摘 要：針對多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手的比例和開關(guān)控制，以PLC作為其控制器，通過無線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控操作。手持操作器采用16位單片機(jī)，對檢測到的按鈕和搖桿操作進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼后通過無線的方式發(fā)送至PLC，PLC對其解碼后獲得指令實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制。該方案成本低，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。 關(guān)鍵詞：無線遙控; 無線數(shù)傳模塊; PLC; 機(jī)械手 0.前言 　　可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種適用性強(qiáng)的工業(yè)用控制器，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)線，移動機(jī)械設(shè)備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場合。其工作性能穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用簡便。根據(jù)不同的模塊配置，可以進(jìn)行邏輯及算數(shù)運(yùn)算，對數(shù)字開關(guān)量、模擬量等進(jìn)行控制和采集，同時具有豐富的總線接口形式，可以利用公開的協(xié)議與不同設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。在我們所研制的工業(yè)機(jī)械手中，各關(guān)節(jié)由比例閥或開關(guān)閥構(gòu)成開環(huán)液壓控制回路，實(shí)現(xiàn)比例調(diào)速或開關(guān)動作，因此我們選用了西門子的S7-200系列PLC作為其控制器。[1][2] 　　在一些環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合，尤其是對于移動機(jī)械設(shè)備，控制系統(tǒng)的布線受到諸多限制，操作人員與控制系統(tǒng)的位置安排不方便。因此，具有高度靈活性的無線遙控操作系統(tǒng)的應(yīng)用得到了推廣。目前工業(yè)上應(yīng)用的無線遙控操作系統(tǒng)一般采用無線電數(shù)字傳輸方式。一些芯片廠商如Infineon、Micrel、RF Monolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應(yīng)于不同場合和要求的RF芯片[3]。 　　無線數(shù)傳模塊是一種集成式的專用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)的模塊，可直接通過數(shù)據(jù)總線與其它控制、采集等模塊連接完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控、遙測，無線抄表，自動化數(shù)據(jù)采集等場合。具有可靠性高，功耗低，協(xié)議透明使用方便等優(yōu)點(diǎn)。傳輸距離可以達(dá)到幾十至上百米，有些甚至可以到上千米的距離。目前很多廠商推出了工業(yè)化、系列化的產(chǎn)品，可以根據(jù)不同的使用場合和要求選擇合適的產(chǎn)品。 　　目前一些廠家推出了專用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無線遙控器，其性能優(yōu)異，集成度高。如HBC、JAY等，應(yīng)用于混凝土泵車、裝載機(jī)等場合。但由于其一般針對專用工程設(shè)備，不具有較好的通用性及可擴(kuò)展性，且主要是國外廠家，價格高昂，其應(yīng)用推廣受到限制。 　　在我們研制的多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手中，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關(guān)節(jié)液壓閥的開關(guān)及比例控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的基本功能。采用無線數(shù)傳模塊通過無線通信方式收發(fā)數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控功能，所設(shè)計的手持遙控器的輸入開關(guān)量及模擬量由16位單片機(jī)采集并編碼輸出。 1.總體方案 　　該機(jī)械手用于巷道內(nèi)進(jìn)行混凝土噴漿作業(yè)，有自動和手動操作兩種模式。自動模式下，PLC控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)按程序預(yù)定的軌跡運(yùn)動，調(diào)整機(jī)械手末端的方位與角度，使噴漿噴頭按設(shè)定軌跡運(yùn)動，且始終垂直于受噴的巷道面，完成巷道表面的噴漿作業(yè)。手動模式下，由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開關(guān)閥和比例閥進(jìn)行控制，驅(qū)動各關(guān)節(jié)運(yùn)動，控制混凝土噴頭的方位及角度。其中按鈕控制泵站的啟停及開關(guān)閥的方向切換，比例搖桿則根據(jù)操作人員的控制，形成一個±10V范圍內(nèi)的模擬量，比例閥根據(jù)模擬量的大小及方向，控制關(guān)節(jié)運(yùn)動速度的大小及方向。其控制系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 機(jī)械手控制系統(tǒng)功能框圖 Fig1 Block diagram of the control system of the arm[/align] 　　在布線方便的情況下，按鈕操作及搖桿操作的開關(guān)及比例信號可通過電纜直接輸入到PLC的數(shù)字量及模擬量輸入模塊。這種方式結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件編程極為簡化。但在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場中，布線受到諸多限制，尤其是對于移動型設(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距離運(yùn)動，且操作距離較遠(yuǎn)，因此必須采用無線遙控操作的方式。為此我們采用無線數(shù)傳模塊作為通信模塊，并設(shè)計了基于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。無線數(shù)傳模塊成對使用，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)的無線發(fā)送及接收功能。在控制系統(tǒng)需要的時候，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間。 　　手持操作器根據(jù)操作員對按鈕及搖桿的不同操作，通過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碼的形式通過串口發(fā)送到無線數(shù)傳模塊，無線數(shù)傳模塊再將指令以無線方式發(fā)出;機(jī)械手上的控制系統(tǒng)的數(shù)傳模塊接收到發(fā)送來的指令編碼后通過串口總線傳送至PLC，PLC對指令編碼進(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)行的動作，再通過數(shù)字輸出和模擬輸出控制相應(yīng)的繼電器或閥動作，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手各關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)程無線操作。通過信號電纜連接到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，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。 　　由于搖桿操作采集的對象為搖桿的比例位置狀態(tài)，它采用的是自動對中的設(shè)計的。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)入無線控制狀態(tài)后，手持操作器就定時地將采集到的狀態(tài)發(fā)送出來，而不管此時有沒有操作人員的操作輸入。 [align=center] 圖2 遙控型機(jī)械手控制系統(tǒng)功能框圖 Fig2 Block diagram of the remote control system of the arm[/align] 2.通信模式選擇 　　無線數(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接口模式通過跳線進(jìn)行切換。西門子的S7-200系列PLC具備一個或兩個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。一種是西門子的PPI主-從協(xié)議，利用這種協(xié)議主站可以直接對從站，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的編程簡單，不需要對原有從站程序進(jìn)行修改。但是PPI協(xié)議不是一個公開的協(xié)議，在文獻(xiàn)[4]中提到了一種通過串口偵聽獲取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S7-200 CPU的通訊端口，使用用戶自己定義的通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)與外界的通訊。這種模式支持ASCII和二進(jìn)制協(xié)議。自由口模式使用簡單、靈活，但需要對PLC進(jìn)行專門的編程。因?yàn)闊o線遙控所需數(shù)據(jù)量不大，通過比較，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)編寫了專門的無線控制程序，實(shí)現(xiàn)無線控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信及對機(jī)械手的控制。 　　無線數(shù)傳模塊的功能僅為實(shí)現(xiàn)PLC與手持操作器的無線通信功能，對于PLC與手持操作器中CPU而言，通過無線數(shù)傳模塊的無線通信與通過串行端口直接相連的有線通信兩種方式，在編程上是沒有任何差別的。 　　單片機(jī)與無線數(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)。 3.手持操作器的設(shè)計 　　手持操作器的功能為通過處理器的數(shù)字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行編碼后形成控制指令，通過無線數(shù)傳模塊發(fā)出。 　　XC166系列單片機(jī)是英飛凌科技（Infineon）的16 位微控制器產(chǎn)品，其優(yōu)異的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的指令集，以及不斷擴(kuò)充更新的產(chǎn)品線，使其廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制和信息技術(shù)領(lǐng)域。該系列單片機(jī)具有豐富的接口模式，如14通道10位AD變換器，同步/異步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模塊，79個IO引腳等，并可與各種設(shè)備組成通訊網(wǎng)絡(luò)。同時，該系列單片機(jī)適應(yīng)于惡劣的工業(yè)環(huán)境，工作溫度可在-40～125°C。[6]針對我們所設(shè)計的手持操作器的功能，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機(jī)。這樣只需附加極少的外圍硬件，就可以實(shí)現(xiàn)所需的功能，同時，使該遙控器具有工作性能穩(wěn)定和易于進(jìn)行功能擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。 　　手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能，即采集搖桿操作產(chǎn)生的比例控制電壓;數(shù)字IO功能，即采集按鈕操作狀態(tài)和進(jìn)行一些功能狀態(tài)顯示;通訊功能，即定時地將采集到的控制指令按規(guī)定的格式編碼后通過串口以無線的方式發(fā)送。 　　手持操作器由電池供電，XC166系列單片機(jī)及無線數(shù)傳模塊可以滿足低功耗的要求。 4.數(shù)據(jù)可靠性 　　無線遙控操作系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院涂刂频陌踩?，避免發(fā)生失控和錯誤控制指令現(xiàn)象，本系統(tǒng)主要通過以下幾方面來保證： 　　無線數(shù)傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率，高效前向糾錯信道編碼技術(shù); 　　串行通訊協(xié)議校驗(yàn)，一般采用奇偶校驗(yàn); 　　軟件協(xié)議校驗(yàn);通過軟件編程，對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，可采用CRC校驗(yàn)、交互確認(rèn)或多次發(fā)送對比的方式。在我們的程序中采用同一動作指令重復(fù)發(fā)送的方式，只有命令指令與確認(rèn)指令完全相同，PLC才接受指令，否則忽略此指令。這樣就完全避免了通信所產(chǎn)生的錯誤指令; 　　PLC的“軟件看門狗”;在PLC程序中設(shè)置定時程序，當(dāng)超時未收到無線指令時，停止機(jī)械手動作，防止由于通訊中斷而使機(jī)械手失控; 　　通過以上四個措施，可以有效地保證無線遙控的可靠性，防止產(chǎn)生錯誤操作指令或機(jī)械手失控。 5.結(jié)論 　　通過試驗(yàn)證明，這種采用PLC和無線數(shù)傳模塊的遙控方式簡單可行，由于PLC及數(shù)傳模塊都有成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，可靠性高，成本低，擴(kuò)展性好，因此本方案具有較高的實(shí)用價值，簡化了設(shè)計過程。但手持操作器中的單片機(jī)模塊尚需進(jìn)一步的工業(yè)化設(shè)計，以達(dá)到更高的工業(yè)可靠性要求，并實(shí)現(xiàn)總線通信、自檢驗(yàn)等更多功能。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過設(shè)計一種新的架構(gòu)體系，利用工業(yè)化的無線數(shù)傳模塊，將PLC控制與無線遙控結(jié)合起來，使機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，降低了成本、滿足了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、兼容性及無線控制的要求。 參考文獻(xiàn) 　　[1] SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊[M]. 北京：西門子（中國）有限公司. 2004.6 　　[2] 熊幸明等. 一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制[J]. 微計算機(jī)信息. 2006（11-1）: P.120-122 　　[3] 李朝青等. 無線發(fā)送/接收IC芯片及其數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2003.5 　　[4] 彭魏臻. PPI協(xié)議分析[J]. 化工自動化及儀表. 2006（4）: P.47-50 　　[5] 郭世鋼. PLC的人機(jī)接口與編程[J]. 微計算機(jī)信息. 2006（7-1）: P.42-44 　　[6] 程軍. 億恒（西門子）C166系列16位單片機(jī)原理與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2001.12 　　作者簡介：高波（1975.6-），男，漢族，山東，工學(xué)博士，專業(yè)為機(jī)械電子工程，1995.7-2005.12就讀于北京航空航天大學(xué)，2005.12至山東科技大學(xué)機(jī)器人中心工作，現(xiàn)從事地下工程機(jī)器人研究