西门子6ES222-1BD22-0XA0大量现货
针对多关节产业机械手的比例和开关控制，以PLC作为其控制器，通过无线数传模块进行数据传输，实现远程无线远控操纵。手持操纵器采用16位单片机，对检测到的按钮和摇杆操纵进行数据编码后通过无线的方式发送至PLC，PLC对其jiema后获得指令实现对机械手各关节运动的控制。该方案本钱低，具有良好的通用性和可扩展性。
关键词：无线远控; 无线数传模块; PLC; 机械手
0.前言
可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种适用性强的产业用控制器，广泛应用于各类产业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的产业场合。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，具有丰富的总线接口形式，可以利用公然的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的产业机械手中，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，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，操纵职员与控制系统的位置安排不方便。具有高度灵活性的无线远控操纵系统的应用得到了推广。目前产业上应用的无线远控操纵系同一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RF Monolithics、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，广泛应用于产业远控、远测，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。传输间隔可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的间隔。目前很多厂商推出了产业化、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进式处理器的产业用无线远控器，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产业机械手中，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讯方式收发数字信号，实现远程无线远控功能，所设计的手持远控器的输进开关量及模拟量由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，有自动和手动操纵两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末真个方位与角度，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，由操纵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，比例摇杆则根据操纵职员的控制，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
在布线方便的情况下，按钮操纵及摇杆操纵的开关及比例信号可通过电缆直接输进到PLC的数字量及模拟量输进模块。这种方式结构简单、本钱低、可靠性高，控制系统的硬件设计及软件编程极为简化。但在实际产业现场中，布线受到诸多限制，尤其是对于移动型设备，采用有线控制方式职员操纵不够方便灵活。由于我们研制的机械手需要在轨道上长间隔运动，且操纵间隔较远，必须采用无线远控操纵的方式。为此我们采用无线数传模块作为通讯模块，并设计了基于16位单片机的手持式操纵器，改进后的远控型机械手控制系统总体功能框图如图2所示。无线数传模块成对使用，在手持操纵器端和机械手本体上的控制系统端各有一块，分别完成数据的无线发送及接收功能。在控制系统需要的时候，也可以双向收发，即同一真个数传模块在数据接收和数据发送功能中切换。此时需要留意，数传模块的发送与接收功能的切换需要一定的时间。
手持操纵器根据操纵员对按钮及摇杆的不同操纵，通过IO口及AD转换进行采集，采集后的信息进行数字编码后形成指令，以ASCII码的形式通过串口发送到无线数传模块，无线数传模块再将指令以无线方式发出;机械手上的控制系统的数传模块接收到发送来的指令编码后通过串口总线传送至PLC，PLC对指令编码进行jiema，分解出不同的操纵指令，进行逻辑运算，根据不同的指令得到不同的需要执行的动作，再通过数字输出和模拟输出控制相应的继电器或阀动作，从而实现对机械手各关节的远程无线操纵。通过信号电缆连接到PLC的按钮操纵输进及摇杆操纵输进保存在机械手本体上，作为备份或检验使用。在PLC数字输进口和手持操纵器上均设置远控操纵切换按钮，可以进进或退出远控操纵模式。PLC上的按钮操纵应具有更高的优先级。
由于摇杆操纵采集的对象为摇杆的比例位置状态，它采用的是自动对中的设计的。在控制系统软件结构上，采用循环发送指令的方式。即进进无线控制状态后，手持操纵器就定时地将采集到的状态发送出来，而不管此时有没有操纵职员的操纵输进。
图2 远控型机械手控制系统功能框图
2.通讯模式选择
无线数传模块一般具备三种接口模式：TTL电平UART接口，可直接与单片机或其它芯片的串口管脚相连;标准的RS-232接口;标准的RS-485接口。其中232接口模式与485接口模式通过跳线进行切换。西门子的S7-200系列PLC具备一个或两个RS-485标准的接口，可以采用后两种方式，将PLC直接与无线数传模块的485接口相连;或者利用与PLC相配的PC/PPI电缆将PLC的485接口转换为232接口后，再与无线数传模块的232接口相连。
S7-200系列PLC的通讯端口支持多种通讯协议，此处可以采用的有两种。一种是西门子的PPI主-从协议，利用这种协议主站可以直接对从站，即控制系统中的PLC，发出指令，控制从站的各端口及功能。这种方式PLC的编程简单，不需要对原有从站程序进行修改。PPI协议不是一个公然的协议，在文献[4>中提到了一种通过串口侦听获取PPI协议从而利用主站编程控制从站的方式。一种通讯模式是自由口模式，利用自定义的PLC程序控制S7-200 CPU的通讯端口，使用用户自己定义的通讯协议来实现与外界的通讯。这种模式支持ASCII和二进制协议。自由口模式使用简单、灵活，但需要对PLC进行专门的编程。由于无线远控所需数据量不大，通过比较，选择了自由口通讯模式，以ASCII码的形式在手持操纵器和PLC之间传递命令和反馈信息。在PLC内编写了专门的无线控制程序，实现无线控制状态下的数据通讯及对机械手的控制。
无线数传模块的功能仅为实现PLC与手持操纵器的无线通讯功能，对于PLC与手持操纵器中CPU而言，通过无线数传模块的无线通讯与通过串行端口直接相连的有线通讯两种方式，在编程上是没有任何差别的。
单片机与无线数传模块的通讯接口则可以选择三种接口模式中的任一种，既可以采用简单的直接相连;为进步稳定性，也可以采用232或485芯片进行电平转换后再与数传模块相连。为保持更好的可扩展性，我们选择了RS-232接口标准。
3.手持操纵器的设计
手持操纵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纵输进，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qiche电子、产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。该系列单片机适应于恶劣的产业环境，工作温度可在-40～125°C。[6>针对我们所设计的手持操纵器的功能，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，使该远控用具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。
手持操纵器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操纵产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操纵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。
手持操纵器由电池供电，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
无线远控操纵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讯所产生的错误指令;
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远控的可靠性，防止产生错误操纵指令或机械手失控。
5.结论
通过试验证实，这种采用PLC和无线数传模块的远控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的产业化产品，可靠性高，本钱低，扩展性好，本方案具有较高的实用价值，简化了设计过程。但手持操纵器中的单片机模块尚需的产业化设计，以达到更高的产业可靠性要求，并实现总线通讯、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，利用产业化的无线数传模块，将PLC控制与无线远控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了本钱、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求。
1.前言
可编程控制器（PLC）作为一种高性能的产业现场控制装置，已广泛地用于产业控制的各个领域。目前，产业自动控制对PLC的网络通讯能力要求越来越高， PLC与上位机之间、PLC与PLC之间都要能够进行数据共享和控制。
飞剪控制系统要求在阔别PLC的控制室里，实时监控电机、供纸、刀辊等设备。上位机为普通PC机，下位机为 SIEMENS S7-222 PLC。在实际开发中，采用自由口通讯模式，自定义 PC与 PLC的通讯协议，用Step7编写PLC真个通讯程序，而在 PC端用VC6.0实现串行通讯的控制和监控界面的显示。
2.通讯方式及原理
S7-200系列PLC通讯方式有三种：一种是点对点（PPI）方式，用于与西门子公司的PLC编程器或其它产品通讯，其通讯协议是不公然的。另一种为DP方式，这种方式使得PLC可通过Profibus的DP通讯接口接进现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围。后一种方式是自由口（FreePort）通讯方式，由用户定义通讯协议，实现PLC与外设的通讯。本系统中采用自由口通讯方式。它是S7-200系列PLC一个很有特色的功能。这种方式不需要增加投资，具有较好的灵活性，适合小规模控制系统。自由口通讯在物理接口上要求双方都使用RS485接口，波特率高为38400bps。固然PC机的标准串口为RS232，但西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232 /RS485电平转换器，在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。
2.1自由口模式的初始化
PLC的自由口模式通讯编程是对串口初始化。对S7-200PLC的初始化是通过对特殊存储字节SMB30（端口0）写进通讯控制字，来设置通讯的波特率、奇偶校验、停止位和数据位数。显然，这些设定必须与上位机设定值相一致。还可选择通讯模式和主从站模式，各具体存储位内容可参考SIMATIC S7-200系统手册。
2.2自由口模式下收发数据
初始化自由端口通讯模式后，就可以进行数据的收发。
（1） 发送数据指令 XMT
格式：XMT Table，Port。可以用 XMT指令发送数据，XMT指令激活发送缓冲区（从Table开始的变量存储区）中的数据。数据缓冲区的个数据指明了要发送的字节数，Port指明了用于发送的端口，缓冲区多可以有255个字符。在发完缓冲区的后一个字符时，会产生一个中断 （对端口 0为中断事件9）。本例的XMT缓冲区的格式如表1。其中，状态字节表示PLC是否正确接收了上位机所传数据;上传数据为PLC上传给PC的数据，需将9字节的16进制数编码为18字节的ASIIC码，字节数为18;BCC为上传数据的异或和，同样将16进制数编码为ASIIC码;结束字符的值为26。
表1 发送缓冲区
表2 接收缓冲区
RCV Table，Port。用 RCV指令接收多为255个字符的数据，这些字符存储在缓冲区中。在接收到结束字符时，会产生一个中断（对端口 0为中断事件23）。本例的RCV缓冲区的格式如表2。其中，命令类型表示上位机让PLC 执行什么操纵，如读或写;目标站号是分配给PLC的一个代号;起始地址是PLC要进行读写的存储区的起始地址;读写字节数是PLC接到命令后，对存储区进行读写的字节数，本例中多写进16字节、读出9字节;写进数据是上位机要写进PLC的数据，对于读命令不起作用;BCC是从命令类型开始到写进数据为止的43字节数据的异或和。从目标站号到BCC这几项内容，都是把16进制数编码为ASIIC码来表示的。
3.自由口通讯程序设计
通讯程序的设计需遵循一定的规则，如中断通讯处理程序要短小精悍、要避免XMT与RCV指令在一个端口执行等。整个PLC通讯程序包括主程序、通讯初始化子程序、校验子程序、读写数据子程序和发送完成、接收完成中断服务程序。
3.1主程序
通讯主程序是PLC实现接收、发送功能的主框架。其主要流程为查询接收是否完成，校验，再根据命令类型执行读、写等操纵。它的作用是控制程序的主流程，校验、读写等具体工作由相应的子程序完成。流程如图1。
3.2通讯初始化程序
通讯初始化子程序设置自由口通讯的有关参数，对接收信息控制寄存器SMB87写进控制字，定义起始字符、结束字符和接收超时。设好自由口模式的这些参数后，还要连接中断事件和中断服务程序，并打开中断。后，把接收、发送缓冲区写进初值即可。
3.3校验子程序
每次PLC接收完1帧数据，就调用此子程序进行校验。进进子程序后，先清除接收完成标志位，再计算所接收数据的校验和BCC。假如正确，还要检验结束字符是否为‘G’。不是的话，说明数据报文长度不对或传输过程中发生了错误，需要向上位机返回相应的出错信息。流程如图2。
图1 主程序流程图
图2 校验子程序流程图
3.4读、写数据子程序
这2个子程序的任务是把PLC存储区中的数据发给上位机或把上位机传来的数据写进PLC存储区。二者的流程相似，只是数据流向不同。进进子程序后，先停止接收，完成数据传输，后发送应答报文。不同之处就是应答报文中的状态字节：读操纵时是1、写操纵时是2。
3.5接收、发送完成中断服务程序
当PLC接收到结束字符后产生中断（事件号9）或数据发送结束后产生中断（事件号23），这两个服务程序被执行。接收完，先把接收完标志置1，启动接收。发送完，先清除校验正确标志，再把接收缓冲区中的结束字符和计算出的接收BCC结果清零，后启动接收。
由于是半双工通讯，PLC无论是发送和接收完数据后，都必须将通讯口设置成接收状态。否则，PLC就接收不到任何数据了。
4.上位机的通讯编程
上位机通过RS232口与PLC进行通讯，bbbbbbs环境串口通讯程序利用VC6编写。VC6编写串口通讯程序通常有MSCOMM控件和通讯API两种方法。二者各有优缺点。MSCOMM控件封装了微机串口通讯的基本功能，使用者只需设置一些基本参数，就可以通过串口收发数据了。这种方法简单，易于编程职员使用，现在已有很多例子供参考。用通讯API编写串口程序相对复杂一些。开发者要直接使用bbbbbbs提供的一组API函数来完成上述控件封装好的功能。使用API编程比使用控件更复杂，但也更灵活。通讯控件已经封装好的功能是无法改变的，而使用API就能针对通讯协议编写效率更高的代码。
在飞剪控制系统的上位机程序中，使用通讯API编写了串口读写的模块。接收时，程序要查找起始字符‘g’，以确定1帧数据的开始;再根据下一个状态字节判定通讯的正确性;后，把长度为23字节的数据帧接收好，并预备接收下一帧。发送过程不用判定数据内容，执行发送函数即可。需要留意的是：由于PLC通讯口是半双工的，在PLC向上位机上传数据时，上位机要等1帧数据接收完毕，再执行发送操纵，以避免收发冲突。
图3 上位机串口通讯流程图
5.结束语
本系统取PC机和PLC各自的特点，实现了对飞剪系统的实时监控。通过利用PLC（下位机 ）的自由口通讯协议和上位机的VC开发工具，可以方便地开发出PC机和PLC通讯应用软件。这种方法节省投资，对小规模的系统极具现实意义。系统具有实时性好、速度快、可靠性高、操纵方便等优点，达到了预期的效果。经现场调试及运行表明，该系统适合于飞剪系统的实时监控。
1引言
水处理是长期以来倍受关注的领域之一，它是改善居民生活环境、tigao人民健康水平的重要手段。旋转流管式膜微滤水处理装置是一种新的水处理工艺，它采用OMRONPLC对整个工艺流程进行控制，采用Inbbblution公司的FIX6.1组态软件对整个工艺流程进行动态实时显示，实现了对liuliang和压力瞬时值的数据采集、显示及曲线记录，以及各种事故的报警控制等功能。
2系统工艺流程及控制要求
(1) 工艺流程
旋转流管式膜微滤水处理工艺流程如图1所示，被控系统有两套净化装置，这两套净化装置不允许工作，当一套处于净化状态时，另一套应处于反冲状态或备用状态。净化时，进水加压泵M1工作；反冲时，反冲加压泵M2工作。不论是在净化状态还是在反冲状态，均有相应的仪表对liuliang和压力信号进行检测和记录。
(2) 系统的控制要求
根据工艺流程，对所设计的控制系统提出以下要求：
①将开关SA打到微机控制状态，在微机控制界面上起动Ⅰ套净化装置，由接触器KM1控制进水加压泵M1（由变频器控制）工作，电磁阀YVX11及YV112、YV113、YV114（后三个阀由KM1通过中间继电器KA1控制）打开，控制Ⅰ套的净化工作。
②Ⅰ套进行净化工作时，通过压力表PIT1、PIT2，liuliang计FIT1、FIT2、FIT5对其管道中的压力与liuliang进行监测。当liuliang计FIT5所检测到的liuliang值小于某一给定的liuliang值时，说明Ⅰ套的净化装置由于杂质堵塞而效率过低，此时应使Ⅰ套停止净化，加压泵M1停止工作，电磁阀YVX11、YV112、YV113、YV114关闭；进行Ⅰ套反冲洗，由KM2控制的反冲泵M2工作，电磁阀YVX21、YV122和YV123打开（反冲工作一段时间后自动停止）；Ⅰ套反冲洗的起动Ⅱ套净化装置进行净化。
③Ⅱ套装置净化时，由接触器KM1控制的进水加压泵M1（由变频器控制）工作，电磁阀YVX11及YV212、YV213、YV214（后三个阀由KM1通过中间继电器KA3控制）打开，通过压力表PIT3、PIT4，liuliang计FIT3、FIT4、FIT5对其管道中的压力和liuliang进行监测，当liuliang计FIT5所检测到的liuliang值小于某一给定的liuliang值时，说明Ⅱ套的净化装置由于杂质堵塞而效率过低，此时应使Ⅱ套停止净化，加压泵M1停止工作，电磁阀YVX11及YV212、YV213、YV214关闭；进行Ⅱ套反冲，由KM2控制的反冲泵M2工作，电磁阀YVX21、YV222和YV223打开（反冲工作一段时间后自动停止）；Ⅱ套反冲洗的起动Ⅰ套净化装置进行净化，如此反复循环。
④ Ⅰ套和Ⅱ套装置在工作的过程中可通过微机界面上的停止按钮随时可以停止工作，Ⅰ套和Ⅱ套装置也可以单独地进行反冲。
⑤ 进水加压泵M1通过模拟量输出模块对变频器进行变频调速。
⑥ 当M1、M2过载或变频器故障时，进行声、光报警，以提示操作人员进行处理。
⑦ 变频器故障时可给PLC提供相应的控制信号。
⑧ 必要时，可将电磁阀YVX15打开，使净化装置断水。
⑨ 考虑到电动机的惯性，系统停止工作时，先停止水泵，短暂延时后再关闭阀门。
图1旋转流管式膜微滤水处理工艺流程图
3控制系统的设计
(1)控制系统的结构
根据工艺要求，考虑到系统中处理的主要是开关量信号，采用PLC来实现对整个系统的控制；采用组态软件对系统进行显示和监控。
(2)PLC系统设计
本系统采用OMRONC200HE系列的PLC，从系统的输入/输出点数考虑，PLC系统构成如图2所示。
图2PLC控制系统结构
PLC控制系统中包括：8槽CPU底板（C200HW-BCO81-V1）一块，通过内置的总线将各模块连接在系统中；电源模块（PA204）一块；CPU（CPU42-E）一块；16点开关量输入模块（ID212）一块；16点开关量输出模块（OC225）一块；8路模拟量输入模块（AD003）两块，分别对Ⅰ套和Ⅱ套净化装置的压力和liuliang进行采集；8路模拟量输出模块（DA004）一块，对变频器进行控制，从而对进水加压泵进行控制。
编程软件采用OMRON公司SYSMAC-CPT通用软件包，它可对C200HE系列及其它系列进行编程。SYSMAC-CPT是基于bbbbbbs环境下的编程软件，将它装入上位计算机中，用RS-232通信线和PLC连接，采用梯形图直接对PLC编程和监控，编制的程序可在PLC和计算机之间相互传送或存储在磁盘上。
(3)上位机监控组态软件
本系统采用美国Inbbblution公司的FIX6.1工业控制组态软件，通过RS-232串行通讯口使PC机与C200HE系列的PLC进行通讯。
通过FIX组态软件可以对工艺过程进行实时监控。FIX组态软件是以块为基础的，不同类型的块可以定义多种不同的节点，每个节点承担了一定的控制功能，在整个水处理的工作过程中，要用到模拟数值输入/输出块、数字数值输入/输出块、计算块等。上位机对电磁阀的控制就必须通过数字数值输出块来进行，每个阀门的控制对应了相应的数字输出节点。上位机不仅能接受来自PLC的控制信号并以动画的形式进行显示，还能够通过通讯端口向PLC发出控制命令，对现场进行控制。通过模拟块，上位机通过通讯端口可以从PLC上读取来自控制现场的仪表所采集到的压力和liuliang的实时数据，再经过计算块的转换，在上位机上将数值实时地显示出来，并对系统出现的故障能及时报警。旋转流管式膜微滤监控界面如图3所示，数据的实时曲线和历史曲线如图4所示。
图3旋转流管式膜微滤监控系统界面
图4数据的实时采集曲线
4结语
旋转流管式膜微滤是一种新的污水处理工艺，采用本文所设计的控制方案对其进行自动控制，各项指标均达到工艺要求，取得了较好的控制效果。目前，控制系统已调试完毕并投运，运行情况良好。