基于可編程控制器的工業(yè)機(jī)械手無(wú)線遙控系統(tǒng)

　　在布線方便的情況下，按鈕操作及搖桿操作的開(kāi)關(guān)及比例信號(hào)可通過(guò)電纜直接輸入到PLC的數(shù)字量及模擬量輸入模塊。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件編程極為簡(jiǎn)化。但在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，布線受到諸多限制，尤其是對(duì)于移動(dòng)型設(shè)備，采用有線控制方式人員操作不夠方便靈活。由于我們研制的機(jī)械手需要在軌道上長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，且操作距離較遠(yuǎn)，因此必須采用無(wú)線遙控操作的方式。為此我們采用無(wú)線數(shù)傳模塊作為通信模塊，并設(shè)計(jì)了基于16位單片機(jī)的手持式操作器，改進(jìn)后的遙控型機(jī)械手控制系統(tǒng)總體功能框圖如圖2所示。無(wú)線數(shù)傳模塊成對(duì)使用，在手持操作器端和機(jī)械手本體上的控制系統(tǒng)端各有一塊，分別完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送及接收功能。在控制系統(tǒng)需要的時(shí)候，也可以雙向收發(fā)，即同一端的數(shù)傳模塊在數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能中切換。此時(shí)需要注意，數(shù)傳模塊的發(fā)送與接收功能的切換需要一定的時(shí)間。

　　手持操作器根據(jù)操作員對(duì)按鈕及搖桿的不同操作，通過(guò)IO口及AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集，采集后的信息進(jìn)行數(shù)字編碼后形成指令，以ASCII碼的形式通過(guò)串口發(fā)送到無(wú)線數(shù)傳模塊，無(wú)線數(shù)傳模塊再將指令以無(wú)線方式發(fā)出;機(jī)械手上的控制系統(tǒng)的數(shù)傳模塊接收到發(fā)送來(lái)的指令編碼后通過(guò)串口總線傳送至PLC，PLC對(duì)指令編碼進(jìn)行解碼，分解出不同的操作指令，然后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，根據(jù)不同的指令得到不同的需要執(zhí)行的動(dòng)作，再通過(guò)數(shù)字輸出和模擬輸出控制相應(yīng)的繼電器或閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)程無(wú)線操作。通過(guò)信號(hào)電纜連接到PLC的按鈕操作輸入及搖桿操作輸入保留在機(jī)械手本體上，作為備份或檢修使用。同時(shí)，在PLC數(shù)字輸入口和手持操作器上均設(shè)置遙控操作切換按鈕，可以進(jìn)入或退出遙控操作模式。PLC上的按鈕操作應(yīng)具有更高的優(yōu)先級(jí)。

　　由于搖桿操作采集的對(duì)象為搖桿的比例位置狀態(tài)，它采用的是自動(dòng)對(duì)中的設(shè)計(jì)的。因此在控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上，采用循環(huán)發(fā)送指令的方式。即進(jìn)入無(wú)線控制狀態(tài)后，手持操作器就定時(shí)地將采集到的狀態(tài)發(fā)送出來(lái)，而不管此時(shí)有沒(méi)有操作人員的操作輸入。

圖2遙控型機(jī)械手控制系統(tǒng)功能框圖

　　2.通信模式選擇

　　無(wú)線數(shù)傳模塊一般具備三種接口模式：TTL電平UART接口，可直接與單片機(jī)或其它芯片的串口管腳相連;標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口;標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口。其中232接口模式與485接口模式通過(guò)跳線進(jìn)行切換。西門(mén)子的S7-200系列PLC具備一個(gè)或兩個(gè)RS-485標(biāo)準(zhǔn)的接口，因此可以采用后兩種方式，將PLC直接與無(wú)線數(shù)傳模塊的485接口相連;或者利用與PLC相配的PC/PPI電纜將PLC的485接口轉(zhuǎn)換為232接口后，再與無(wú)線數(shù)傳模塊的232接口相連。

　　S7-200系列PLC的通訊端口支持多種通訊協(xié)議，此處可以采用的有兩種。一種是西門(mén)子的PPI主-從協(xié)議，利用這種協(xié)議主站可以直接對(duì)從站，即控制系統(tǒng)中的PLC，發(fā)出指令，控制從站的各端口及功能。這種方式PLC的編程簡(jiǎn)單，不需要對(duì)原有從站程序進(jìn)行修改。但是PPI協(xié)議不是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)議，在文獻(xiàn)[4>中提到了一種通過(guò)串口偵聽(tīng)獲取PPI協(xié)議從而利用主站編程控制從站的方式。另外一種通訊模式是自由口模式，利用自定義的PLC程序控制S7-200CPU的通訊端口，使用用戶自己定義的通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)與外界的通訊。這種模式支持ASCII和二進(jìn)制協(xié)議。自由口模式使用簡(jiǎn)單、靈活，但需要對(duì)PLC進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的編程。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無(wú)線遙控">無(wú)線遙控所需數(shù)據(jù)量不大，通過(guò)比較，選擇了自由口通訊模式，以ASCII碼的形式在手持操作器和PLC之間傳遞命令和反饋信息。在PLC內(nèi)編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的無(wú)線控制程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信及對(duì)機(jī)械手的控制。

　　無(wú)線數(shù)傳模塊的功能僅為實(shí)現(xiàn)PLC與手持操作器的無(wú)線通信功能，對(duì)于PLC與手持操作器中CPU而言，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊的無(wú)線通信與通過(guò)串行端口直接相連的有線通信兩種方式，在編程上是沒(méi)有任何差別的。

　　單片機(jī)與無(wú)線數(shù)傳模塊的通信接口則可以選擇三種接口模式中的任一種，既可以采用簡(jiǎn)單的直接相連;為提高穩(wěn)定性，也可以采用232或485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后再與數(shù)傳模塊相連。為保持更好的可擴(kuò)展性，我們選擇了RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。