基于可编程控制器工业机械手无线遥控系统

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0.前言　　可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1>[2>
　　在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3>。
　　无线数传模块是一种集成式的专用于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有可靠性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。
　　目前一些厂家推出了专用的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对专用工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。
　　在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。
　　1.总体方案
　　该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向。其控制系统功能框图如图1所示。
　　

　　图1机械手控制系统功能框图

0.前言

　　可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1>[2>
　　在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3>。
　　无线数传模块是一种集成式的专用于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有可靠性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。
　　目前一些厂家推出了专用的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对专用工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。
　　在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。
　　1.总体方案
　　该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向。其控制系统功能框图如图1所示。
　　

　　图1机械手控制系统功能框图

3.手持操作器的设计

　　手持操作器的功能为通过处理器的数字IO及AD功能检测按钮及摇杆上的操作输入，并将转换后的数字信号进行编码后形成控制指令，通过无线数传模块发出。

　　XC166系列单片机是英飞凌科技(Infineon)的16位微控制器产品，其优异的内核结构，高效的指令集，以及不断扩充更新的产品线，使其广泛应用于汽车电子、工业控制和信息技术领域。该系列单片机具有丰富的接口模式，如14通道10位AD变换器，同步/异步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模块，79个IO引脚等，并可与各种设备组成通讯网络。同时，该系列单片机适应于恶劣的工业环境，工作温度可在-40～125°C。[6>针对我们所设计的手持操作器的功能，我们选择了XC166系列中的XC164CS型单片机。这样只需附加极少的外围硬件，就可以实现所需的功能，同时，使该遥控器具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。

　　手持操作器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操作产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操作状态和进行一些功能状态显示;通讯功能，即定时地将采集到的控制指令按规定的格式编码后通过串口以无线的方式发送。

　　手持操作器由电池供电，XC166系列单片机及无线数传模块可以满足低功耗的要求。

　　4.数据可靠性

　　无线遥控操作系统必须保证数据传输的高可靠性和控制的安全性，避免发生失控和错误控制指令现象，本系统主要通过以下几方面来保证：

　　无线数传模块的高抗干扰能力和低误码率，高效前向纠错信道编码技术;

　　串行通讯协议校验，一般采用奇偶校验;

　　软件协议校验;通过软件编程，对发送的数据进行校验，可采用CRC校验、交互确认或多次发送对比的方式。在我们的程序中采用同一动作指令重复发送的方式，只有命令指令与确认指令完全相同，PLC才接受指令，否则忽略此指令。这样就完全避免了通信所产生的错误指令;

　　PLC的“软件看门狗”;在PLC程序中设置定时程序，当超时未收到无线指令时，停止机械手动作，防止由于通讯中断而使机械手失控;

　　通过以上四个措施，可以有效地保证无线遥控的可靠性，防止产生错误操作指令或机械手失控。

5.结论

　　通过试验证明，这种采用PLC和无线数传模块的遥控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的工业化产品，可靠性高，成本低，扩展性好，因此本方案具有较高的实用价值，简化了设计过程。但手持操作器中的单片机模块尚需进一步的工业化设计，以达到更高的工业可靠性要求，并实现总线通信、自检验等更多功能。

　　本文作者创新点：通过设计一种新的架构体系，利用工业化的无线数传模块，将PLC控制与无线遥控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了成本、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求。