人返回。因?yàn)閷⑿谐涕_關(guān)安裝在工作管道的對(duì)面管口處，所以不用停車延時(shí)，使載體電機(jī)和收放電機(jī)直接停止工作。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。 PLC 的選型和通信 PLC 的選型 在 工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)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(dòng)作；然后，根據(jù)控制要求估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器的容量、確定 PLC的功能、外部設(shè)備的選擇等；最后，設(shè)計(jì)選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。然后列出被控對(duì)象輸入輸出的設(shè)備名稱，并根據(jù)所帶的輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 80點(diǎn)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(shí)，就需擴(kuò)展。當(dāng)擴(kuò)展不能滿足要求時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在一些廠家產(chǎn)品的個(gè)別指令不支持?jǐn)U展模塊，因此，在進(jìn)行軟件編制時(shí)要注意。 根據(jù)實(shí)際的 I/O點(diǎn)數(shù)，選用 CPU226控制 M M2， CPU224控制 MM4。 兩臺(tái) PLC 之間的網(wǎng)絡(luò)通信 S7200 系列 PLC 具有很強(qiáng)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(chǎng)設(shè)備相連，組成不同的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。 1. PPI 通訊協(xié)議 PPI 協(xié)議是 S7200PLC 專用的一 個(gè)協(xié)議。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有 127 個(gè)地址，其中最多有 32 個(gè)主站。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。 MPI 協(xié)議可以在兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間建立連接。 ROFIBUS 上可以連接的設(shè)備包括從簡(jiǎn)單的輸入或輸出設(shè)備到變頻調(diào)速器和可編程序控制。利用小型 PLC 控制的分散性，降低集中控制的危險(xiǎn)程度。 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。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。 這次設(shè)計(jì)中，使用 PPI通訊協(xié)議。兩臺(tái) 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(shí)現(xiàn)他們之間的通信。 I/O 端點(diǎn)的確定和分配 輸入輸出點(diǎn)數(shù)（ I/O 點(diǎn)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(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，常用 I/O 點(diǎn)數(shù)來表征 PLC 的規(guī)模大小。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。檢測(cè)元件是指?jìng)鞲衅?、按鈕、寄存器觸點(diǎn)、行程開關(guān)等，利用這些元件檢測(cè)來自現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、位置、電流、電壓等物理量即檢測(cè)元件信號(hào)；指令元件信號(hào)是指操作者在控制臺(tái)或鍵盤上發(fā)出的信號(hào)，如啟動(dòng)、暫停、調(diào)整等。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 由 PLC 發(fā)出的各種控制信號(hào)經(jīng)輸出接口去控制和驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)等等。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(shí)間為 ms 量級(jí)；晶閘管型接口只能帶交流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間為 181。 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(hào) 地址 信號(hào)名稱 注釋 1 啟動(dòng) 按鈕 2 手動(dòng)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(bào)警 “ 1”有效 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 表 6 CPU226 I/O 端口 序號(hào) 地址 信號(hào)名稱 注釋 1 光電編碼器 4（載體從動(dòng)輪） “ 1”有效 2 光電編碼器 2（載體從動(dòng)輪） “ 1”有效 3 啟動(dòng) 按鈕 4 手動(dòng)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(bào)警 “ 1”有效 16 M2過載報(bào)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(bào)警 “ 1”有效 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 表 7 所用 輔助觸點(diǎn) 序號(hào) 地址 信號(hào)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(dòng)器的連接 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)器殼體連接，驅(qū)動(dòng)器地和電機(jī)地與它們各自的殼體是相連的，連接驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)間的動(dòng)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(dòng)器電機(jī)電機(jī)地橙色白色藍(lán)色紅色綠色黃色驅(qū)動(dòng)器電機(jī)地電機(jī)端 圖 19 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)間的連線圖 電源電壓是 220VAC 輸入時(shí)，最大電流是 3A。驅(qū)動(dòng)器的 L 端和 N 端接供電電源，同時(shí)要串接一個(gè) 保險(xiǎn)絲。 3 基于 PLC 的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 PLC 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接 在第二章已經(jīng)講了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，而且這兩種驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用非常類似，都是有兩個(gè)主要輸入端，分別是 PWM（脈寬調(diào)制）端口和 DIR（方向控制）端口。 清淤機(jī)器人的控制程序設(shè)計(jì) 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(gè)過程。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。 1. 梯形圖語言（ LAD） 梯形圖語言采用的圖形與實(shí)際的繼電接觸器控制系統(tǒng)的控制線路圖相似，簡(jiǎn)單的 PLC 邏輯控制系統(tǒng)的梯形圖與有觸點(diǎn)的電氣原理圖幾乎沒有差別。梯形圖是融邏輯操作、控制于一體，面向?qū)ο蟮摹?shí)時(shí)的、圖形化的編程語言。 2. 語句表語言（ STL） PLC 的語句表語言和梯形圖語言是一一對(duì)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。它類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，但比匯編語言直觀易懂，編程簡(jiǎn)單，因此也是應(yīng)用很廣泛的一種編程語言。 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。功能塊圖是圖形化的高級(jí)編程語言。它還具有基本邏輯功能、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能、運(yùn)算和比較功能和數(shù)據(jù)傳送功能等。輸入端是功能塊圖的條件，輸出端是功能塊圖的運(yùn)算結(jié)果。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(dòng)轉(zhuǎn)化成語句表語言。每個(gè)梯形圖網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)或多個(gè)梯級(jí)組成。語句表（ STL）程序中，使用“ NETWORK”這個(gè)關(guān)鍵詞對(duì)程序分段。 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。在左、右母線之間是由觸點(diǎn)、線圈或功能框組合的有序排列。在一個(gè)梯級(jí)中，左、右母線之間是一個(gè)完整的“電路”，不允許“短路”、“開路”，也不允許“能流”反向流