下水道除污機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭小平，凌雙明

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

隨著我國(guó)城市建設(shè)不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化程度越來越高，城市下水道經(jīng)常堵塞，特別是二三線城市的老城區(qū)，堵塞的現(xiàn)象非常普遍，堵塞原因很多：如地溝油脂、生活垃圾、枯枝樹葉等等。下水道堵塞輕者造成污水橫流道路積水，重者引起管涌，沖走井蓋，造成人身財(cái)產(chǎn)安全事故。下水道需定時(shí)疏通和維護(hù)。由于下水道環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的疏通作業(yè)需要人工掏挖等強(qiáng)力勞動(dòng)，需要耗費(fèi)大量的人力物力。每年因?yàn)橄滤罊z修而引發(fā)的傷亡安全事故讓人觸目驚心，目前雖然工業(yè)機(jī)器人得到蓬勃發(fā)展[1,2]，但是下水道除污特種機(jī)器人目前處于起步階段，本設(shè)計(jì)以履帶式小車為裝載平臺(tái)[3,4]，以西門子S7-1200PLC為主控制器，以MCGS觸摸屏為人機(jī)交互界面、通過遠(yuǎn)程無線遙控技術(shù)、伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下水道機(jī)器人的控制。下水道清污機(jī)器人，對(duì)需要清理的下水道，采用攝像頭探測(cè)管內(nèi)工況，對(duì)管壁粘附物及堵塞情況，遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)節(jié)機(jī)械臂與工作臺(tái)的位置；清理方式則采取控制機(jī)械臂可以抓取堵塞物，或者通過連接到機(jī)械手臂上的與強(qiáng)力泵連接的水管實(shí)現(xiàn)真空抽污，也可以通過連接在機(jī)械手上的水槍配合沖洗管壁，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合除污或者去除堵塞物達(dá)到疏通地下管網(wǎng)的目的。

1 除污機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 除污機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

除污機(jī)器人主要由小車履帶系統(tǒng),左右轉(zhuǎn)盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，上下擺動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械手伸縮、夾緊松開、噴頭系統(tǒng)組成。原理示意圖如圖1所示。

1)小車履帶系統(tǒng)

小車履帶系統(tǒng)兩臺(tái)電機(jī)M1、M2的正反轉(zhuǎn)控制，M1、M2電機(jī)正轉(zhuǎn)小車前進(jìn)，M1、M2電機(jī)反轉(zhuǎn)小車后退，M1電機(jī)正轉(zhuǎn)小車右轉(zhuǎn)，M2電機(jī)正轉(zhuǎn)小車左轉(zhuǎn)[5]。

2)左右轉(zhuǎn)盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

左右轉(zhuǎn)盤由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，除污機(jī)械手裝置平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)M3控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手左右轉(zhuǎn)動(dòng)位置的精確定位控制，并由MCGS實(shí)時(shí)運(yùn)程顯示當(dāng)前位置。

3)上下擺動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

上下擺動(dòng)電機(jī)由伺服電機(jī)M4和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手上下擺動(dòng)角度的精確定位控制，并由MCGS實(shí)時(shí)運(yùn)程顯示當(dāng)前角度。

4)機(jī)械手伸縮、夾緊松開、噴頭系統(tǒng)

機(jī)械手伸縮由YV1、YV2三位四通電磁換向液壓閥組成，除污機(jī)械手伸縮由電磁閥YV1、YV2控制，機(jī)械手夾緊松開由電磁閥YV3、YV4控制，高壓噴水、噴洗滌劑分別由YV5、YV6控制。

1.2 除污機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)電氣接線設(shè)計(jì)

1)PLC的型號(hào)選擇西門子公司的S7-1200系列，CPU選擇1215C DC/DC/DC晶體管輸出型，版本號(hào)6ES7 214-1HG40-OXBO。根據(jù)需要的元器件和PLC的接線口設(shè)計(jì)PLC的I/O電氣接線圖，如圖2所示。機(jī)械手及小車對(duì)應(yīng)的動(dòng)作分別都有相應(yīng)的按鈕及操縱桿行程開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)控制，小車履帶系統(tǒng)由四個(gè)接觸器KM1、KM2、KM3、KM4控制兩臺(tái)電機(jī)M1、M2的正反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)M3脈沖及方向分別由Q0.3、Q0.4控制，機(jī)械手的伸縮、夾緊松開分別由相應(yīng)電磁閥控制，并在電氣控制上實(shí)現(xiàn)了限位保護(hù)、電氣互鎖。PLC與無線收發(fā)裝置由F49DL的接線為：PLC的485模塊的TX端接F49DL的RX端，485模塊的RX端接F49DL的TX端，485模塊的VOUT端接F49DL的VOUT端，485模塊的GND端接F49DL的GND端。

圖2 PLC及觸摸屏控制系統(tǒng)電氣接線圖

2)觸摸屏：觸摸屏選用的是昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，它是以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。編程便捷，通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)能遠(yuǎn)程監(jiān)視機(jī)械手執(zhí)行元件的當(dāng)前狀態(tài)和控制機(jī)械手各功能的動(dòng)作。觸摸屏485模塊的TX端接F49DL的RX端，485模塊的RX端接F49DL的TX端，485模塊的VOUT端接F49DL的VOUT端，485模塊的GND端接F49DL的GND端。

3)無線收發(fā)裝置：無線收發(fā)裝置由F49DL模塊和TTL-RS485模塊和天線組成，實(shí)現(xiàn)MCGS與S7-1200PLC的無線數(shù)據(jù)交換。F49DL是一款工作在433M頻率空中速率可達(dá)9600bps的無線數(shù)傳電臺(tái)，工業(yè)級(jí)無線通信設(shè)計(jì)、專利技術(shù)的濾波器設(shè)計(jì)，準(zhǔn)軍工級(jí)抗干擾能力。頻率范圍431～435MHz，提供16個(gè)信道可選，射頻功率0.5W和3.0W可選，適合<8km距離內(nèi)無線通信連續(xù)傳輸技術(shù)，串口接收同時(shí)并進(jìn)行射頻發(fā)送，通信延時(shí)極短TXCO高精度溫補(bǔ)晶振,惡劣環(huán)境下頻率偏差±0.5PPM圖形化的參數(shù)設(shè)置及測(cè)試軟件，便于快速配置和調(diào)試，內(nèi)置純硬件定時(shí)看門狗，適合無人值守24小時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用環(huán)境。

2 除污機(jī)器人PLC軟件設(shè)計(jì)

2.1 TAI V16硬件組態(tài)

1)在博圖TAI V16軟件中新建PLC項(xiàng)目，選擇設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中添加新設(shè)備，在控制器中雙擊SIMATIC S7-1200，再雙擊CPU，再雙擊CPU 1215CDC/DC/DC，選中6ES7 215-1AG40-0XB0，點(diǎn)擊添加。

2)選擇通信板型號(hào)，在通訊板下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)下的CB1241(RS485)中的6ES7 241-1CH30-1XB0。

3)設(shè)置通信模塊參數(shù)，設(shè)置CB 1241(RS485)常規(guī)中的參數(shù)，波特率設(shè)為9.6Kbps、奇偶校驗(yàn)設(shè)為無、數(shù)據(jù)位設(shè)為8位/字符、停止位設(shè)為1、等待時(shí)間設(shè)為20000ms。

4)設(shè)置脈沖發(fā)生器PTO1/PWM1，進(jìn)入脈沖發(fā)生器(PTO/PWM)中的PTO1/PWM1，設(shè)置脈沖選項(xiàng)中的信號(hào)類型為PTO(脈沖A和方向B)，如圖3所視，后面再設(shè)置脈沖發(fā)生器PTO2/PWM2的步驟同理。

5)添加工藝對(duì)象軸_1，運(yùn)動(dòng)控制TO_PositioningAxis，設(shè)置工藝對(duì)象軸_1，選擇軸_1中的組態(tài)，基本參數(shù)中的常規(guī)，測(cè)量單位設(shè)為脈沖。設(shè)置工藝對(duì)象軸_1基本參數(shù)驅(qū)動(dòng)器項(xiàng)，硬件接口中的脈沖輸出設(shè)為%Q0.4，方向輸出設(shè)為%Q0.5，如圖3所示。設(shè)置工藝對(duì)象軸_1擴(kuò)展參數(shù)常規(guī)項(xiàng)，最大轉(zhuǎn)速設(shè)為320.0，啟動(dòng)/停止速度320.0。

圖3 設(shè)置工藝對(duì)象軸_1基本參數(shù)驅(qū)動(dòng)器項(xiàng)

6)添加工藝對(duì)象軸_2，運(yùn)動(dòng)控制TO_PositioningAxis，設(shè)置工藝對(duì)象軸_2，選擇軸_2中的組態(tài)，基本參數(shù)中的常規(guī)，測(cè)量單位設(shè)為脈沖。設(shè)置工藝對(duì)象軸_2基本參數(shù)驅(qū)動(dòng)器項(xiàng)，硬件接口中的脈沖輸出設(shè)為%Q0.6，方向輸出設(shè)為%Q0.7。工藝對(duì)象軸_2其他設(shè)置和工藝對(duì)象軸_1相同。

2.2 TAI V16梯形圖設(shè)計(jì)

1)編輯塊標(biāo)題和塊注釋，用“MB_COMM_LOAD”指令設(shè)置組態(tài)端口使用 Modbus RTU 協(xié)議來通信。RS485Modbus通訊初始化參數(shù)設(shè)置，EN為使能端，REQ在上升沿執(zhí)行指令，PORT通信端口的ID。也可以在變量表的“常數(shù)”(Constants)選項(xiàng)卡中引用該常數(shù)。BAUD波特率選擇：300、600、9600、…115200。PARITY奇偶校驗(yàn)選擇：0-無、1-奇校驗(yàn)、2-偶校驗(yàn)。MB_DB是“MB_MASTER”或“MB_SLAVE”指令的背景數(shù)據(jù)塊的引用，在程序中插入“MB_SLAVE”或“MB_MASTER”之后，數(shù)據(jù)塊標(biāo)識(shí)符會(huì)顯示在MB_DB框中，如圖4所示。

圖4 塊標(biāo)題和RS485Modbus通訊初始化參數(shù)設(shè)置

2)“MB_SLAVE”指令允許程序作為Modbus從站使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模塊(PtP)或通信板(CB)上的端口進(jìn)行通信，MB_ADDR是Modbus從站的站地址(地址范圍：0至255)，設(shè)為1，S7-1200作為Modbus從站一，MB_HOLD_REG指向Modbus保持性寄存器數(shù)據(jù)塊的指針。設(shè)為P#M0.0 WORD 20。“MC_Power”運(yùn)動(dòng)控制指令可啟用或禁用軸。Axis軸工藝對(duì)象,Enable設(shè)為TRUE-軸已啟用、FALSE-根據(jù)組態(tài)的“StopMode”中斷當(dāng)前所有作業(yè)，停止并禁用軸，StartMode設(shè)為0-啟用位置不受控的定位軸，1-啟用位置受控的定位軸。Axis設(shè)為軸_1,Enable設(shè)為true以啟用左右步進(jìn)電機(jī)M3，如圖5所示。

圖5 S7-1200作為Modbus從站一設(shè)置、啟用左右步進(jìn)電機(jī)M3

3)Axis設(shè)為軸_2,Enable設(shè)為true以啟用上下伺服電機(jī)M4?！癕C_Home”運(yùn)動(dòng)控制指令可將軸坐標(biāo)與實(shí)際物理驅(qū)動(dòng)器位置匹配。Execute上升沿時(shí)啟動(dòng)命令，Position在Mode=0、2和3完成回原點(diǎn)操作之后，軸的絕對(duì)位置，Mode=1對(duì)當(dāng)前軸位置的修正值，限值：-1.0E12≤Position≤1.0E12，Mode回原點(diǎn)模式。Axis設(shè)為軸_2，Execute設(shè)為FirstScan，Position設(shè)為0.0，Mode設(shè)為0，啟動(dòng)時(shí)初始化軸_2的當(dāng)前位置為0.0。

3 控制系統(tǒng)觸摸屏MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

1)觸摸屏通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行中繼連接到PLC的接口。在TPC7062TI人機(jī)界面上設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，如圖6所示，要求用戶窗口包括機(jī)器人的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)顯示：左右履帶電機(jī)的前進(jìn)后退狀態(tài)顯示、工作轉(zhuǎn)盤左右轉(zhuǎn)動(dòng)顯示，機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)電機(jī)上下擺動(dòng)指示，機(jī)械手的伸縮、夾緊松開指示、噴頭高壓噴水、噴洗滌劑指示，對(duì)應(yīng)動(dòng)作的按鈕操作、操縱桿控制小車方向及移動(dòng)。

圖6 MCGS觸摸屏監(jiān)控界面

2)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加數(shù)據(jù)對(duì)象，分別將畫面中圖像關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，根據(jù)控制要求選擇開關(guān)量、數(shù)值量、事件量，字符量。

3)觸摸屏與S7-1200PLC的數(shù)據(jù)連接。雙擊設(shè)備窗口，右擊后在設(shè)備工具箱中選擇通用串口父設(shè)備，添加莫迪康ModbusRTU。然后在里面進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

4)DM10和DM14的通道處理，把電機(jī)的脈沖量轉(zhuǎn)換為角度量，3200個(gè)脈沖為一圈。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以履帶式小車為裝載平臺(tái)，以西門子S7-1200PLC為主控制器，以MCGS觸摸屏為人機(jī)交互界面，通過遠(yuǎn)程無線遙控技術(shù)，伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下水道機(jī)器人的控制，節(jié)約了人力物力，有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。