關(guān)于某PLC控制的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10779關(guān)于某PLC控制的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 1319121.1PLC選用 141141.2伺服電機(jī)選用 3325311.3伺服驅(qū)動(dòng)器選用 458881.4主要硬件接線(xiàn) 515965第2章爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 8248432.1機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 8153952.2PLC運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì) 8310132.3PLC無(wú)線(xiàn)控制設(shè)計(jì) 12控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)備為PLC，伺服電機(jī)以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其他控制硬件設(shè)備為24V電源、急停開(kāi)關(guān)、渦流檢測(cè)裝置等。1.1PLC選用本次設(shè)計(jì)PLC需要控制4個(gè)伺服電機(jī)，控制方式為脈沖加方向控制，所以應(yīng)具有4個(gè)高速脈沖輸出口，同時(shí)I/O端口要留有余量。西門(mén)子S7-1200PLC，CPU1214CDC/DC/DC有四個(gè)100kHz的高速脈沖輸出，14個(gè)輸入終端和10個(gè)輸出終端可以選擇，控制被控對(duì)象。S7-1200PLC配置軸上的過(guò)程對(duì)象和運(yùn)動(dòng)功能的控制模塊，使用運(yùn)動(dòng)功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，并將輸出脈沖和方向信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)器，收到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)的編碼器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)器向PLC發(fā)送信號(hào)，形成一個(gè)閉環(huán)控制。西門(mén)子S7-1200PLC如圖2.1所示，在它的編程環(huán)境下編寫(xiě)梯形圖的程序，進(jìn)行調(diào)試和模擬仿真，來(lái)完成控制運(yùn)動(dòng)。PLC，也稱(chēng)可編程邏輯控制器，自身帶有微型的處理器，作為常用的數(shù)字電子處理裝備，被用作控制自動(dòng)化的數(shù)字邏輯控制器。CPU控制著各種軟件編程模塊，其中控制指令被加載到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)并執(zhí)行。PLC可用于控制許多機(jī)電系統(tǒng)，它可以接收輸入和傳輸輸出信號(hào)，信號(hào)包括許多類(lèi)型的電氣和電子信號(hào)，可用于控制和監(jiān)測(cè)幾乎任何類(lèi)型的機(jī)械和電氣系統(tǒng)。S7-1200PLC相較于前代版本的PLC，具有優(yōu)勢(shì)如下：1.具備簡(jiǎn)潔的以太網(wǎng)通信功能。電腦和PLC之間的通信通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜變得更加簡(jiǎn)單，可以同時(shí)進(jìn)行下載和監(jiān)控。2.控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯性強(qiáng)并且合理。根據(jù)不同的命令，可以為一種或多種操作數(shù)定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，S7-1200中一個(gè)命令可以等價(jià)于低版本的多個(gè)命令。3.各種硬件、網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)配置設(shè)置都可以通過(guò)完美的圖形和電子表格的方法直觀地表示完成。4.程序編寫(xiě)結(jié)構(gòu)與低版本PLC基本相同?？刂破?、程序結(jié)構(gòu)和編程程序與已取代S7-300/400的S7-1500相兼容。5.無(wú)可挑剔的診斷功能和強(qiáng)大的錯(cuò)誤顯示。診斷緩沖區(qū)和錯(cuò)誤信息讀取命令都可以使用，另外模擬模塊發(fā)生故障的通道可以通過(guò)LED燈來(lái)顯示。圖2.1CPU1214CDC/DC/DC型西門(mén)子S7-1200PLC確定好PLC型號(hào)之后，按照控制的功能要求給控制對(duì)象分配I/O端口，如表2.1所示。輸入端為機(jī)器人控制的一些典型的動(dòng)作，前進(jìn)，后退，加減速和轉(zhuǎn)向等，遇到緊急情況，通過(guò)急停輸入快速停止機(jī)器人。輸出端為PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖與方向的連接，將PLC控制信號(hào)傳至驅(qū)動(dòng)器中，從而控制電機(jī)。圖2.1CPU1214CDC/DC/DC型西門(mén)子S7-1200PLC表2.1I/O分配表輸入信號(hào)PLC對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)輸出信號(hào)PLC對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)啟動(dòng)I0.0軸1脈沖Q0.0前進(jìn)I0.1軸2脈沖Q0.1后退I0.2軸3脈沖Q0.2左轉(zhuǎn)I0.3軸4脈沖Q0.3右轉(zhuǎn)I0.4軸1方向Q0.4加速I(mǎi)0.5軸2方向Q0.5前速I(mǎi)0.6軸3方向Q0.6停止I0.7軸4方向Q0.7急停I1.0復(fù)位I1.11.2伺服電機(jī)選用一個(gè)伺服系統(tǒng)由一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)相關(guān)的伺服驅(qū)動(dòng)器組成。在選擇交流伺服系統(tǒng)時(shí)，最重要的任務(wù)是選擇執(zhí)行器。在選擇伺服電機(jī)時(shí)，最基本要考慮系統(tǒng)所需的扭矩和速度，另外還需要對(duì)電機(jī)的特性以及成本進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)，慎重的思考。伺服電機(jī)選擇的要求如下：1.在運(yùn)行中，軸的負(fù)載扭矩必須小于額定扭矩；2.在運(yùn)行中，施加在電機(jī)軸上的扭矩必須小于最大扭矩；3.慣性矩通常是電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性矩的三倍或者更大；4.電機(jī)有一定的過(guò)載能力，但連續(xù)過(guò)載時(shí)間必須嚴(yán)格保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，否則伺服執(zhí)行器會(huì)過(guò)熱而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的動(dòng)力源，可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是一種動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置。伺服系統(tǒng)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的首選，具備高度的可控性和高效的反應(yīng)能力，交流伺服電機(jī)的顯著特點(diǎn)在于精確的位置控制。在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械參數(shù)為控制對(duì)象被控制，輸出變量能夠隨著輸入量的變化而自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速的改變。為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的功能要求，伺服電機(jī)選用三菱電機(jī)HG-KR053，其低慣量，小容量，符合機(jī)器人的控制功能，額定轉(zhuǎn)速3000r/min、額定輸出容量50W。1.3伺服驅(qū)動(dòng)器選用圖2.2MR-J4-10A對(duì)于三菱系列電機(jī)HG-KR053，選用了與之對(duì)應(yīng)的三菱伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JA-10A，額定輸出100W，額定輸出電流1.1A，如圖2.2所示，其控制方式有位置控制方式，速度控制方式和力矩控制方式三種。圖2.2MR-J4-10A位置控制：在位置控制模式下，外部脈沖輸入的頻率通常決定了速度，脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)角度，但有些驅(qū)動(dòng)器允許通過(guò)通信直接分配速度和行程值。位置模式也支持直接輸入負(fù)載位置信號(hào)的外部回路。目前，電機(jī)編碼器只記錄電機(jī)速度，通過(guò)直接記錄負(fù)載來(lái)返回位置信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少間接驅(qū)動(dòng)過(guò)程的誤差，提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。扭矩控制：在扭矩控制模式下，電機(jī)軸的輸出扭矩由外部模擬輸入或直接地址設(shè)置來(lái)控制，扭矩參考值可以直接通過(guò)改變模擬設(shè)置或通過(guò)數(shù)據(jù)通信改變相應(yīng)的地址值來(lái)改變。扭矩參考值始終與繞組半徑相對(duì)應(yīng)，參考力不隨繞組半徑變化。速度模式：速度模式可以由中央計(jì)算機(jī)上的外部PID控制器控制，但這需要將電機(jī)模式或直接負(fù)載信號(hào)送回中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。本次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人對(duì)精度有一定要求，上位機(jī)控制要有閉環(huán)控制功能，所以經(jīng)過(guò)分析之后，最終采用了位置控制方式。對(duì)于伺服系統(tǒng)的連線(xiàn)，需要查找伺服手冊(cè)，需要遵照以下步驟：1.查看功率回路的接線(xiàn)方式；2.查看電機(jī)與放大器之間的接線(xiàn)方式；3.查看控制回路的接線(xiàn)方式（選擇的是脈沖和方向信號(hào)接線(xiàn)）；4.查看控制信號(hào)內(nèi)部關(guān)系圖，進(jìn)一步了解各信號(hào)之間的關(guān)系；5.查看參數(shù)設(shè)定一覽表，初步確定主要設(shè)定參數(shù)；6.找到主要參數(shù)，進(jìn)一步查看對(duì)應(yīng)的詳細(xì)說(shuō)明；7.接線(xiàn)，通電和調(diào)試。我們都知道，在一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器使用之前，必須要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：1.設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的控制模式，我們需要的是位置控制，設(shè)定PA01=1000，即為位置控制模式；2.對(duì)于伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，我們選擇的是每轉(zhuǎn)脈沖量控制，而伺服驅(qū)動(dòng)器默認(rèn)的是電子齒輪比控制，所以我們?cè)O(shè)計(jì)PA21=1001，將其變?yōu)檫x擇每轉(zhuǎn)脈沖量，本文中每轉(zhuǎn)脈沖量設(shè)置為10000，即PA05，就是電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要10000個(gè)脈沖。3.給驅(qū)動(dòng)器設(shè)定脈沖接收方式，我們選擇的PLC控制方式是脈沖加方向控制，該伺服驅(qū)動(dòng)器默認(rèn)的是雙脈沖接收模式，所以我們?cè)O(shè)定脈沖接收方式為PA13=0101，為脈沖加方向；4.本次設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。爬壁機(jī)器人左轉(zhuǎn)，需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，同理爬壁機(jī)器人右轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。這些動(dòng)作可以通過(guò)PLC程序控制實(shí)現(xiàn)，如果不行，可以手動(dòng)操作伺服驅(qū)動(dòng)器，去改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)定參數(shù)，PA14；5.本次設(shè)計(jì)不需要上下極限位置的設(shè)計(jì)，我們可以設(shè)定參數(shù)PD01=HOC04，也可以短接它們。1.4主要硬件接線(xiàn)圖2.3MR-J4-10ACN1接線(xiàn)本次伺服系統(tǒng)選用位置模式的控制，爬壁機(jī)器人由PLC控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同動(dòng)作下的精度要求。下圖2.3為三菱系列伺服驅(qū)動(dòng)器MR-J4-10A的CN1接線(xiàn)圖，CN1是輸入輸出信號(hào)接頭，它連接數(shù)字輸入輸出信號(hào)。圖2.3MR-J4-10ACN1接線(xiàn)由上圖可知，對(duì)于DICOM和DOCOM，它們?yōu)檩斎胄盘?hào)公共端和輸出信號(hào)公共端，接24V電源。EM2急停接線(xiàn)需要常閉接線(xiàn)，爬壁機(jī)器人發(fā)生緊急情況時(shí)，斷開(kāi)急停開(kāi)關(guān)，保證機(jī)器人的運(yùn)行安全。對(duì)于上極限LSP和下極限LSN，都需要短接，如果LSP端口不接，伺服電機(jī)就不能正轉(zhuǎn)，同理LSN不接，伺服電機(jī)就不能反轉(zhuǎn)。如果想要不接也可以像上文說(shuō)的一樣，在伺服驅(qū)動(dòng)器里的參數(shù)里進(jìn)行設(shè)定，屏蔽掉就好了。在SON接通之后，伺服電機(jī)就會(huì)啟動(dòng)。MR-J4-10A伺服驅(qū)動(dòng)器屬于三菱系列，它與西門(mén)子系列的S7-1200PLC的接線(xiàn)方式采用的是差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的接線(xiàn)，如圖2.4所示，它的電流流向是從PG往PP流的，這種圖2.4差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式方式允許電流往伺服驅(qū)動(dòng)器里流，而西門(mén)子的PLC電流是往外面流的，正好流向PG。圖2.4差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式圖2.5PLC與伺服接線(xiàn)方式圖2.5PLC與伺服接線(xiàn)方式

第2章爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖四輪驅(qū)動(dòng)永磁爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由底層控制器和上位機(jī)組成。底層控制器為西門(mén)子系列PLC，用于進(jìn)行控制，編碼器數(shù)據(jù)釆集和電機(jī)控制等。上位機(jī)使用手機(jī)TCP助手軟件，對(duì)PLC進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。程序編程包括了運(yùn)動(dòng)程序和無(wú)線(xiàn)控制程序。伺服電機(jī)編碼器手機(jī)TCP伺服電機(jī)編碼器手機(jī)TCP助手以太網(wǎng)以太網(wǎng)脈沖+方向無(wú)損渦流檢測(cè)裝置脈沖+方向無(wú)損渦流檢測(cè)裝置西門(mén)子S7-1200PLC伺服驅(qū)動(dòng)器西門(mén)子S7-1200PLC伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)反饋信號(hào)反饋圖3圖3.1爬壁機(jī)器人控制框圖2.2PLC運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)S7-1200PLC使用脈沖加方向的控制方式，控制四個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)位置控制，控制四個(gè)伺服電機(jī)，從而控制四個(gè)輪子。爬壁機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并不會(huì)影響控制程序的質(zhì)量。這表明，整個(gè)項(xiàng)目中最重要的部分之一是PLC程序的編寫(xiě)，因?yàn)樵摮绦蜿P(guān)系到機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。只要在機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)了必要的功能，程序就應(yīng)該簡(jiǎn)單、易懂、設(shè)計(jì)合理。梯形圖是由傳統(tǒng)的繼電器控制方法圖演變而來(lái)，繼承了繼電器控制方法圖的邏輯性、直觀性和清晰的關(guān)系。在進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)常規(guī)要求：1.對(duì)于要被控制的對(duì)象，我們要完整的實(shí)現(xiàn)它的控制功能要求；2.程序在滿(mǎn)足所需要功能的前提下，對(duì)于程序的編寫(xiě)，要盡量使控制簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠；3.控制系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的靈活性，留有空余，以便今后進(jìn)行修改和改進(jìn)。除此之外，一般程序設(shè)計(jì)需要包括以下內(nèi)容：1.初始化程序，它通常在系統(tǒng)開(kāi)啟后進(jìn)行，為系統(tǒng)的啟動(dòng)做準(zhǔn)備，并確保系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)異常運(yùn)行；2.檢測(cè)和故障診斷等程序，系統(tǒng)安全程序是相對(duì)獨(dú)立的，通常在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)加入；3.保護(hù)和連鎖程序，安全和鎖定程序是程序的必要組成部分，以防止控制邏輯被錯(cuò)誤打斷。控制程序采用梯形圖語(yǔ)言來(lái)編程，程序主要包括主程序、子程序、系統(tǒng)功能塊等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制程序應(yīng)充分考慮到各子程序間邏輯關(guān)系以保證機(jī)器人運(yùn)行的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)高效、簡(jiǎn)潔、易讀性強(qiáng)的程序編程。主程序主要包括一些系統(tǒng)參數(shù)初始化、各個(gè)子程序的調(diào)用。由于上位機(jī)通過(guò)通訊無(wú)法改變外部輸入的狀態(tài)，因此在程序中每個(gè)輸入口都要對(duì)應(yīng)一個(gè)中間繼電器，然后上位機(jī)通過(guò)改變中間繼電器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人的控制。圖3.2啟動(dòng)運(yùn)行圖3.2啟動(dòng)運(yùn)行圖3.3啟動(dòng)電機(jī)軸圖3.3啟動(dòng)電機(jī)軸圖3.4爬壁機(jī)器人前進(jìn)圖3.4爬壁機(jī)器人前進(jìn)圖3.5停止電機(jī)圖3.5停止電機(jī)圖3.6電機(jī)急停圖3.6電機(jī)急停圖3.7電機(jī)加速圖3.7電機(jī)加速爬壁機(jī)器人整體上的運(yùn)動(dòng)控制編程大體上完成了功能要求，配套無(wú)損渦流檢測(cè)裝置，可以有效的完成大型壓力容器罐內(nèi)的焊縫檢測(cè)工作。2.3PLC無(wú)線(xiàn)控制設(shè)計(jì)本次無(wú)線(xiàn)控制通信，采用的TCP通信，手機(jī)TCP助手軟件與PLC在同一個(gè)以