管道清淤機(jī)器人及控制系統(tǒng)研究畢業(yè)論文

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1、 河北理工大學(xué)畢業(yè)論文 課題名稱：管道清淤機(jī)器人及控制系統(tǒng)研究 姓 名: 劉 剛 工程領(lǐng)域: 機(jī)械工程 所屬學(xué)院: 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)校導(dǎo)師: 王豐 教授 2006年 6 月 24 日 目　　錄 摘　　要 １ Abstract 2 1管道清淤機(jī)器人概述 3 1.1 課題綜述 3 1.2 國(guó)內(nèi)外管道清淤機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀 3 1.2.1

2、國(guó)外的技術(shù)現(xiàn)狀 3 1.2.2 國(guó)內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀 4 1.3 本市管道清淤技術(shù)現(xiàn)狀 6 1.4 管道清淤機(jī)器人總體控制方案 6 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 7 2.1 控制系統(tǒng)控制器的選擇 7 2.2 S7-200系列PLC概述 7 2.2.1 S7-200系列PLC簡(jiǎn)介 7 2.2.2 程序設(shè)計(jì)中用到的PLC指令 11 2.3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介 15 2.3.1 步進(jìn)電機(jī) 15 2.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 16 2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 17 2.4.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 17 2.4.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 20 3 基于PLC的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì) 24 3.1 清淤機(jī)器人的控制過(guò)程 24 3.2 PLC的選型和通信 24 3.2.1 PLC的選型 24 3.2.2 兩臺(tái)PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信 25 3.3 I/O端點(diǎn)的確定和分配 26 3.4 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的連接 29 3.4.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連接 29 3.4.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連接 29 3.5 PLC和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接 30 3.6 清淤機(jī)器人的控制程序設(shè)計(jì) 30 3.6.1 編程的語(yǔ)言 30 3.6.2 編程的一般規(guī)約 31 3.6.3 程序框圖的設(shè)計(jì) 32 3.6.4 控制程序的設(shè)計(jì) 32 結(jié) 論 39 致 謝 40

4、參考文獻(xiàn) 41 附錄A 清淤機(jī)器人控制清單 43 １ 摘 要 摘　　要 本文主要介紹了清淤機(jī)器人目前的發(fā)展?fàn)顩r以及通過(guò)利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，從而使機(jī)器人自主地完成清淤任務(wù)。 我們到唐山市區(qū)管網(wǎng)管理所進(jìn)行實(shí)地考察，那里的工作人員熱情地接待了我們，并給我們介紹了排水管道中淤積物的種類、目前城市排水管道的清淤方法以及需要解決的問(wèn)題。又通過(guò)圖書館和網(wǎng)絡(luò)，查閱有關(guān)步進(jìn)電機(jī)控制的學(xué)術(shù)論文、專利等文獻(xiàn)資料。 我確定了本次論文的大體內(nèi)容、研究方案和研究目的：機(jī)器人內(nèi)部有三臺(tái)電機(jī)，地面上有一臺(tái)電機(jī)。PLC通過(guò)控制這四臺(tái)電機(jī)來(lái)達(dá)到控制機(jī)器人的目的。本文詳細(xì)介紹了PLC對(duì)電機(jī)的

5、方向、速度、電流的控制方法和編程技術(shù)，包括PLC和驅(qū)動(dòng)器的選型，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的連接和控制程序的編寫等?？刂瞥绦蛑饕獮榱藢?shí)現(xiàn)排水管道清淤機(jī)器人前進(jìn)/返回方向控制、脈沖寬度調(diào)制調(diào)速。 關(guān)鍵詞：可編程控制器；步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)器 Abstract Abstract The this article main introduction settles silt robot’s the development condition at present and by using PLC to control the robot it ma

6、ke 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 lib

7、rary 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 articl

8、e in detail introduced how PLC control motor’s direction, speed, electric current and the programming technology, including PLC and the driver’s selection, step motor and the driver’s connection and the control program and so on. The clear silt robot development’s significance lies in: May realize

9、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; ste

10、pping motor; driver 23 1 管道清淤機(jī)器人概述 1管道清淤機(jī)器人概述 1.1 課題綜述 目前，城市的給水排水系統(tǒng)是通過(guò)地下管道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但排水管道很容易被一些油或雜物等堵塞，為提高管道的壽命、防止堵塞等事故的發(fā)生，因此必須對(duì)管道系統(tǒng)經(jīng)常性的管理養(yǎng)護(hù)和對(duì)管道進(jìn)行有效的檢測(cè)和清通。管道機(jī)器人為滿足該需要而產(chǎn)生的。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。管道清淤機(jī)器人應(yīng)具備清掃管道、噴射清洗氣霧和傳感器檢測(cè)管道內(nèi)狀況的功能。 管道清淤機(jī)器

11、人是在機(jī)器人技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的，其機(jī)器人載體采用了常用的輪式行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且驅(qū)動(dòng)力大，多選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制性能好、精度高，在是一種控制性能非常好的控制電機(jī)。因此，對(duì)清淤機(jī)器人的控制就是用控制器直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其控制器現(xiàn)在大多采用技術(shù)比較成熟的PLC和單片機(jī)，特別是PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。PLC控制能力好，抗干擾能力強(qiáng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，這大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人的控制過(guò)程。 清淤機(jī)器人具體到本課題中就是我們說(shuō)的“小車”。它是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由PLC來(lái)控制的。設(shè)計(jì)要求利用S7-200PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其中包括：步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)

12、動(dòng)器的選擇；步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器的連接；PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)方向、速度控制，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管道清淤機(jī)器人前進(jìn)/返回控制，變速控制，以提高清淤機(jī)器人的工作效率。 管道清淤機(jī)器人研制的根本意義在于：可以實(shí)現(xiàn)排水管道的疏通清理工作；改善當(dāng)前疏通管道時(shí)工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率。此外，它還能應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域。 1.2 國(guó)內(nèi)外管道清淤機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外的技術(shù)現(xiàn)狀 目前，國(guó)外的管道清洗機(jī)器人已形成產(chǎn)業(yè)化。如美國(guó)、丹麥、日本、韓國(guó)等諸多國(guó)家均有管道清洗機(jī)器人系列產(chǎn)品。早在1978年法國(guó)研制了一種輪腿式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，成功

13、地實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)自主行走。該機(jī)構(gòu)由2個(gè)行走輪及4個(gè)支撐腿組成，腿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同管徑的變化。80年代，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為管內(nèi)機(jī)器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證。國(guó)外相繼開展研制了多種類型的管內(nèi)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人。東京理科大學(xué)福田敏男等研制的可以通過(guò)90彎管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，如下圖。機(jī)器人由可相對(duì)回轉(zhuǎn)的頭部和本體組成，當(dāng)機(jī)器人沿直管行走時(shí)，本體上的電機(jī)M1通過(guò)減速裝置將動(dòng)力傳給本體上的驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)機(jī)器人沿彎管行走時(shí)，電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部作姿態(tài)調(diào)整，并驅(qū)動(dòng)頭部履帶引導(dǎo)機(jī)器人通過(guò)彎管。該機(jī)器人可作管內(nèi)裂紋探測(cè)，適用管徑50mm，行走速度0～0.48m/min。但由于攜帶的蓄

14、電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走。 圖1 管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī) 管道清淤機(jī)器人應(yīng)具備清掃管道、噴射清洗氣霧和傳感器檢測(cè)管道內(nèi)狀況的功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，機(jī)器人必須擁有的“器官”包括：靈活的移動(dòng)載體、多種清掃和清洗作業(yè)工具、通信系統(tǒng)和操作盒以及一些輔助設(shè)備和設(shè)施?？v觀國(guó)外管道清洗機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)大同小異，性能水平也沒(méi)太大的差別： 1. 大多采用輪式或雙履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，管道適應(yīng)性并不強(qiáng)； 2. 配有高速旋轉(zhuǎn)的清掃機(jī)構(gòu)，用來(lái)把管內(nèi)的灰塵打落、清除。由于管道有矩形管和圓管之分，所以可更換相應(yīng)的清洗矩形管和圓管的清潔刷； 3. 裝有CCD攝像頭及照明燈，用于探測(cè)管道內(nèi)的狀況，這在人所不能到

15、達(dá)的管道內(nèi)部是必不可少的； 4. 由于管道機(jī)器人還不可能達(dá)到完全自主清潔，故采用線控方式，由操作人員在管道外進(jìn)行操作。 1.2.2 國(guó)內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀 我國(guó)在管道清淤機(jī)器人的研究應(yīng)用還比較落后，但也有一些單位在這一領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)目前已做出了管內(nèi)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，上海大學(xué)、天津大學(xué)、成都核物理所和四川工業(yè)學(xué)院也從事這方面的研究工作。 四川工業(yè)學(xué)院著重研究了PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。PLC對(duì)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)是以PLC的高速計(jì)數(shù)功能和脈寬調(diào)制方式（PWM）的輸出功能為基礎(chǔ)的。為實(shí)現(xiàn)行走電機(jī)速度控制和位置控制，在結(jié)構(gòu)上必須構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，為此采用了光電增量式編碼器作為反饋

16、信號(hào)傳感器。通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)功能對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由PLC的PWM輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，PLC速度控制程序需處理以下工作以調(diào)節(jié)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行；用定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間；調(diào)用高速計(jì)數(shù)指令采樣電機(jī)位置信號(hào)；調(diào)用除法程序求電機(jī)速度；設(shè)置值和實(shí)測(cè)值做減法求偏差值；調(diào)用比例積分微分（PID）子程序?qū)ζ钸M(jìn)行控制調(diào)節(jié)；通過(guò)寫PWM指令控制字調(diào)節(jié)PWM輸出占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 還有天津大學(xué)研究了一種管道機(jī)器人，該機(jī)器人系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括三個(gè)組成部分：移動(dòng)機(jī)器人本體模塊、收放線裝置模塊、控制系統(tǒng)模塊。本體模塊的顯著特點(diǎn)是采用積木式變寬結(jié)構(gòu)以滿足機(jī)器人適用于不同管徑的管道作業(yè)；

17、收放線裝置模塊實(shí)現(xiàn)電纜收放；控制模塊設(shè)計(jì)兩套控制系統(tǒng)：一是手動(dòng)控制系統(tǒng)，另一是微機(jī)控制系統(tǒng)。手動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)控制面板上的按鈕來(lái)控制機(jī)器人本體的前進(jìn)、后退、加速、減速、急停，并實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人本體行進(jìn)深度等；微機(jī)控制系統(tǒng)由插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上的自行研制的專用接口卡與控制箱上的計(jì)算機(jī)接口相連，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制。 目前，主要采用的管道清淤方法是水力清淤法和機(jī)械清淤法。水力清淤是利用管中的污水、城市自來(lái)水對(duì)排水管道進(jìn)行沖洗，靠高壓水流把淤積物沖走。機(jī)械清淤法是在管段的首尾兩井上各設(shè)絞車，如圖2，車上系住鋼絲繩，用絞車來(lái)回拉動(dòng)清管工具二三次，管內(nèi)淤泥即可刮下無(wú)遺，清除效果好。 圖

18、2 機(jī)械清淤法 1.3 本市管道清淤技術(shù)現(xiàn)狀 唐山是北方重要的工業(yè)城市，水資源的利用量和排放量都非常大。因此，研究唐山的排水管道結(jié)構(gòu)和管道清淤方式具有很重要的意義。 從管網(wǎng)所得到的結(jié)果表明：唐山市的排水管道的內(nèi)徑從300-3000mm之間不等，主排水管大多為300-600mm，支管多為300mm。井口直徑為640mm，往下直徑越來(lái)越大，呈錐形。井距一般為50m，兩井口間的連接管道有一定的坡度，一般在0.003以上，靠重力實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，管道堵塞時(shí)多為樹枝、棉絲、淤泥、鈣化物等，使懸浮物無(wú)法靠重力順流而下。 目前主要用兩種設(shè)備：一個(gè)是管道高壓清洗車，另一個(gè)是管道吸污車。管道高壓清洗車有一個(gè)高壓

19、噴頭，它是圓錐狀的，圓錐外側(cè)能噴出高壓水柱，同時(shí)噴頭不停的振動(dòng)，振動(dòng)的力量相當(dāng)大，足以清洗掉管道內(nèi)的一大部分淤積物，然后靠高壓水流把淤積物沖走，這種方法非常實(shí)用，效果也很好。當(dāng)淤泥比較多時(shí)，采用吸污車直接把淤泥吸出來(lái)。 1.4 管道清淤機(jī)器人總體控制方案 管道清淤機(jī)器人共使用4臺(tái)電機(jī)：M1為載體步進(jìn)電機(jī)、M2為刀具步進(jìn)電機(jī)、M3為調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)、M4為收放直流減速電機(jī)。 按下啟動(dòng)按鈕，M1正轉(zhuǎn)，M4反轉(zhuǎn)，M2延時(shí)后正轉(zhuǎn)；載體打滑時(shí)，M3正轉(zhuǎn)，直到不打滑時(shí)M3停止，若壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)到極限位置還打滑，則M3停止，則按下手動(dòng)返回按鈕返回；若電機(jī)過(guò)載時(shí)，則按下手動(dòng)返回按鈕返回；遇大障礙時(shí)，則按下

20、手動(dòng)返回按鈕返回；若需要急停時(shí)，則按下急停按鈕；若到達(dá)下一井口，行程開關(guān)動(dòng)作，載體返回。不管手動(dòng)返回還是自動(dòng)返回都需調(diào)用返回子程序。 當(dāng)調(diào)用返回子程序時(shí)，M1反轉(zhuǎn)，M4正轉(zhuǎn)，若回到原井口，行程開關(guān)動(dòng)作并報(bào)警，M1、M2、M4停止，M3反轉(zhuǎn)，直到壓緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)回到原始位置，M3停止。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 2.1 控制系統(tǒng)控制器的選擇 如前所述，管道清淤機(jī)器人是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，而步進(jìn)電機(jī)的控制器選擇工業(yè)上使用最廣泛的可編程邏輯控制器（PLC），用PLC控制步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的必然趨勢(shì)。由于管道機(jī)器人是在野外管線內(nèi)部作業(yè)

21、，環(huán)境惡劣，不允許出現(xiàn)在管內(nèi)失控的重大事故，因此除了對(duì)機(jī)器人的能源動(dòng)力系統(tǒng)等強(qiáng)電部分提出了嚴(yán)格要求外，還對(duì)機(jī)器人的控制單元提出了極高的運(yùn)行可靠性要求，以保證控制單元不受環(huán)境、強(qiáng)電及射線等干擾，在有效的控制策略下起到持續(xù)監(jiān)控作用；另外管道機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中主要處理一些開關(guān)量，對(duì)控制器的處理時(shí)間要求不高，所以選用了可編程邏輯控制器（PLC）作為管道機(jī)器人的控制器。目前PLC生產(chǎn)廠家很多，選擇西門子的S7-200PLC系列，這一系列產(chǎn)品能滿足多種多樣的自動(dòng)化需求，由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性能、低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的指令，使得S7-200PLC可以近乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的PLC類

22、型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 2.2 S7-200系列PLC概述 2.2.1 S7-200系列PLC簡(jiǎn)介 S7-200系列是西門子公司投放市場(chǎng)的小型可編程控制器。全部采用整體式結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有豐富的指令集，只有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，配有豐富的功能擴(kuò)展模塊，在各行各業(yè)中的應(yīng)用迅速得到推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制器。圖3為S7-200PLC的外型圖。 圖3 S7-200PLC的外型圖 S7-200系列PLC既可獨(dú)立運(yùn)行，也可擴(kuò)展相連成網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，可提供4個(gè)不同的基本型

23、號(hào)的8種PLC供選用。一臺(tái)S7-200 PLC包括一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU，或者帶有各種各樣的可選擴(kuò)展模塊，其主要組成部分如下。 1. S7-200CPU模塊 S7-200CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元（CPU）、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。 1）CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制。 2）輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn)，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（例如傳感器或開關(guān)）中采集信號(hào)，輸出部分則控制泵、電機(jī)以及工業(yè)過(guò)程中的其他設(shè)備。 3）電源向CPU及其所連接的任何模塊提供電力。 4）通信端口允許將S7-200CPU同編程器或其他—

24、些設(shè)備連接起來(lái)。 5）狀態(tài)信號(hào)燈顯示了CPU的工作模式（運(yùn)行或停止）、本機(jī)I/O的當(dāng)前狀態(tài)及檢查出的系統(tǒng)錯(cuò)誤。 6）通過(guò)擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)（CPU 22l不可擴(kuò)展）。 7）通過(guò)擴(kuò)展模塊可提供其通信性能。 8）一些CPU具有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其他CPU則需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡。 9）EEPROM卡可以存儲(chǔ)CPU程序，也可以將一個(gè)CPU中的程序送到另一個(gè)CPU中。 10）通過(guò)可選的插入式電池盒可延長(zhǎng)RAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間。 2. 最大I/O配置 每種CPU的最大I/O配置須服從以下限制。 1）模塊數(shù)量。 即CPU221不能擴(kuò)展。CPU222最多兩個(gè)擴(kuò)展模塊。CPU224和CP

25、U226最多7個(gè)擴(kuò)展模塊。 7個(gè)模塊中最多能有兩個(gè)智能擴(kuò)展模塊（EM 277Profibus-DP模塊）。 2）數(shù)字量映像寄存器大小。每個(gè)CPU允許的數(shù)字量I/O的邏輯空間為128個(gè)輸入和128個(gè)輸出。由于該邏輯空間按8點(diǎn)模塊分配，因此有些物理點(diǎn)無(wú)法被尋址。一個(gè)特殊模塊可能不能全部尋址8個(gè)點(diǎn)，例如，CPU224有10個(gè)輸出點(diǎn)，但它占用邏輯輸出區(qū)的16全點(diǎn)地址。一個(gè)4入/4出模塊占用邏輯8個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)。 3）模擬量映像寄存器大小，模擬量I/O允許的邏輯空間。即CPU222為16輸入和16輸出。CPU224和CPU226為32輸入和32輸出 4）5V電源供電。 3. 輸入/輸出I

26、/O擴(kuò)展模塊 1）數(shù)字量擴(kuò)展模塊 數(shù)字量擴(kuò)展模塊為使用除了本機(jī)集成的數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)外更多的輸入輸出提供了途徑。用戶可分別對(duì)PLC及任何擴(kuò)展模塊的混合體進(jìn)行組態(tài)以滿足應(yīng)用的實(shí)際要求，同時(shí)節(jié)約不必要的投資費(fèi)用?？商峁?個(gè)、16個(gè)和32個(gè)輸入/輸出點(diǎn)的模塊供使用。 2）模擬量擴(kuò)展模塊 模擬量擴(kuò)展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如，EM235模塊可直接與PT100熱電阻相連。 其技術(shù)性能如下表： 表1 S7-200PLC的主要技術(shù)性能

27、特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 外形尺（mm） 908062 908062 120.58062 1908062 存儲(chǔ)器 程序 2048字 2048字 2048字 2048字 用戶數(shù)據(jù) 1024字 1024字 1024字 1024字 用戶存儲(chǔ)器類型 EEPOM EEPOM EEPOM EEPOM 數(shù)據(jù)后備典型值 50小時(shí) 50小時(shí) 190小時(shí) 190小時(shí) 本機(jī)I/O 本機(jī)I/O 6入/4出 8入/6出 14入/10出 24入/16出 擴(kuò)展模塊數(shù)量 無(wú) 2個(gè)模塊 7個(gè)模塊 7個(gè)模塊 I

28、/O總計(jì) 數(shù)字量I/O映象區(qū)大小 （128入/128出） （128入/128出） （128入/128出） （128入/128出） 模擬量I/O映象區(qū)大小 無(wú) 16入/16出 32入/32出 32入/32出 指令 33MHz下布爾指令執(zhí)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128Q 128I和128Q 128I和128Q 128I和128Q 內(nèi)部寄存器 256 256 256 256 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 256/256 256/256 256/256 256/256

29、字入/字出 無(wú) 16/16 32/32 32/32 順序控制繼電器 256 256 256 256 For/Next循環(huán) 有 有 有 有 整數(shù)運(yùn)算 有 有 有 有 實(shí)數(shù)運(yùn)算 有 有 有 有 附加功能 內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器 4H/（20KHz） 4H/（20KHz） 6H/W（20KHz） 6H/（20KHz） 模擬量調(diào)節(jié)電位器 1 1 2 2 脈沖輸出 2 2 2 2 通信中斷 1發(fā)送器/2接收器 1發(fā)送器/2接收器 1發(fā)送器/2接收器 2發(fā)送器/4接收器 定時(shí)中斷 2 2 2 2 硬件輸入中斷

30、 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 4，輸入濾波器 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 有（時(shí)鐘卡） 有（時(shí)鐘卡） 有（內(nèi)置） 有（內(nèi)置） 口令保護(hù) 有 有 有 有 通信 通信口數(shù)量 1（RS-485） 1（RS-485） 1（RS-485） 2（RS-485） PROFIBUS點(diǎn)對(duì)點(diǎn) NETR/NETW NETR/NETW NETR/NETW NETR/NETW 2.2.2 程序設(shè)計(jì)中用到的PLC指令 1. 傳送指令 字節(jié)、字、雙字和實(shí)數(shù)的傳送指令梯形圖: MOV-X EN ENO IN OUT 圖4 傳送指令 其中，M

31、OV為傳送指令符號(hào)，X表示數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)類型有：字節(jié)（B）、字（W）、雙字（DW）、實(shí)數(shù)（R）。EN為使能端，即當(dāng)EN前面的邏輯條件滿足時(shí)，才能進(jìn)行數(shù)傳送。IN是所要傳送的數(shù)據(jù)輸入端。OUT是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龆恕Ｗ止?jié)、字、雙字和實(shí)數(shù)的傳送指令是把輸人數(shù)據(jù)（IN）傳送到輸出端（OUT），在傳送過(guò)程中不改變數(shù)據(jù)的大小。 2. 定時(shí)器指令 1）接通延時(shí)定時(shí)器（TON） Txxx IN TON PT 圖5 接通延時(shí)定時(shí)器 其

32、中Txxx為定時(shí)器編號(hào)，IN為定時(shí)器使能輸入端，PT為定時(shí)器的預(yù)設(shè)值端。每個(gè)定時(shí)器均有一個(gè)16位當(dāng)前值寄存器及一個(gè)1位的狀態(tài)位（反映其觸點(diǎn)的狀態(tài)）。當(dāng)使能輸人端接通時(shí)，接通延時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器（Txxx）的當(dāng)前值大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，該定時(shí)器的狀態(tài)位被置1（即觸點(diǎn)被接通），但定時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)，一直計(jì)到最大值32767，并保持狀態(tài)位，直到使能輸人端斷開，清除接通延時(shí)定時(shí)器的當(dāng)前值，定時(shí)器才復(fù)位。 2）有記憶接通延時(shí)定時(shí)器（TONR） Txxx IN TONR PT 圖6 有記憶接通延時(shí)定時(shí)器 對(duì)于有記憶接通延時(shí)

33、定時(shí)器，當(dāng)使能輸入端IN接通時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)使能輸入端斷開時(shí)，該定時(shí)器保持當(dāng)前值不變；當(dāng)位能輸入端再接通時(shí)，則定時(shí)器從原保持值開始再往上加，當(dāng)定時(shí)器的當(dāng)前值大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，定時(shí)器的狀態(tài)位置1（但定時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)，一直計(jì)到最大位32767），以后即使輸入端再斷開，定時(shí)器也不會(huì)復(fù)位，若要定時(shí)器復(fù)位必須用復(fù)位指令（R）清除其當(dāng)前值。 3）斷開延時(shí)定時(shí)器（TOP） Txxx IN TOF PT 圖7 斷開延時(shí)定時(shí)器 斷開延時(shí)定時(shí)器（TOF）用來(lái)在輸入斷開延時(shí)一段時(shí)間

34、后，才斷開輸出。當(dāng)使能輸入端IN接通時(shí)，定時(shí)器立即接通，并把當(dāng)前值設(shè)為0，當(dāng)使能輸入端斷開時(shí)定時(shí)器開始定時(shí)，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，定時(shí)器斷開輸出，并停止計(jì)時(shí)當(dāng)前值。當(dāng)輸入斷開的時(shí)間小于預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，定時(shí)器仍保持接通。當(dāng)IN再接通時(shí)，定時(shí)器當(dāng)前值仍設(shè)為0。 3. 脈沖輸出指令 其梯形圖表示如下： PLS EN ENO Q0.X 圖8 脈沖輸出指令 對(duì)于S7-200系列的CPU，如果CPU模塊上的輸出類型為DC型（晶體管輸出），那么在其Q0.0和Q0.1上可以產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可

35、調(diào)的波形，頻率可以達(dá)到20kHz。當(dāng)在這兩個(gè)點(diǎn)使用脈沖輸出功能時(shí)，它們受PWM發(fā)生器控制，而不受輸出映像寄存器控制。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）功能提供連續(xù)、可變占空比脈沖輸出，用戶控制周期和脈沖寬度。每個(gè)PTO/PWM發(fā)生器有一個(gè)控制字節(jié)（8位）、一個(gè)16位無(wú)符號(hào)的周期值寄存器、一個(gè)16位無(wú)符號(hào)的脈沖寬度值寄存器和一個(gè)32位無(wú)符號(hào)脈沖計(jì)數(shù)值寄存器。這些值全部存儲(chǔ)在特殊存儲(chǔ)器中，一旦這些特殊存儲(chǔ)器的位被置成所需操作，可以通過(guò)執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS）來(lái)調(diào)用這些操作。PLS指令使S7-200讀取相應(yīng)特殊寄存器中的位，并對(duì)相應(yīng)的PWM發(fā)生器進(jìn)行操作。 PWM功能提供占空比可調(diào)的脈沖輸出。其周期和脈

36、寬的單位可以是ms或s，周期值保存在（SMW68或SMW78）中，周期的變化范圍是50s-65535s或2ms-65535ms；脈寬值保存在SMW70（或SMW80）中，脈寬值的變化范圍是0ms-65535 ms或0ms-65535ms。當(dāng)脈寬值等于周期值時(shí)，占空比為100%，即輸出連續(xù)接通；當(dāng)脈寬值為0，占空比為0%，即輸出斷開。 PWM操作實(shí)例：將Q0.0設(shè)置成PWM輸出，其周期值為1000ms，脈寬值為300ms。 在主程序的初次掃描時(shí)（SM0.1=1），調(diào)用初始化子程序。如下圖所示： SBR0 EN SM0.1 圖

37、9 調(diào)用初始化子程序 在子程序SBR0中，進(jìn)行PWM操作的初始化，如下圖： MOV-B EN ENO 16#DB IN OUT SMB77 MOV-B EN ENO 1000 IN OUT SMB78 MOV-B EN ENO VB0 IN OUT SMW80 PLS EN ENO 0 Q0.X 圖10 PWM初始化 4. 通信指令 多臺(tái)S7-200CPU利用PPI協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，可以利用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的功能。 1）網(wǎng)絡(luò)讀

38、指令（NETR） NETR EN ENO TBL PORT 圖11 網(wǎng)絡(luò)讀指令 網(wǎng)絡(luò)讀指令初始化通訊操作：通過(guò)指定的端口PORT從遠(yuǎn)程的其他CPU接收數(shù)據(jù)并存放在一個(gè)表（TBL）中。NETR指令可以從遠(yuǎn)程站點(diǎn)上讀16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 2）網(wǎng)絡(luò)寫指令（NETW） NETW EN ENO TBL PORT

39、 圖12 網(wǎng)絡(luò)寫指令 網(wǎng)絡(luò)寫指令初始化通訊操作：通過(guò)指定的端口PORT從遠(yuǎn)程的其他CPU上寫表（TBL）中的數(shù)據(jù)。NETW指令可以向遠(yuǎn)程站點(diǎn)上寫16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 2.3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介 2.3.1 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的機(jī)電元件。通俗地講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)動(dòng)一步。正因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，而稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入是脈沖信號(hào)，從它繞組內(nèi)的電流來(lái)看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脈沖的電流，所以有時(shí)也叫做脈沖馬達(dá)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子上通常

40、具有多相繞組，轉(zhuǎn)子為有齒的鐵芯或具有永磁的磁極。從電機(jī)元件本身來(lái)看只要在各相繞組內(nèi)輪流通電，就能產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)，這種輪流通電，通常是由電子的脈沖分配回路來(lái)達(dá)到的，并且經(jīng)過(guò)功率放大。分配回路和功率放大等環(huán)節(jié)在一路組成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)是兩個(gè)不可分割的組成部分，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單的工作原理圖如圖13。 當(dāng)外加脈沖信號(hào)時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)作同步的旋轉(zhuǎn)。順便可以指出，如果脈沖信號(hào)發(fā)生器放在電機(jī)本身的軸上，就可以得到電樞不動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速將由外加電壓的大小來(lái)決定。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但大部分情況下是作為控制電動(dòng)機(jī)用的。步進(jìn)電動(dòng)

41、機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：步距值不受各種干擾因素的影響，如電壓的大小，電流的數(shù)值，溫度的變化等。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量則取決于總的脈沖信號(hào)；誤差不長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距值之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也就是走任意一定的步數(shù)以后，也總是有一定的累積誤差，但是每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所 圖13 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)圖 以步距的誤差不是長(zhǎng)期地積累下去的；控制性能好。起動(dòng)停車，反轉(zhuǎn)及其他任何運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟失一步。因此，作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，往往可以

42、使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠而且獲得高的控制精度。在多數(shù)情況下，可以代替直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同于其它電機(jī)在于它必定要有專用驅(qū)動(dòng)電源，否則就不能正常工作。所以，發(fā)展推廣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就與驅(qū)動(dòng)電源的研究開發(fā)分不開。目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源種類繁多而且各具特點(diǎn)。 2.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 大家知道，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。例如，從電子計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字控制脈沖就是單一碼。變換器的基本構(gòu)成形式由機(jī)械變換器發(fā)展到電子變換器。目前由于電子技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)械變換器在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中已不再使用。這里只對(duì)電子變換器即驅(qū)動(dòng)電源作介紹。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形分配器和功率放

43、大器兩部分組成，環(huán)形分配器是每臺(tái)電機(jī)一個(gè)，而功率放大器則是每相一套。 環(huán)行分配器主要使電機(jī)各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通并根據(jù)輸入指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)際上就是用以確定電機(jī)的工作方式。由此，環(huán)行分配器要按照電機(jī)的工作方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。功率放大器的主要功用是根據(jù)電機(jī)或負(fù)載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號(hào)進(jìn)行放大。 驅(qū)動(dòng)電源要求完整、準(zhǔn)確、靈敏地執(zhí)行控制指令，具有足夠的功率，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)然還有一些對(duì)設(shè)備的基本要求，如體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便以及安全可靠等。 2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 清淤機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型為：載體步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為VRDM31117，其額定扭矩為12Nm；

44、刀具步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為VRDM31122，其額定扭矩為16.5Nm；調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為VRDM397，其額定扭矩為2Nm；收放直流減速電機(jī)的型號(hào)為TYV3-30DC，額定電壓為24V，額定電流為3.6A。其中，步進(jìn)電機(jī)為德國(guó)百格拉公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)。 2.4.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇德國(guó)百格拉公司的WD3-007和WD3-008。驅(qū)動(dòng)器WD3-007主要驅(qū)動(dòng)2Nm-12Nm三相混合式步進(jìn)電機(jī)，因此它用來(lái)驅(qū)動(dòng)載體步進(jìn)電機(jī)和調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器WD3-008主要驅(qū)動(dòng)12Nm-16.5Nm三相混合式步進(jìn)電機(jī)，因此它用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀具步進(jìn)電機(jī)。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電氣性能基本相同。

45、輸入電壓220VAC，控制信號(hào)電壓5VDC，與百格拉電機(jī)配套性能最佳。 1. 電氣參數(shù)如下表 表2 WD3-007的電氣參數(shù) 輸入電壓 單相220V輸入（-30%~+20%）；頻率：45~66Hz 輸入電流 小于2.5安培 輸出電壓 3325VAC 輸出電流 0.66~2.5A 功 耗 功耗：80W；內(nèi)部保險(xiǎn)：6.3A 溫 度 工作溫度小于50℃；存放溫度-40℃~70℃ 濕 度 不能結(jié)露，不能有水珠 氣 體 禁止有可燃?xì)怏w和大量導(dǎo)電灰塵 2. WD3-007的主要特點(diǎn)： 1）交流伺服工作原理，交流伺服運(yùn)行特性，三相正弦電流驅(qū)動(dòng)

46、輸出。 2）只要環(huán)境溫度不超過(guò)55℃，驅(qū)動(dòng)器就可以正常工作。 3）電路板采取三防處理，有過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及相間短路保護(hù)功能。 4）驅(qū)動(dòng)器的輸入電源是220VAC，變化范圍是：-30%~+20%。 5）電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器間僅用3根線，減少連線出錯(cuò)的可能性。 6）幾乎無(wú)共振和爬行，輸出相電流可設(shè)置，帶有十細(xì)分和半流功能特性，噪聲幾乎與交流伺服電機(jī)一樣。 7）比同樣尺寸的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大20%左右。 8）電機(jī)的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)無(wú)關(guān)。 9）電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)可依用戶要求分別設(shè)定為500、1000、5000、10000步/轉(zhuǎn)。 10）由于驅(qū)動(dòng)器采用了正弦電流

47、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率高達(dá)4.3-5.3KHz。 11）電機(jī)上下電時(shí)，輸出軸位置不變，給工作帶來(lái)很大方便。 3. 連線及參數(shù)設(shè)置： 圖14 WD3-007面板圖 4. 控制信號(hào)定義 PULSE：脈沖信號(hào)輸入端，每一個(gè)脈沖的上升沿使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 DIR：方向信號(hào)輸入端，如“DIR”為低電平，電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；“DIR”為高電平電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 CW：正轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 RESET：復(fù)位信號(hào)，如復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，輸入脈沖信號(hào)起作用，如果復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)就禁止任何有效的脈沖，輸入信號(hào)無(wú)效，

48、電機(jī)無(wú)保持扭矩。 READDY: 輸入報(bào)警信號(hào)。READY是繼電器開關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作異常時(shí)繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mA≤I≤200mA，電阻性負(fù)載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，外部24VDC通過(guò)繼電器輸入到CNC輸入端，否則外部24VDC無(wú)法輸入到CNC輸入端。 注意：PULSE+與CW+，PULSE-與CW-，DIR-與CCW-對(duì)應(yīng)同一個(gè)接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。 下面為脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖： 圖15脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖 5. 控制信號(hào)連接

49、上位機(jī)的控制信號(hào)可以高電平有效，也可以低電平有效。當(dāng)高有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的負(fù)端連在一起作為信號(hào)地，低有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的正端連在一起作為信號(hào)公共端。 注意：公共端不能與大地（殼體）接到一起。 “PULSE.SYS”為控制方式選擇開關(guān)，兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)兩種控制方式。 下表中列出了控制信號(hào)高有效和低有效時(shí)的接線方式。 表3 控制信號(hào)接線方式 PULSE.SYS 控制方式 高電平有效接線 低電平有效接線 ON 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) PULSE+接正轉(zhuǎn)信號(hào) DIR+接反轉(zhuǎn)信號(hào) PULSE-與DIR-短接為信號(hào)地 PULSE-接正轉(zhuǎn)信號(hào) DIR-接反轉(zhuǎn)信號(hào)

50、 PULSE+與DIR+短接為公共端 OFF 脈沖和方向 PULSE+接脈沖信號(hào) DIR+接方向信號(hào) PULSE-與DIR-短接為信號(hào)地 PULSE-接脈沖信號(hào) DIR-接方向信號(hào) PULSE+與DIR+短接為公共端 2.4.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMD18200。LMD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，無(wú) “shot-through” 電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過(guò)流保護(hù)

51、的測(cè)量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測(cè)出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過(guò)流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流保護(hù)功能。LMD18200的5腳為PWM波輸入端，通過(guò)改變PWM的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此電路和以上幾種驅(qū)動(dòng)電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如下： 圖16 LMD182000內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 1. 各引腳的功能 1、11腳：橋臂1、2的自舉輸入電容連接端，在腳1與腳2、腳10與腳11之間應(yīng)接入10nF的自舉電容。 2、10腳：H橋輸出端。 3腳：方向輸入端。轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見(jiàn)

52、表3，該腳控制輸出1與輸出2 （腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。 4腳：剎車輸入端。剎車時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見(jiàn)表4，通過(guò)該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號(hào)輸入端（腳5）置邏輯高電平，腳3的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中兩個(gè)高端晶體管導(dǎo)通。3腳呈邏輯低電平時(shí)，H橋中兩個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平，腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷。此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小的電流（1. 5mA）。 5腳：PWM信號(hào)輸入端。PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見(jiàn)表3，該端與3腳（DIRECTION）如何使用，決定于PWM

53、信號(hào)類型。 6、7腳：電源正端與負(fù)端。 8腳：電流取樣輸出端，提供電流取樣信號(hào)。 9腳：溫度報(bào)警輸出。提供溫度報(bào)警信號(hào)，芯片結(jié)溫達(dá)145℃時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖剑Y(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。 表4 邏輯真值表 PWM 轉(zhuǎn)向 剎車 實(shí)際輸出電流 H H L 流出1，流入2 H L L 流入1，流出2 L —— L 流出1，流出2 H H H 流出1，流出2 H L H 流入1，流入2 L —— H NONE 2. LMD18200主要特點(diǎn) 1）額定電流3A，峰值電流6A。 2）電源電壓55V。 3）功率晶體管導(dǎo)通電阻RD

54、S為0. 38。 4）TTL和CMOS兼容的控制信號(hào)輸入。 5）內(nèi)含防橋臂單側(cè)直通電路。 6）芯片過(guò)熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷。 7）內(nèi)部的充電泵電路提供橋路上臂兩管的柵極電壓。 3. 控制方式 LMD18200提供雙極性方式（也稱反向鎖定控制）和單極性方式（也稱方向脈寬控制）兩種工作方式。在雙極性工作方式中，單個(gè)的PWM信號(hào)接入LMD18200的DIR端子，由PWM信號(hào)的占空比大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，當(dāng)占空比為50%時(shí)，UAB電壓的平均值為零，電機(jī)靜止；當(dāng)占空比為75%時(shí)，UAB平均值大于零，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比為25%時(shí)，UAB的平均值小于零，電機(jī)反轉(zhuǎn)。使用單極性工作方式，在單極性這

55、種工作方式中，PWM脈沖信號(hào)接在LMD18200的PWM端，而方向信號(hào)接在DIR端，PWM端脈沖信號(hào)的占空比決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，而DIR端的電平高低決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。如果控制器能提供PWM和DIR信號(hào)，則使驅(qū)動(dòng)器工作在單極性方式，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)為全數(shù)字式，避免了模擬電壓的溫漂和噪聲干擾等不利影響。 4. 驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì) 圖17為所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器電路原理圖： 圖17 驅(qū)動(dòng)器電路原理圖 5. 基本工作原理 1）電流取樣 每輸出1A電流，腳8輸出377nA的取樣電流。接在8腳與地之間的電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓幅值在5-8V之間時(shí)，線性度與精度最佳。該端最高電壓12V。電流取樣電路并不

56、檢測(cè)反饋電流，僅檢測(cè)橋臂上端晶體管中的電流。 2）溫度報(bào)警標(biāo)志 該端（9腳）為OC門輸出，該端通常接到系統(tǒng)控制器的中斷輸入，以便過(guò)熱時(shí)對(duì)系統(tǒng)采取適當(dāng)措施。該端最高電壓為12V。 3）限流 LMD18200內(nèi)部含有限流保護(hù)電路。該電路檢測(cè)器件中的電流，該電流接近10A時(shí)，迅速關(guān)斷功率器件。器件關(guān)斷后，保護(hù)電路周期性的重新試圖開通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就能夠恢復(fù)正常運(yùn)行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，因此，實(shí)際使用時(shí)，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時(shí)，為了散熱，芯片電源端VCC（腳6）在PCB板上需要1平方英寸的銅箔。 4）充電泵電路 如圖18所示，開通高端的D

57、MOS管時(shí)，每個(gè)器件的柵極電壓應(yīng)比電流取樣電壓約高8V。采用內(nèi)部充電泵電路可獲取該電壓。利用內(nèi)部300kHz的振蕩器對(duì)內(nèi)部自舉電容充電可獲得14V電壓，該驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間為20ns，可保證器件的開關(guān)頻率達(dá)1kHz；開關(guān)頻率更高時(shí)，可采用外部自舉電容，并由DMOS管對(duì)該自舉電容充電，H橋輸出端與自舉端接入10nF外部電容，可提供上升時(shí)間達(dá)100ns的驅(qū)動(dòng)電壓，從而保證開關(guān)頻率達(dá)到500kHz。 圖18 內(nèi)部充電泵電路/自舉電路 5）內(nèi)部續(xù)流二極管 H橋中四個(gè)DMOS管都有續(xù)流（保護(hù)）二極管，高端續(xù)流二極管流過(guò)6A的反向電流時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間為70ns，反向恢復(fù)電流為1A。同樣條件下，低

58、端續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為100ns，反向恢復(fù)電流為4A。 3 基于PLC的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 基于PLC的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 清淤機(jī)器人的控制過(guò)程 根據(jù)唐山市排水管道的實(shí)際情況及前面的分析，確定PLC控制清淤機(jī)器人的過(guò)程如下： 1. 按下啟動(dòng)按鈕，載體電機(jī)正轉(zhuǎn)、收放電機(jī)反轉(zhuǎn)和刀具電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，延時(shí)2S后刀具電機(jī)開始啟動(dòng)。 2. 清淤機(jī)器人在工作過(guò)程中，通過(guò)高速計(jì)數(shù)指令完成載體打滑、電機(jī)過(guò)載、遇大障及工作位置輸出的檢測(cè)。因?yàn)榍逵贆C(jī)器人在工作過(guò)程中可能會(huì)打滑或電機(jī)過(guò)載，會(huì)使載體速度變慢；遇到障礙或者出現(xiàn)故障，載體停止，如果有工作位置的顯示，工作人員可以

59、很方便的查出出現(xiàn)障礙的位置和清淤機(jī)器人出現(xiàn)故障的位置，方便及時(shí)處理問(wèn)題。當(dāng)清淤機(jī)器人不能向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器停止輸出脈沖給高速計(jì)數(shù)器，利用高速計(jì)數(shù)功能當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前值等于上一時(shí)間段的值時(shí)，說(shuō)明清淤機(jī)器人遇障并停止工作。 3. 清淤機(jī)器人到達(dá)右井口行程開關(guān)時(shí)或按下手動(dòng)返回按鈕，PLC接收到右行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，使刀具電機(jī)停止，載體電機(jī)反轉(zhuǎn)、收放線電機(jī)正轉(zhuǎn)使清淤機(jī)器人返回。 4. 當(dāng)清污機(jī)到達(dá)左井口行程開關(guān)時(shí)，接收到左行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，清淤機(jī)器人停止。因?yàn)閷⑿谐涕_關(guān)安裝在工作管道的對(duì)面管口處，所以不用停車延時(shí)，使載體電機(jī)和收放電機(jī)直接停止工作。此時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。調(diào)節(jié)電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到

60、調(diào)節(jié)裝置回到原位，調(diào)節(jié)電機(jī)停止。 5. 如果需要急停時(shí)，按下急停按鈕，四臺(tái)電機(jī)全部停止。 3.2 PLC的選型和通信 3.2.1 PLC的選型 在工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的控制要求，明確控制任務(wù)和范圍，確定所需的操作和動(dòng)作；然后，根據(jù)控制要求估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器的容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備的選擇等；最后，設(shè)計(jì)選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 首先確定系統(tǒng)用PLC是單機(jī)控制還是用PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計(jì)算PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并且在選購(gòu)PLC時(shí)要在實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上有一定的余量（10%）。然后列出被控對(duì)象輸入輸出的設(shè)備名稱，并根據(jù)所帶的輸入輸出

61、點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮為了控制的要求而增加的一些開關(guān)、按鈕或報(bào)警的信號(hào)，例如，增加總的供電開關(guān)、為手動(dòng)需要而增加的手動(dòng)自動(dòng)開關(guān)、為聯(lián)鎖需要設(shè)置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關(guān)等。 80點(diǎn)以內(nèi)的系統(tǒng)選用不需擴(kuò)展模塊的PLC單機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，就需擴(kuò)展。不同公司的產(chǎn)品，對(duì)系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展模塊的數(shù)量都有限制。當(dāng)擴(kuò)展不能滿足要求時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在一些廠家產(chǎn)品的個(gè)別指令不支持?jǐn)U展模塊，因此，在進(jìn)行軟件編制時(shí)要注意。 在S7-200系列PLC中，一臺(tái)PLC中只有兩個(gè)高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個(gè)PWM脈沖輸出來(lái)控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)，因此必須選兩個(gè)PLC才能進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際的I/O

62、點(diǎn)數(shù)，選用CPU226控制M1、M2，CPU224控制M3、M4。由于選擇了兩臺(tái)PLC，所以就必須進(jìn)行兩臺(tái)PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。 3.2.2 兩臺(tái)PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信 S7-200系列PLC具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，它可以通過(guò)內(nèi)部集成的通訊口以多種方式與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，組成不同的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。 S7-200系列PLC支持多種通訊協(xié)議，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（Point-to-Point Interface，PPI）、多點(diǎn)接口（Multi-Point Interface，MPI）、現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBLS和自由口（Freeport）方式。 1. PPI通訊協(xié)議 PPI協(xié)議是S7-2

63、00PLC專用的一個(gè)協(xié)議。PPI是一個(gè)主/從協(xié)議，任這個(gè)協(xié)議中，主站（PLC、編程器或操作單元）給從站（網(wǎng)絡(luò)中的所有PLC都可作為從站）發(fā)出申請(qǐng)，從站進(jìn)行響應(yīng)、從站不初始化信息，但是當(dāng)主站發(fā)出申請(qǐng)或查詢時(shí)，從站才響應(yīng)。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有127個(gè)地址，其中最多有32個(gè)主站。在編程時(shí)，用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令NETR和 NETW進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。如果需要遠(yuǎn)程的編程或監(jiān)控，可以利用調(diào)制解調(diào)器來(lái)進(jìn)行通訊。 2. MPI通訊協(xié)議 MPI協(xié)議可以是主/主協(xié)議或主/從協(xié)議，協(xié)議如何操作取決于設(shè)備類型。MPI協(xié)議可以在兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間建立連接。 3. ROFIBUS協(xié)議 ROFIBUS協(xié)議設(shè)計(jì)用于分

64、布式I/O設(shè)備的高速通訊，它是目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。ROFIBUS上可以連接的設(shè)備包括從簡(jiǎn)單的輸入或輸出設(shè)備到變頻調(diào)速器和可編程序控制。S7-200系列PLC可以通過(guò)內(nèi)部集成或擴(kuò)展的通訊接口連接到ROFIBUS上，從而與一個(gè)大型的控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。利用小型PLC控制的分散性，降低集中控制的危險(xiǎn)程度。提高系統(tǒng)的處理能力和安全性，這對(duì)于大型的控制系統(tǒng)和控制對(duì)象相對(duì)分散的情況很有實(shí)用價(jià)值。 4. Freeport通訊 Freeport通訊方式是一種用戶自定義的協(xié)議，可以通過(guò)用戶程序控制S7-200系列PLC的通訊口。在Freeport方式下，通訊口的協(xié)議由外設(shè)決定，PLC通過(guò)程序

65、來(lái)適應(yīng)外設(shè)。該方式使得S7-200系列PLC可以與任何具有通訊能力、并且協(xié)議公開的設(shè)備相通訊。利用自由口模式，可以連接多種智能設(shè)備，如打印機(jī)、變頻器、條碼閱讀器等，以及實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)通訊、連接調(diào)制解調(diào)器等。 這次設(shè)計(jì)中，使用PPI通訊協(xié)議。CPU226為主站，CPU224為從站，當(dāng)主站CPU226發(fā)出申請(qǐng)或查詢時(shí)，從站CPU224才響應(yīng)。兩臺(tái)PLC用PPI電纜連接起來(lái)，用網(wǎng)絡(luò)讀（NETR）和網(wǎng)絡(luò)寫（NETW）指令來(lái)實(shí)現(xiàn)他們之間的通信。網(wǎng)絡(luò)讀寫指令的應(yīng)用詳見(jiàn)前面S7-200指令介紹，通信程序見(jiàn)程序清單。 3.3 I/O端點(diǎn)的確定和分配 輸入輸出點(diǎn)數(shù)（I/O點(diǎn)數(shù)），指可編程序控制器外部輸

66、人輸出端子數(shù)，這是PLC的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，常用I/O點(diǎn)數(shù)來(lái)表征PLC的規(guī)模大小。 輸入/輸出接口是PLC主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接電路。為了提高抗干擾能力，一般輸入、輸出接口均有光電隔離電路，即由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器。 來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)元件、指令元件的信號(hào)經(jīng)輸人接口進(jìn)入PLC。檢測(cè)元件是指?jìng)鞲衅鳌粹o、寄存器觸點(diǎn)、行程開關(guān)等，利用這些元件檢測(cè)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、位置、電流、電壓等物理量即檢測(cè)元件信號(hào)；指令元件信號(hào)是指操作者在控制臺(tái)或鍵盤上發(fā)出的信號(hào)，如啟動(dòng)、暫停、調(diào)整等。這些信號(hào)有的是開關(guān)量，有的是模擬量，有的是直流信號(hào)，有的是交流信號(hào)，所以要根據(jù)輸入信號(hào)的類型選擇合適的輸入接口。 由PLC發(fā)出的各種控制信號(hào)經(jīng)輸出接口去控制和驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如控制指示燈的亮滅、電磁閥的開閉、繼電器線圈的通電和斷電、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)等等?？刂曝?fù)載的輸出信號(hào)也有不同的形式，同樣要選擇合適的輸出接口。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件的不同需要，輸出接口的放大環(huán)節(jié)分為繼電器型、晶閘管型和晶體管型三種類型：繼電器型輸出接口為有觸點(diǎn)輸出，外加負(fù)載電源既