基於S7-200 PLC 的ABU參賽機器人控制系統設計
摘 要: 根據 ABU 參賽機器人的比賽要求，設計出了一套以可程式序控制器（ S7- 200 PLC）為控制核心的機器人自動控制系統。介紹了系統主要硬體配置、系統控制方法、S7- 200 程式結構。該系統控制演算法採用PID演算法，且根據現場比賽要求實現了從手動到自動的無干擾切換功能。經過試執行和實戰演習表明，基於 PID控制規律的機器人 PLC 控制系統執行穩定可靠，操作方便，易於維護。
關鍵詞:PLC；機器人；PID
中圖分類號:TP242 文獻標識碼:A 文章編號:1002- 2333( 2005) 12- 0036- 02
Design of the ABU-Robot Control System Based on S7-200 PLC
Abstract: An automatic control system of ABU Robot based on S7-200 PLC is designed on the basis of ABU Robot match requirement. The main hardware of the system, the principle and method of control and the S7 -200 PLC program architecture are introduced in this paper. PID algorithm is adopted in the system, and the function of non-disturbance switch from manual mode to automatic mode is realized according to field match requirement. The test run and try run indicates that Robot PLC control system based on PID control rule has features of stable running, convenient operation and little maintenance.
Key words: PLC; robot; PID
1 引 言
亞 洲 - 太 平 洋 廣 播 聯 盟 ABU ( Asia -PacificBroadcasting Union) 每年一次的“ 亞太地區大學生機器人 比賽”受到了亞洲各國的重視, 每年在亞廣聯比賽前我國都舉行一次國內選拔比賽, 賽題與亞廣聯同步。2005 年比賽的題目是“ 登長城、點火炬”。我們根據本次大賽的主題經過潛心研究, 開發和研製了一套以可程式序控制器( PLC) 為主控部件的機器人自動控制系統。
2 系統硬體設計
2.1 系統總體結構
機器人控制系統部分主要由 SIEMENS S7-200 PLC、
操作面板、感測器組、運控器組、繼電器組、電磁鐵等組成。控制系統總體結構如圖 1 所示。
( 1) 可程式序控制器
Siemense simatic S7-200 PLC 是德國西門子公司生產的一種模組化小型 PLC, 可自由擴充套件, 應用十分靈活。為滿足機器人控制需大量地輸入點和輸出點的要求, 本系統 S7-200 PLC由電源模組、中央處理單元 CPU224、模擬量輸入擴充套件模組 EM231、模擬量輸出擴充套件模組 EM232、數字量輸出擴充套件模組 EM222 等組成, 主要完成各種型別的開關量輸入訊號檢測、輸出訊號控制以及感測器訊號檢測、模擬量訊號輸入與輸出等功能。
( 2) 操作面板
操作面板作為人機介面, 通過使用控制按鈕和各種型別的開關來自定義系統的操作方法,PLC 實現自動控制, 按鈕實現手動控制, 模式轉換開關實現控制模式轉換, 從而達到系統過程要求的最佳效果。操作面板通過電纜線與 S7-200PLC相連, 組成控制網路。
( 3) 感測器組
感測器組由 6 個單色感測器和 2 個真彩色感測器QL50 組成。6 個單色感測器主要實現基本的循線行走功能, 要求當單色感測器檢測到白線時輸出訊號 1, 而在白線以外的地方輸出訊號 0, 這樣將感測器所檢測到的訊號傳給 PLC, 然後由 PLC根據程式判斷 6 個單色感測器的狀態, 是應該調整還是作出轉向或停車的決定。2 個真彩色感測器用於實現重要的顏色識別功能, 真彩色感測器檢測主機構的顏色, 並將檢測到的訊號傳給 PLC, 由PLC根據程式發出命令, 來控制電機 C的運動狀態。
( 4) 運控器組
運控器組由 Faulhaber 公司的 3 個運控器MCDC2805組成, 可以在 4 種控制模式下控制電機的速度。運控器MCDC2805 是專為 Faulhaber 公司生產的直流微電機設計的, 若電機配上 IE2-512 內建整合編碼器, 即使在轉速非常低的情況下, 也能達到 0.2°的定位控制精度。濾波引數和配置引數( 驅動模式、輸入/輸出設定等) 可以通過RS-232 口輸入並儲存在運控器的內建儲存器(EEP-ROM)中 。Faulhaber Motion Manager 程 序 可 以 運 行 在Windows95/98/NT/2000/XP/2003 下, 它提供了一個直觀易用的介面, 讓使用者輕鬆操作使用運控器, 並提供動態圖形顯示, 以實現實時監控、分析電機執行。
2.2 系統工作原理
工作時, 機器人從規定區域出發,PLC利用由 6 個單色感測器檢測的訊號狀態控制運控器 A、B, 分別驅動電機 A、B, 當機器人達到預定的位置時, 停止電機 A、B; 同時,PLC輸出訊號閉合繼電器來啟動提升機構的電機 D,到一定位置時觸動微動開關,PLC 接收到微動開關的控制訊號停止電機 D; 同時,PLC控制運控器 C驅動電機C,並且根據 2 個真彩色感測器的訊號狀態作出相應的命令。
3 系統控制方法
機器人控制系統中循線行走子系統是一個滯後的慣性系統, 由於影響因素多, 很難建立一個確定的數學模型。因此對電機 A、B的速度調節主要採用了 PID演算法和前反饋控制演算法。下面說明速度調節控制的實現方法。速度調節控制是機器人控制中極其重要的一項功能, 直接影響機器人執行的準確性。本系統採用運控器自反饋控制(此功能自帶)和電機轉速通過模擬輸入模組反饋到 PLC的'閉環控制方式, 其調節原理如圖 2 所示。主訊號為設定速度值, 電機轉速的變化作為前饋訊號自動補償單色感測器所受干擾訊號的影響。
控制演算法採用改進的 PID控制演算法: 設 KC 為比例係數,TS 為取樣週期,TI 為積分時間,TD 為微分時間,e(k)為偏差訊號, 則 PID控制器的輸出為:
u(k)=KC{e(k)+ e(i)+ [e(k)-e(k-1)]} (1)
!
TI i=0 TS
k-1
u(k-1)=KC{e(k-1)+ e(i)+ [e(k-1)-e(k-2)]} (2)
!
TI i=0 TS
Δu(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
考慮到偏差 e(k)較大時易引起系統穩定性下降, 故採取積分分離演算法, 當|e(k)|>M 時, 取消積分作用, 即令
TI=∞,則式(3)中,A=KC(1+ ),B=-KC(1+ ),C=KC 。
u(k)=u(k-1)+Δu(k) (4)
只要知道上一時刻的輸出量, 再計算出增量, 就可以得出本時刻的控制量。
4 系統程式設計
系統控制程式採用梯形圖程式設計。由於程式複雜, 按功能將程式分為多個模組 主要包括循執行緒序、數執行緒序、顏色識別程式、提升程式、轉彎程式、電機控制與連鎖程式、引數設定程式、速度調節程式、撥盤程式等。在計算機上完成梯形圖的編制, 全部程式共 4K位元組, 通過 RS232-422 轉接電纜送到 PLC。主程式框圖如圖 3 所示
4.1 循執行緒序
循執行緒序由引數設定程式、速度調節程式、電機控制與連鎖程式、循執行緒序、轉彎程式組
成。主要實現基本的循線行走功能, 並能夠準確及時地反饋循線訊號, 使 PLC通過 PID調節對電機 A和電機 B 實行實時驅動控制。
4.2 數執行緒序
數執行緒序由引數設定程式、數執行緒序、轉彎程式組成。能夠準確及時地反饋數線訊號, 使 PLC能對電機 A和電機 B及時發出轉彎或停止命令, 完成基本的定位功能。
4.3 顏色識別程式
顏色識別程式由引數設定程式、撥盤程式、顏色識別程式組成。主要實現重要的顏色識別功能, 真彩色感測器檢測主機構的顏色, 並將檢測到的訊號傳給 PLC, 然後由PLC根據程式發出命令, 來控制電機 C的執行或停止。
4.4 提升程式
提升程式由引數設定程式、提升程式組成。主要是根據設定的引數和微動開關的訊號對電機 D進行控制。
5 結束語
選用 PLC 控制系統綜合了幾個方面的考慮,PLC 與微控制器相比驅動能力強, 電氣結構簡單且穩定性高, 工業控制計算機價格和維修費用都比 PLC要高, 選用 PLC控制系統, 不僅能夠完全實現所需功能, 又充分利用了系統資源, 降低了機器人成本。系統採用西門子的 S7-200 系列的 PLC控制 ABU參賽機器人, 使其按編制的程式自動完成比賽的各項任務，經過實際試執行和實戰演習 表明各項功能均已滿足設,計要求, 而且控制系統的可靠性高、故障少, 完全符合比賽的要求。
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