管道清淤机器人及控制系统研究毕业论文

河北理工大学毕业论文课题名称：管道清淤机器人及控制系统研究姓 名: 刘 刚 工程领域: 机械工程 所属学院: 机械工程学院 学校导师: 王丰 教授 2006年 6 月 24 日目录摘要Abstract21管道清淤机器人概述31.1 课题综述31.2 国内外管道清淤机器人技术现状31.2.1 国外的技术现状31.2.2 国内的技术现状41.3 本市管道清淤技术现状61.4 管道清淤机器人总体控制方案62 清淤机器人控制系统分析72.1 控制系统控制器的选择72.2 S7-200系列PLC概述72.2.1 S7-200系列PLC简介72.2.2 程序设计中用到的PLC指令112.3 步进电机及其驱动器简介152.3.1 步进电机152.3.2 步进电机驱动电源162.4 电机驱动器的选择172.4.1 步进电机驱动器的选择172.4.2 直流电机驱动器的选择203 基于PLC的清淤机器人控制系统设计243.1 清淤机器人的控制过程243.2 PLC的选型和通信243.2.1 PLC的选型243.2.2 两台PLC之间的网络通信253.3 I/O端点的确定和分配263.4 电机和驱动器的连接293.4.1 步进电机驱动器和电机的连接293.4.2 直流电机驱动器和电机的连接293.5 PLC和电机驱动器的连接303.6 清淤机器人的控制程序设计303.6.1 编程的语言303.6.2 编程的一般规约313.6.3 程序框图的设计323.6.4 控制程序的设计32结 论39致 谢40参考文献41附录A清淤机器人控制清单43摘 要摘要本文主要介绍了清淤机器人目前的发展状况以及通过利用PLC来实现对机器人的运动控制，从而使机器人自主地完成清淤任务。我们到唐山市区管网管理所进行实地考察，那里的工作人员热情地接待了我们，并给我们介绍了排水管道中淤积物的种类、目前城市排水管道的清淤方法以及需要解决的问题。又通过图书馆和网络，查阅有关步进电机控制的学术论文、专利等文献资料。我确定了本次论文的大体内容、研究方案和研究目的：机器人内部有三台电机，地面上有一台电机。PLC通过控制这四台电机来达到控制机器人的目的。本文详细介绍了PLC对电机的方向、速度、电流的控制方法和编程技术，包括PLC和驱动器的选型，步进电机和驱动器的连接和控制程序的编写等。控制程序主要为了实现排水管道清淤机器人前进/返回方向控制、脉冲宽度调制调速。关键词：可编程控制器；步进电机；驱动器AbstractAbstractThe this article main introduction settles silt robots the development condition at present and by using PLC to control the robot it make the robot independently to complete the task.We went to the Tangshan pipe network center for investigation, the staff there warmly has received us, and introduced to us the silting up type in the drainage channel, the present city drainage channel clear silt method and question. Also by the library and the network, I checked some reference related step motor controls.I have determined this paper the content, the research plan and the research goal: The robot interior has three stepping motor, there is a step motor in the ground. PLC controls four motor to controls the robot. This article in detail introduced how PLC control motors direction, speed, electric current and the programming technology, including PLC and the drivers selection, step motor and the drivers connection and the control program and so on.The clear silt robot developments significance lies in: May realize the clean-up drainage channel; Improves working conditions currently dredging the pipeline, reduces workers labor intensity, safeguards workers personal safety, the enhancement drainage channel cleans up. In addition, it also can apply to other related field.KeyWords：programmable controller; stepping motor; driver231 管道清淤机器人概述1管道清淤机器人概述1.1 课题综述目前，城市的给水排水系统是通过地下管道来实现的。但排水管道很容易被一些油或杂物等堵塞，为提高管道的寿命、防止堵塞等事故的发生，因此必须对管道系统经常性的管理养护和对管道进行有效的检测和清通。管道机器人为满足该需要而产生的。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道清淤机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾和传感器检测管道内状况的功能。管道清淤机器人是在机器人技术上发展而来的，其机器人载体采用了常用的轮式行走机构，结构简单而且驱动力大，多选择步进电动机作为原动机。步进电机的控制性能好、精度高，在是一种控制性能非常好的控制电机。因此，对清淤机器人的控制就是用控制器直接对步进电机进行控制，其控制器现在大多采用技术比较成熟的PLC和单片机，特别是PLC对步进电机的控制。PLC控制能力好，抗干扰能力强，其最大的优点是编程语言简单易学，这大大简化了机器人的控制过程。 清淤机器人具体到本课题中就是我们说的“小车”。它是由步进电动机来驱动的，而步进电动机是由PLC来控制的。设计要求利用S7-200PLC对步进电机进行控制，其中包括：步进电机和其驱动器的选择；步进电机与其驱动器的连接；PLC对步进电机和直流电机方向、速度控制，从而可以实现对排水管道清淤机器人前进/返回控制，变速控制，以提高清淤机器人的工作效率。管道清淤机器人研制的根本意义在于：可以实现排水管道的疏通清理工作；改善当前疏通管道时工人的工作环境、降低工人的劳动强度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率。此外，它还能应用到其他相关领域。1.2 国内外管道清淤机器人技术现状1.2.1 国外的技术现状目前，国外的管道清洗机器人已形成产业化。如美国、丹麦、日本、韩国等诸多国家均有管道清洗机器人系列产品。早在1978年法国研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了管内自主行走。该机构由2个行走轮及4个支撑腿组成，腿由电机驱动运动，以适应不同管径的变化。80年代，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管内机器人的研究应用提供了技术保证。国外相继开展研制了多种类型的管内检测移动机器人。东京理科大学福田敏男等研制的可以通过90弯管的管内移动机器人样机，如下图。机器人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机M1通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2驱动头部作姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可作管内裂纹探测，适用管径50mm，行走速度00.48m/min。但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走。图1 管内移动机器人样机管道清淤机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾和传感器检测管道内状况的功能。要实现这些功能，机器人必须拥有的“器官”包括：灵活的移动载体、多种清扫和清洗作业工具、通信系统和操作盒以及一些辅助设备和设施。纵观国外管道清洗机器人，其结构大同小异，性能水平也没太大的差别：1. 大多采用轮式或双履带式移动机构，管道适应性并不强；2. 配有高速旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除。由于管道有矩形管和圆管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷；3. 装有CCD摄像头及照明灯，用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道内部是必不可少的；4. 由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管道外进行操作。1.2.2 国内的技术现状我国在管道清淤机器人的研究应用还比较落后，但也有一些单位在这一领域取得了可喜的进展。哈尔滨工业大学目前已做出了管内机器人实验样机，上海大学、天津大学、成都核物理所和四川工业学院也从事这方面的研究工作。四川工业学院着重研究了PLC对步进电机的控制。PLC对电机控制的实现是以PLC的高速计数功能和脉宽调制方式（PWM）的输出功能为基础的。为实现行走电机速度控制和位置控制，在结构上必须构成一个闭环控制系统，为此采用了光电增量式编码器作为反馈信号传感器。通过PLC的高速计数功能对反馈信号进行数据采集，由PLC的PWM输出控制电机的转速。在一个采样周期内，PLC速度控制程序需处理以下工作以调节电机稳速运行；用定时器设定采样时间；调用高速计数指令采样电机位置信号；调用除法程序求电机速度；设置值和实测值做减法求偏差值；调用比例积分微分（PID）子程序对偏差进行控制调节；通过写PWM指令控制字调节PWM输出占空比调节转速。还有天津大学研究了一种管道机器人，该机器人系统采用模块化的设计思想，主要包括三个组成部分：移动机器人本体模块、收放线装置模块、控制系统模块。本体模块的显著特点是采用积木式变宽结构以满足机器人适用于不同管径的管道作业；收放线装置模块实现电缆收放；控制模块设计两套控制系统：一是手动控制系统，另一是微机控制系统。手动控制系统通过控制面板上的按钮来控制机器人本体的前进、后退、加速、减速、急停，并实时显示机器人本体行进深度等；微机控制系统由插在PC机扩展槽上的自行研制的专用接口卡与控制箱上的计算机接口相连，通过软件实现计算机对机器人系统的控制。目前，主要采用的管道清淤方法是水力清淤法和机械清淤法。水力清淤是利用管中的污水、城市自来水对排水管道进行冲洗，靠高压水流把淤积物冲走。机械清淤法是在管段的首尾两井上各设绞车，如图2，车上系住钢丝绳，用绞车来回拉动清管工具二三次，管内淤泥即可刮下无遗，清除效果好。图2 机械清淤法1.3 本市管道清淤技术现状唐山是北方重要的工业城市，水资源的利用量和排放量都非常大。因此，研究唐山的排水管道结构和管道清淤方式具有很重要的意义。从管网所得到的结果表明：唐山市的排水管道的内径从300-3000mm之间不等，主排水管大多为300-600mm，支管多为300mm。井口直径为640mm，往下直径越来越大，呈锥形。井距一般为50m，两井口间的连接管道有一定的坡度，一般在0.003以上，靠重力实现流动，管道堵塞时多为树枝、棉丝、淤泥、钙化物等，使悬浮物无法靠重力顺流而下。目前主要用两种设备：一个是管道高压清洗车，另一个是管道吸污车。管道高压清洗车有一个高压喷头，它是圆锥状的，圆锥外侧能喷出高压水柱，同时喷头不停的振动，振动的力量相当大，足以清洗掉管道内的一大部分淤积物，然后靠高压水流把淤积物冲走，这种方法非常实用，效果也很好。当淤泥比较多时，采用吸污车直接把淤泥吸出来。1.4 管道清淤机器人总体控制方案管道清淤机器人共使用4台电机：M1为载体步进电机、M2为刀具步进电机、M3为调节压紧步进电机、M4为收放直流减速电机。按下启动按钮，M1正转，M4反转，M2延时后正转；载体打滑时，M3正转，直到不打滑时M3停止，若压紧调节机构到极限位置还打滑，则M3停止，则按下手动返回按钮返回；若电机过载时，则按下手动返回按钮返回；遇大障碍时，则按下手动返回按钮返回；若需要急停时，则按下急停按钮；若到达下一井口，行程开关动作，载体返回。不管手动返回还是自动返回都需调用返回子程序。当调用返回子程序时，M1反转，M4正转，若回到原井口，行程开关动作并报警，M1、M2、M4停止，M3反转，直到压紧力调节机构回到原始位置，M3停止。2 清淤机器人控制系统分析2 清淤机器人控制系统分析2.1 控制系统控制器的选择如前所述，管道清淤机器人是用步进电机驱动的，而步进电机的控制器选择工业上使用最广泛的可编程逻辑控制器（PLC），用PLC控制步进电机是机电一体化的必然趋势。由于管道机器人是在野外管线内部作业，环境恶劣，不允许出现在管内失控的重大事故，因此除了对机器人的能源动力系统等强电部分提出了严格要求外，还对机器人的控制单元提出了极高的运行可靠性要求，以保证控制单元不受环境、强电及射线等干扰，在有效的控制策略下起到持续监控作用；另外管道机器人在作业过程中主要处理一些开关量，对控制器的处理时间要求不高，所以选用了可编程逻辑控制器（PLC）作为管道机器人的控制器。目前PLC生产厂家很多，选择西门子的S7-200PLC系列，这一系列产品能满足多种多样的自动化需求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性能、低廉的价格和强大的指令，使得S7-200PLC可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的PLC类型和电压等级使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。2.2 S7-200系列PLC概述2.2.1 S7-200系列PLC简介S7-200系列是西门子公司投放市场的小型可编程控制器。全部采用整体式结构，它的结构小巧，可靠性高，运行速度快，有丰富的指令集，只有强大的多种集成功能和实时特性，配有丰富的功能扩展模块，在各行各业中的应用迅速得到推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制器。图3为S7-200PLC的外型图。图3 S7-200PLC的外型图S7-200系列PLC既可独立运行，也可扩展相连成网络，能实现复杂控制功能，可提供4个不同的基本型号的8种PLC供选用。一台S7-200 PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块，其主要组成部分如下。1. S7-200CPU模块S7-200CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。1）CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。2）输入和输出是系统的控制点，输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机以及工业过程中的其他设备。3）电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。4）通信端口允许将S7-200CPU同编程器或其他些设备连接起来。5）状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止）、本机I/O的当前状态及检查出的系统错误。6）通过扩展模块可增加CPU的I/O点数（CPU 22l不可扩展）。7）通过扩展模块可提供其通信性能。8）一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡。9）EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中。10）通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。2. 最大I/O配置每种CPU的最大I/O配置须服从以下限制。1）模块数量。 即CPU221不能扩展。CPU222最多两个扩展模块。CPU224和CPU226最多7个扩展模块。7个模块中最多能有两个智能扩展模块（EM 277Profibus-DP模块）。2）数字量映像寄存器大小。每个CPU允许的数字量I/O的逻辑空间为128个输入和128个输出。由于该逻辑空间按8点模块分配，因此有些物理点无法被寻址。一个特殊模块可能不能全部寻址8个点，例如，CPU224有10个输出点，但它占用逻辑输出区的16全点地址。一个4入/4出模块占用逻辑8个输入点和8个输出点。3）模拟量映像寄存器大小，模拟量I/O允许的逻辑空间。即CPU222为16输入和16输出。CPU224和CPU226为32输入和32输出4）5V电源供电。3. 输入/输出I/O扩展模块1）数字量扩展模块数字量扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入输出提供了途径。用户可分别对PLC及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供8个、16个和32个输入/输出点的模块供使用。2）模拟量扩展模块模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如，EM235模块可直接与PT100热电阻相连。其技术性能如下表：表1 S7-200PLC的主要技术性能特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺（mm）908062908062120.580621908062存储器程序2048字2048字2048字2048字用户数据1024字1024字1024字1024字用户存储器类型EEPOMEEPOMEEPOMEEPOM数据后备典型值50小时50小时190小时190小时本机I/O本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量无2个模块7个模块7个模块I/O总计数字量I/O映象区大小（128入/128出）（128入/128出）（128入/128出）（128入/128出）模拟量I/O映象区大小无16入/16出32入/32出32入/32出指令33MHz下布尔指令执行速度0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令I/O映象寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q内部寄存器256256256256计数器/定时器256/256256/256256/256256/256字入/字出无16/1632/3232/32顺序控制继电器256256256256For/Next循环有有有有整数运算有有有有实数运算有有有有附加功能内置高速计数器4H/（20KHz）4H/（20KHz） 6H/W（20KHz）6H/（20KHz）模拟量调节电位器1122脉冲输出2222通信中断1发送器/2接收器1发送器/2接收器1发送器/2接收器2发送器/4接收器定时中断2222硬件输入中断4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器实时时钟有（时钟卡）有（时钟卡）有（内置）有（内置）口令保护有有有有通信通信口数量1（RS-485）1（RS-485）1（RS-485）2（RS-485）PROFIBUS点对点NETR/NETWNETR/NETWNETR/NETWNETR/NETW2.2.2 程序设计中用到的PLC指令1. 传送指令字节、字、双字和实数的传送指令梯形图: MOV-XEN ENOIN OUT图4 传送指令其中，MOV为传送指令符号，X表示数据类型。数据类型有：字节（B）、字（W）、双字（DW）、实数（R）。EN为使能端，即当EN前面的逻辑条件满足时，才能进行数传送。IN是所要传送的数据输入端。OUT是数据传输的输出端。字节、字、双字和实数的传送指令是把输人数据（IN）传送到输出端（OUT），在传送过程中不改变数据的大小。 2. 定时器指令1）接通延时定时器（TON） TxxxIN TONPT 图5 接通延时定时器其中Txxx为定时器编号，IN为定时器使能输入端，PT为定时器的预设值端。每个定时器均有一个16位当前值寄存器及一个1位的状态位（反映其触点的状态）。当使能输人端接通时，接通延时定时器开始计时，当定时器（Txxx）的当前值大于等于预设值时，该定时器的状态位被置1（即触点被接通），但定时器继续计时，一直计到最大值32767，并保持状态位，直到使能输人端断开，清除接通延时定时器的当前值，定时器才复位。 2）有记忆接通延时定时器（TONR） TxxxIN TONRPT 图6 有记忆接通延时定时器对于有记忆接通延时定时器，当使能输入端IN接通时，定时器开始计时，当使能输入端断开时，该定时器保持当前值不变；当位能输入端再接通时，则定时器从原保持值开始再往上加，当定时器的当前值大于等于预设值时，定时器的状态位置1（但定时器继续计时，一直计到最大位32767），以后即使输入端再断开，定时器也不会复位，若要定时器复位必须用复位指令（R）清除其当前值。3）断开延时定时器（TOP） Txxx IN TOFPT 图7 断开延时定时器断开延时定时器（TOF）用来在输入断开延时一段时间后，才断开输出。当使能输入端IN接通时，定时器立即接通，并把当前值设为0，当使能输入端断开时定时器开始定时，直到达到预设的时间。当达到预设时间时，定时器断开输出，并停止计时当前值。当输入断开的时间小于预设时间时，定时器仍保持接通。当IN再接通时，定时器当前值仍设为0。3. 脉冲输出指令其梯形图表示如下：PLSEN ENO Q0.X 图8 脉冲输出指令对于S7-200系列的CPU，如果CPU模块上的输出类型为DC型（晶体管输出），那么在其Q0.0和Q0.1上可以产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，频率可以达到20kHz。当在这两个点使用脉冲输出功能时，它们受PWM发生器控制，而不受输出映像寄存器控制。脉冲宽度调制（PWM）功能提供连续、可变占空比脉冲输出，用户控制周期和脉冲宽度。每个PTO/PWM发生器有一个控制字节（8位）、一个16位无符号的周期值寄存器、一个16位无符号的脉冲宽度值寄存器和一个32位无符号脉冲计数值寄存器。这些值全部存储在特殊存储器中，一旦这些特殊存储器的位被置成所需操作，可以通过执行脉冲输出指令（PLS）来调用这些操作。PLS指令使S7-200读取相应特殊寄存器中的位，并对相应的PWM发生器进行操作。PWM功能提供占空比可调的脉冲输出。其周期和脉宽的单位可以是ms或s，周期值保存在（SMW68或SMW78）中，周期的变化范围是50s-65535s或2ms-65535ms；脉宽值保存在SMW70（或SMW80）中，脉宽值的变化范围是0ms-65535 ms或0ms-65535ms。当脉宽值等于周期值时，占空比为100%，即输出连续接通；当脉宽值为0，占空比为0%，即输出断开。PWM操作实例：将Q0.0设置成PWM输出，其周期值为1000ms，脉宽值为300ms。在主程序的初次扫描时（SM0.1=1），调用初始化子程序。如下图所示：SBR0EN SM0.1图9 调用初始化子程序在子程序SBR0中，进行PWM操作的初始化，如下图：MOV-BEN ENO16#DB IN OUT SMB77MOV-BEN ENO1000 IN OUT SMB78MOV-BEN ENOVB0 IN OUT SMW80PLSEN ENO0 Q0.X 图10 PWM初始化4. 通信指令多台S7-200CPU利用PPI协议进行网络通讯时，可以利用网络读写指令实现数据传送的功能。1）网络读指令（NETR） NETR EN ENO TBL PORT 图11 网络读指令网络读指令初始化通讯操作：通过指定的端口PORT从远程的其他CPU接收数据并存放在一个表（TBL）中。NETR指令可以从远程站点上读16个字节的数据。2）网络写指令（NETW）NETW EN ENO TBL PORT 图12 网络写指令网络写指令初始化通讯操作：通过指定的端口PORT从远程的其他CPU上写表（TBL）中的数据。NETW指令可以向远程站点上写16个字节的数据。2.3 步进电机及其驱动器简介2.3.1 步进电机步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的机电元件。通俗地讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运动一步。正因为它的运动形式是步进式的，而称为步进电动机。步进电动机的输入是脉冲信号，从它绕组内的电流来看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脉冲的电流，所以有时也叫做脉冲马达。 步进电动机的定子上通常具有多相绕组，转子为有齿的铁芯或具有永磁的磁极。从电机元件本身来看只要在各相绕组内轮流通电，就能产生步进运动。在实际系统内，这种轮流通电，通常是由电子的脉冲分配回路来达到的，并且经过功率放大。分配回路和功率放大等环节在一路组成步进电动机的驱动器。驱动器和电动机是两个不可分割的组成部分，步进电动机简单的工作原理图如图13。当外加脉冲信号时步进电动机的机械运动与脉冲信号相对应，也就是说作同步的旋转。顺便可以指出，如果脉冲信号发生器放在电机本身的轴上，就可以得到电枢不动的无刷直流电动机，它的转速将由外加电压的大小来决定。步进电动机可以作为驱动电机，但大部分情况下是作为控制电动机用的。步进电动机的优点如下：步距值不受各种干扰因素的影响，如电压的大小，电流的数值，温度的变化等。也就是说，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率而转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号；误差不长期积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也就是走任意一定的步数以后，也总是有一定的累积误差，但是每转一圈的累积误差为零，所图13 步进电机和驱动器简图以步距的误差不是长期地积累下去的；控制性能好。起动停车，反转及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。因此，作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠而且获得高的控制精度。在多数情况下，可以代替直流伺服电动机和交流伺服电动机。步进电动机不同于其它电机在于它必定要有专用驱动电源，否则就不能正常工作。所以，发展推广步进电动机就与驱动电源的研究开发分不开。目前步进电动机驱动电源种类繁多而且各具特点。2.3.2 步进电机驱动电源大家知道，步进电动机的控制指令是单一码，就是一串脉冲方波。例如，从电子计算机送出的数字控制脉冲就是单一码。变换器的基本构成形式由机械变换器发展到电子变换器。目前由于电子技术迅速发展，机械变换器在步进电动机中已不再使用。这里只对电子变换器即驱动电源作介绍。步进电动机的驱动电源由环形分配器和功率放大器两部分组成，环形分配器是每台电机一个，而功率放大器则是每相一套。环行分配器主要使电机各相绕组按一定的顺序和时间导通并根据输入指令使电机正转或反转，实际上就是用以确定电机的工作方式。由此，环行分配器要按照电机的工作方式来进行设计。功率放大器的主要功用是根据电机或负载的需要，将环行分配器输出的各相电信号进行放大。驱动电源要求完整、准确、灵敏地执行控制指令，具有足够的功率，抗干扰能力强。当然还有一些对设备的基本要求，如体积小、结构简单、成本低、维修方便以及安全可靠等。2.4 电机驱动器的选择清淤机器人驱动电机的选型为：载体步进电机的型号为VRDM31117，其额定扭矩为12Nm；刀具步进电机的型号为VRDM31122，其额定扭矩为16.5Nm；调节压紧步进电机的型号为VRDM397，其额定扭矩为2Nm；收放直流减速电机的型号为TYV3-30DC，额定电压为24V，额定电流为3.6A。其中，步进电机为德国百格拉公司生产的步进电机。2.4.1 步进电机驱动器的选择步进电机驱动器选择德国百格拉公司的WD3-007和WD3-008。驱动器WD3-007主要驱动2Nm-12Nm三相混合式步进电机，因此它用来驱动载体步进电机和调节压紧步进电机。驱动器WD3-008主要驱动12Nm-16.5Nm三相混合式步进电机，因此它用来驱动刀具步进电机。这两个驱动器的电气性能基本相同。输入电压220VAC，控制信号电压5VDC，与百格拉电机配套性能最佳。1. 电气参数如下表表2 WD3-007的电气参数输入电压单相220V输入（-30%+20%）；频率：4566Hz输入电流小于2.5安培输出电压3325VAC输出电流0.662.5A功 耗功耗：80W；内部保险：6.3A温 度工作温度小于50；存放温度-4070湿 度不能结露，不能有水珠气 体禁止有可燃气体和大量导电灰尘2. WD3-007的主要特点：1）交流伺服工作原理，交流伺服运行特性，三相正弦电流驱动输出。2）只要环境温度不超过55，驱动器就可以正常工作。3）电路板采取三防处理，有过热、过压、欠压、过流及相间短路保护功能。4）驱动器的输入电源是220VAC，变化范围是：-30%+20%。5）电机和驱动器间仅用3根线，减少连线出错的可能性。6）几乎无共振和爬行，输出相电流可设置，带有十细分和半流功能特性，噪声几乎与交流伺服电机一样。7）比同样尺寸的反应式步进电机所产生的功率大20%左右。8）电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关。9）电机每转步数可依用户要求分别设定为500、1000、5000、10000步/转。10）由于驱动器采用了正弦电流驱动，使电机的空载启动频率高达4.3-5.3KHz。11）电机上下电时，输出轴位置不变，给工作带来很大方便。3. 连线及参数设置：图14 WD3-007面板图4. 控制信号定义PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。DIR：方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋转；“DIR”为高电平电机按逆时针方向旋转。CW：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。RESET：复位信号，如复位信号为低电平时，输入脉冲信号起作用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无保持扭矩。READDY: 输入报警信号。READY是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压和电流是：35VDC，10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。注意：PULSE+与CW+，PULSE-与CW-，DIR-与CCW-对应同一个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。下面为脉冲、方向信号时序图： 图15脉冲、方向信号时序图 5. 控制信号连接上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。当高有效时，把所有控制信号的负端连在一起作为信号地，低有效时，把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端。 注意：公共端不能与大地（壳体）接到一起。“PULSE.SYS”为控制方式选择开关，两种状态对应两种控制方式。下表中列出了控制信号高有效和低有效时的接线方式。表3 控制信号接线方式PULSE.SYS控制方式高电平有效接线低电平有效接线ON正转和反转PULSE+接正转信号DIR+接反转信号PULSE-与DIR-短接为信号地PULSE-接正转信号DIR-接反转信号PULSE+与DIR+短接为公共端OFF脉冲和方向PULSE+接脉冲信号DIR+接方向信号PULSE-与DIR-短接为信号地PULSE-接脉冲信号DIR-接方向信号PULSE+与DIR+短接为公共端2.4.2 直流电机驱动器的选择直流电机驱动器选择美国国家半导体公司的LMD18200。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件。此种芯片瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，具有很强的驱动能力，无 “shot-through” 电流，而且此种芯片内部还具有过流保护的测量电路，只需要在LMD18200的8脚输出端测出电压和给定的电压比较即可保护电路过流，从而实现电路的过流保护功能。LMD18200的5脚为PWM波输入端，通过改变PWM的占空比就可调节电机的速度，改变3脚的高低电平即可控制电机的正反转。此电路和以上几种驱动电路比较具有明显的优点，驱动功率大，稳定性好，实现方便，安全可靠。其内部结构原理图如下：图16 LMD182000内部结构原理图1. 各引脚的功能1、11脚：桥臂1、2的自举输入电容连接端，在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10nF的自举电容。2、10脚：H桥输出端。3脚：方向输入端。转向时，输出驱动电流方向见表3，该脚控制输出1与输出2 （脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。4脚：刹车输入端。刹车时，输出驱动电流方向见表4，通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，脚3的逻辑状态决定于短路马达所用器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中两个高端晶体管导通。3脚呈逻辑低电平时，H桥中两个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平，脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断。此时，每个输出端只有很小的电流（1. 5mA）。5脚：PWM信号输入端。PWM信号与驱动电流方向的关系见表3，该端与3脚（DIRECTION）如何使用，决定于PWM信号类型。6、7脚：电源正端与负端。8脚：电流取样输出端，提供电流取样信号。9脚：温度报警输出。提供温度报警信号，芯片结温达145时，该端变为低电平，结温达170时，芯片关断。表4 逻辑真值表PWM转向刹车实际输出电流HHL流出1，流入2HLL流入1，流出2LL流出1，流出2HHH流出1，流出2HLH流入1，流入2LHNONE2. LMD18200主要特点1）额定电流3A，峰值电流6A。2）电源电压55V。3）功率晶体管导通电阻RDS为0. 38。4）TTL和CMOS兼容的控制信号输入。5）内含防桥臂单侧直通电路。6）芯片过热报警输出和自动关断。7）内部的充电泵电路提供桥路上臂两管的栅极电压。3. 控制方式LMD18200提供双极性方式（也称反向锁定控制）和单极性方式（也称方向脉宽控制）两种工作方式。在双极性工作方式中，单个的PWM信号接入LMD18200的DIR端子，由PWM信号的占空比大小控制电机的转向和转速，当占空比为50%时，UAB电压的平均值为零，电机静止；当占空比为75%时，UAB平均值大于零，电机正转；当占空比为25%时，UAB的平均值小于零，电机反转。使用单极性工作方式，在单极性这种工作方式中，PWM脉冲信号接在LMD18200的PWM端，而方向信号接在DIR端，PWM端脉冲信号的占空比决定电机转速，而DIR端的电平高低决定电机转向。如果控制器能提供PWM和DIR信号，则使驱动器工作在单极性方式，这样构成的系统为全数字式，避免了模拟电压的温漂和噪声干扰等不利影响。4. 驱动器电路设计图17为所设计的驱动器电路原理图： 图17 驱动器电路原理图5. 基本工作原理1）电流取样每输出1A电流，脚8输出377nA的取样电流。接在8脚与地之间的电阻将其转化为电压信号，该电压幅值在5-8V之间时，线性度与精度最佳。该端最高电压12V。电流取样电路并不检测反馈电流，仅检测桥臂上端晶体管中的电流。2）温度报警标志该端（9脚）为OC门输出，该端通常接到系统控制器的中断输入，以便过热时对系统采取适当措施。该端最高电压为12V。3）限流LMD18200内部含有限流保护电路。该电路检测器件中的电流，该电流接近10A时，迅速关断功率器件。器件关断后，保护电路周期性的重新试图开通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就能够恢复正常运行。由于短路将产生大量热量，因此，实际使用时，LMD18200必须配备面积足够大的散热器。同时，为了散热，芯片电源端VCC（脚6）在PCB板上需要1平方英寸的铜箔。4）充电泵电路如图18所示，开通高端的DMOS管时，每个器件的栅极电压应比电流取样电压约高8V。采用内部充电泵电路可获取该电压。利用内部300kHz的振荡器对内部自举电容充电可获得14V电压，该驱动电压的上升时间为20ns，可保证器件的开关频率达1kHz；开关频率更高时，可采用外部自举电容，并由DMOS管对该自举电容充电，H桥输出端与自举端接入10nF外部电容，可提供上升时间达100ns的驱动电压，从而保证开关频率达到500kHz。图18 内部充电泵电路/自举电路5）内部续流二极管H桥中四个DMOS管都有续流（保护）二极管，高端续流二极管流过6A的反向电流时，反向恢复时间为70ns，反向恢复电流为1A。同样条件下，低端续流二极管的反向恢复时间为100ns，反向恢复电流为4A。3 基于PLC的清淤机器人控制系统设计3 基于PLC的清淤机器人控制系统设计3.1 清淤机器人的控制过程根据唐山市排水管道的实际情况及前面的分析，确定PLC控制清淤机器人的过程如下：1. 按下启动按钮，载体电机正转、收放电机反转和刀具电机正转启动，延时2S后刀具电机开始启动。2. 清淤机器人在工作过程中，通过高速计数指令完成载体打滑、电机过载、遇大障及工作位置输出的检测。因为清淤机器人在工作过程中可能会打滑或电机过载，会使载体速度变慢；遇到障碍或者出现故障，载体停止，如果有工作位置的显示，工作人员可以很方便的查出出现障碍的位置和清淤机器人出现故障的位置，方便及时处理问题。当清淤机器人不能向前运动时，光电编码器停止输出脉冲给高速计数器，利用高速计数功能当检测到当前值等于上一时间段的值时，说明清淤机器人遇障并停止工作。3. 清淤机器人到达右井口行程开关时或按下手动返回按钮，PLC接收到右行程开关发出的导通信号，使刀具电机停止，载体电机反转、收放线电机正转使清淤机器人返回。4. 当清污机到达左井口行程开关时，接收到左行程开关发出的导通信号，清淤机器人停止。因为将行程开关安装在工作管道的对面管口处，所以不用停车延时，使载体电机和收放电机直接停止工作。此时，报警器开始报警。调节电机反转，直到调节装置回到原位，调节电机停止。5. 如果需要急停时，按下急停按钮，四台电机全部停止。3.2 PLC的选型和通信3.2.1 PLC的选型在工程设计选型和估算时应详细分析工艺过程的控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作；然后，根据控制要求估算输入输出点数、所需存储器的容量、确定PLC的功能、外部设备的选择等；最后，设计选择有较高性能价格比的PLC和相应的控制系统。首先确定系统用PLC是单机控制还是用PLC形成网络，由此计算PLC的输入输出点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上有一定的余量（10%）。然后列出被控对象输入输出的设备名称，并根据所带的输入输出点数进行统计。在统计时，应考虑为了控制的要求而增加的一些开关、按钮或报警的信号，例如，增加总的供电开关、为手动需要而增加的手动自动开关、为联锁需要设置的联锁、非联锁开关等。80点以内的系统选用不需扩展模块的PLC单机，当系统较大时，就需扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制。当扩展不能满足要求时，可采用网络结构；同时，在一些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。在S7-200系列PLC中，一台PLC中只有两个高速脉冲输出端，但是控制系统要有四个PWM脉冲输出来控制三台步进电机和一台直流电机，因此必须选两个PLC才能进行控制。根据实际的I/O点数，选用CPU226控制M1、M2，CPU224控制M3、M4。由于选择了两台PLC，所以就必须进行两台PLC之间的网络通信。3.2.2 两台PLC之间的网络通信S7-200系列PLC具有很强的网络通讯能力，它可以通过内部集成的通讯口以多种方式与现场设备相连，组成不同的通讯网络，完成现场控制任务。 S7-200系列PLC支持多种通讯协议，包括点对点接口（Point-to-Point Interface，PPI）、多点接口（Multi-Point Interface，MPI）、现场总线PROFIBLS和自由口（Freeport）方式。1. PPI通讯协议PPI协议是S7-200PLC专用的一个协议。PPI是一个主/从协议，任这个协议中，主站（PLC、编程器或操作单元）给从站（网络中的所有PLC都可作为从站）发出申请，从站进行响应、从站不初始化信息，但是当主站发出申请或查询时，从站才响应。在一个网络中可以有127个地址，其中最多有32个主站。在编程时，用网络读写指令NETR和 NETW进行数据的传递。如果需要远程的编程或监控，可以利用调制解调器来进行通讯。 2. MPI通讯协议 MPI协议可以是主/主协议或主/从协议，协议如何操作取决于设备类型。MPI协议可以在两个相互通信的设备之间建立连接。 3. ROFIBUS协议 ROFIBUS协议设计用于分布式I/O设备的高速通讯，它是目前应用最为广泛的现场总线协议。ROFIBUS上可以连接的设备包括从简单的输入或输出设备到变频调速器和可编程序控制。S7-200系列PLC可以通过内部集成或扩展的通讯接口连接到ROFIBUS上，从而与一个大型的控制系统有机地结合起来。利用小型PLC控制的分散性，降低集中控制的危险程度。提高系统的处理能力和安全性，这对于大型的控制系统和控制对象相对分散的情况很有实用价值。4. Freeport通讯Freeport通讯方式是一种用户自定义的协议，可以通过用户程序控制S7-200系列PLC的通讯口。在Freeport方式下，通讯口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设。该方式使得S7-200系列PLC可以与任何具有通讯能力、并且协议公开的设备相通讯。利用自由口模式，可以连接多种智能设备，如打印机、变频器、条码阅读器等，以及实现PLC与上位机通讯、连接调制解调器等。这次设计中，使用PPI通讯协议。CPU226为主站，CPU224为从站，当主站CPU226发出申请或查询时，从站CPU224才响应。两台PLC用PPI电缆连接起来，用网络读（NETR）和网络写（NETW）指令来实现他们之间的通信。网络读写指令的应用详见前面S7-200指令介绍，通信程序见程序清单。3.3 I/O端点的确定和分配输入输出点数（I/O点数），指可编程序控制器外部输人输出端子数，这是PLC的一项非常重要的技术指标，常用I/O点数来表征PLC的规模大小。 输入/输出接口是PLC主机与外部设备之间的连接电路。为了提高抗干扰能力，一般输入、输出接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。来自现场的检测元件、指令元件的信号经输人接口进入PLC。检测元件是指传感器、按钮、寄存器触点、行程开关等，利用这些元件检测来自现场的温度、压力、位置、电流、电压等物理量即检测元件信号；指令元件信号是指操作者在控制台或键盘上发出的信号，如启动、暂停、调整等。这些信号有的是开关量，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号，所以要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。由PLC发出的各种控制信号经输出接口去控制和驱动负载，如控制指示灯的亮灭、电磁阀的开闭、继电器线圈的通电和断电、电动机的启动、停止和正反转等等。控制负载的输出信号也有不同的形式，同样要选择合适的输出接口。根据现场执行部件的不同需要，输出接口的放大环节分为继电器型、晶闸管型和晶体管型三种类型：继电器型输出接口为有触点输出，外加负载电源既