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1、基于S7-200 PLC 的ABU参赛机器人控制系统设计摘 要: 根据 ABU 参赛机器人的比赛要求，设计出了一套以可编程序控制器（ S7- 200 PLC）为控制核心的机器人自动控制系统。介绍了系统主要硬件配置、系统控制方法、S7- 200 程序结构。该系统控制算法采用PID算法，且根据现场比赛要求实现了从手动到自动的无干扰切换功能。经过试运行和实战演习表明，基于 PID控制规律的机器人 PLC 控制系统运行稳定可靠，操作方便，易于维护。1 引 言亚 洲 - 太 平 洋 广 播 联 盟 ABU ( Asia -PacificBroadcasting Union) 每年一次的“ 亚太地区大学生
2、机器人 比赛”受到了亚洲各国的重视, 每年在亚广联比赛前我国都举行一次国内选拔比赛, 赛题与亚广联同步。2005 年比赛的题目是“ 登长城、点火炬”。我们根据本次大赛的主题经过潜心研究, 开发和研制了一套以可编程序控制器( PLC) 为主控部件的机器人自动控制系统。2 系统硬件设计2.1 系统总体结构机器人控制系统部分主要由 SIEMENS S7-200 PLC、操作面板、传感器组、运控器组、继电器组、电磁铁等组成。控制系统总体结构如图 1 所示。( 1) 可编程序控制器Siemense simatic S7-200 PLC 是德国西门子公司生产的一种模块化小型 PLC, 可自由扩展, 应用十
3、分灵活。为满足机器人控制需大量地输入点和输出点的要求, 本系统 S7-200 PLC由电源模块、中央处理单元 CPU224、模拟量输入扩展模块 EM231、模拟量输出扩展模块 EM232、数字量输出扩展模块 EM222 等组成, 主要完成各种类型的开关量输入信号检测、输出信号控制以及传感器信号检测、模拟量信号输入与输出等功能。( 2) 操作面板操作面板作为人机界面, 通过使用控制按钮和各种类型的开关来自定义系统的操作方法,PLC 实现自动控制, 按钮实现手动控制, 模式转换开关实现控制模式转换, 从而达到系统过程要求的最佳效果。操作面板通过电缆线与 S7-200PLC相连, 组成控制网络。(
4、3) 传感器组传感器组由 6 个单色传感器和 2 个真彩色传感器QL50 组成。6 个单色传感器主要实现基本的循线行走功能, 要求当单色传感器检测到白线时输出信号 1, 而在白线以外的地方输出信号 0, 这样将传感器所检测到的信号传给 PLC, 然后由 PLC根据程序判断 6 个单色传感器的状态, 是应该调整还是作出转向或停车的决定。2 个真彩色传感器用于实现重要的颜色识别功能, 真彩色传感器检测主机构的颜色, 并将检测到的信号传给 PLC, 由PLC根据程序发出命令, 来控制电机 C的运动状态。( 4) 运控器组运控器组由 Faulhaber 公司的 3 个运控器MCDC2805组成, 可以
5、在 4 种控制模式下控制电机的速度。运控器MCDC2805 是专为 Faulhaber 公司生产的直流微电机设计的, 若电机配上 IE2-512 内置集成编码器, 即使在转速非常低的情况下, 也能达到 0.2的定位控制精度。滤波参数和配置参数( 驱动模式、输入/输出设置等) 可以通过RS-232 口输入并保存在运控器的内置存储器(EEP-ROM)中 。Faulhaber Motion Manager 程 序 可 以 运 行 在Windows95/98/NT/2000/XP/2003 下, 它提供了一个直观易用的界面, 让用户轻松操作使用运控器, 并提供动态图形显示, 以实现实时监控、分析电机运
6、行。2.2 系统工作原理工作时, 机器人从规定区域出发,PLC利用由 6 个单色传感器检测的信号状态控制运控器 A、B, 分别驱动电机 A、B, 当机器人达到预定的位置时, 停止电机 A、B; 同时,PLC输出信号闭合继电器来启动提升机构的电机 D,到一定位置时触动微动开关,PLC 接收到微动开关的控制信号停止电机 D; 同时,PLC控制运控器 C驱动电机C,并且根据 2 个真彩色传感器的信号状态作出相应的命令。3 系统控制方法机器人控制系统中循线行走子系统是一个滞后的惯性系统, 由于影响因素多, 很难建立一个确定的数学模型。因此对电机 A、B的速度调节主要采用了 PID算法和前反馈控制算法。
7、下面说明速度调节控制的实现方法。速度调节控制是机器人控制中极其重要的一项功能, 直接影响机器人运行的准确性。本系统采用运控器自反馈控制(此功能自带)和电机转速通过模拟输入模块反馈到 PLC的闭环控制方式, 其调节原理如图 2 所示。主信号为设定速度值, 电机转速的变化作为前馈信号自动补偿单色传感器所受干扰信号的影响。控制算法采用改进的 PID控制算法: 设 KC 为比例系数,TS 为采样周期,TI 为积分时间,TD 为微分时间,e(k)为偏差信号, 则 PID控制器的输出为:u(k)=KCe(k)+ e(i)+ e(k)-e(k-1) (1)!TI i=0 TSk-1u(k-1)=KCe(k-
8、1)+ e(i)+ e(k-1)-e(k-2) (2)!TI i=0 TSu(k)=u(k)-u(k-1)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2) (3)式(3)中, A=KC(1+ + ),B=-KC(1+ ),C=KC考虑到偏差 e(k)较大时易引起系统稳定性下降, 故采取积分分离算法, 当|e(k)|M 时, 取消积分作用, 即令TI=,则式(3)中,A=KC(1+ ),B=-KC(1+ ),C=KC 。u(k)=u(k-1)+u(k) (4)只要知道上一时刻的输出量, 再计算出增量, 就可以得出本时刻的控制量。4 系统程序设计系统控制程序采用梯形图程序设计。由于程序复杂, 按功能将
9、程序分为多个模块 主要包括循线程序、数线程序、颜色识别程序、提升程序、转弯程序、电机控制与连锁程序、参数设定程序、速度调节程序、拨盘程序等。在计算机上完成梯形图的编制, 全部程序共 4K字节, 通过 RS232-422 转接电缆送到 PLC。主程序框图如图 3 所示4.1 循线程序循线程序由参数设定程序、速度调节程序、电机控制与连锁程序、循线程序、转弯程序组成。主要实现基本的循线行走功能, 并能够准确及时地反馈循线信号, 使 PLC通过 PID调节对电机 A和电机 B 实行实时驱动控制。4.2 数线程序数线程序由参数设定程序、数线程序、转弯程序组成。能够准确及时地反馈数线信号, 使 PLC能对
10、电机 A和电机 B及时发出转弯或停止命令, 完成基本的定位功能。4.3 颜色识别程序颜色识别程序由参数设定程序、拨盘程序、颜色识别程序组成。主要实现重要的颜色识别功能, 真彩色传感器检测主机构的颜色, 并将检测到的信号传给 PLC, 然后由PLC根据程序发出命令, 来控制电机 C的运行或停止。4.4 提升程序提升程序由参数设定程序、提升程序组成。主要是根据设定的参数和微动开关的信号对电机 D进行控制。5 结束语选用 PLC 控制系统综合了几个方面的考虑,PLC 与单片机相比驱动能力强, 电气结构简单且稳定性高, 工业控制计算机价格和维修费用都比 PLC要高, 选用 PLC控制系统, 不仅能够完全实现所需功能, 又充分利用了系统资源, 降低了机器人成本。系统采用西门子的 S7-200 系列的 PLC控制 ABU参赛机器人, 使其按编制的程序自动完成比赛的各项任务，经过实际试运行和实战演习 表明各项功能均已满足设,计要求, 而且控制系统的可靠性高、故障少, 完全符合比赛的要求。