基于西門子S7-200可編程控制器的水下機(jī)器人姿態(tài)控制研究

摘 要：本文介紹基于S7-200可編程序控制器的帶纜遙控水下機(jī)器人姿態(tài)控制的研究方案，同時(shí)根據(jù)帶纜水下機(jī)器人多自由度的控制要求編寫PLC程序和仿真觸摸屏人機(jī)界面，并進(jìn)行西門子S7-200 CN組合實(shí)驗(yàn)控制板模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：S7-200 PLC；水下機(jī)器人；多自由度

Posture Control of Underwater Vehicles Based on Siemens S7-200 Programmable Controller

QIU Hezhen

( South China University of Technology， Guangzhou 510641 )

Abstract: This paper introduces the study on posture control of underwater vehicles based on Siemens S7-200 programmable controller， designs some programs of PLC and simulation touch screen man-machine interface according to multi-degree-of-freedom control requirements of underwater vehicle with cable， which is tested by simulation debugging of Siemens S7-200 CN combination experimental control board.

Key words: S7-200 PLC; Underwater Vehicle; Multi degree of freedom

1 引言

帶纜遙控水下機(jī)器人是一種日益廣泛應(yīng)用于海洋、河流與湖泊等水下環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的水下探測(cè)裝置，它在水下地貌與海洋物理特征觀測(cè)、水下環(huán)境調(diào)查、水下結(jié)構(gòu)物檢查中有著特殊的用途。帶纜遙控水下機(jī)器人通常由臍帶纜、水下機(jī)器人和作為水下機(jī)器人軌跡與姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的控制螺旋槳或噴水推進(jìn)器等組成。水下機(jī)器人作業(yè)的方式?jīng)Q定了它具有在水平面上向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)幾率相等的特點(diǎn)。現(xiàn)有的小型水下機(jī)器人一般是采用多個(gè)控制螺旋槳實(shí)現(xiàn)對(duì)其不同自由度的控制，通常每一個(gè)自由度的控制由一個(gè)或每一組螺旋槳來實(shí)施對(duì)其控制。這類控制方式的主要缺陷是需要多個(gè)控制螺旋槳和復(fù)雜的操縱動(dòng)作才能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人不同自由度的軌跡與姿態(tài)穩(wěn)定控制，同時(shí)對(duì)這些螺旋槳的操縱動(dòng)作也需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

本文以華南理工大學(xué)學(xué)生發(fā)明的一種創(chuàng)新型水下機(jī)器人為例，提出用簡單的操作程序來實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人精確的多自由度姿態(tài)控制。這種創(chuàng)新型水下機(jī)器人，包括一個(gè)上下、前后、左右對(duì)稱的主腔體、圓筒吸水裝置、一個(gè)噴水推進(jìn)水管網(wǎng)路。水下機(jī)器人推動(dòng)靠兩個(gè)上下對(duì)稱的螺旋槳和八個(gè)噴水口，如圖1、圖2。

2 控制系統(tǒng)工作原理

2.1 分析對(duì)象

較傳統(tǒng)的帶纜水下機(jī)器人，該機(jī)器人僅僅需要兩個(gè)控制螺旋槳，多自由度推進(jìn)的實(shí)現(xiàn)主要依靠控制電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同方向的噴水得以實(shí)現(xiàn)，使控制相對(duì)可以實(shí)現(xiàn)簡單化；而且前后左右各兩個(gè)共八個(gè)獨(dú)立控制的噴水口，因此便于運(yùn)動(dòng)中航向的微調(diào)，使得有較高運(yùn)動(dòng)精度；八個(gè)噴水口通過適當(dāng)?shù)目刂瓶僧a(chǎn)生水平各方向的推力，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移、轉(zhuǎn)向，控制螺旋槳的電機(jī)則可以使機(jī)器人上升和下沉，實(shí)現(xiàn)多自由度；該機(jī)器人結(jié)構(gòu)對(duì)稱，各向同性，沒有固定的主方向，更加有利于多自由度的實(shí)現(xiàn)。

2.2 設(shè)計(jì)操作動(dòng)作

兩個(gè)螺旋槳和八個(gè)噴水口都是獨(dú)立控制的①機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)垂直下降，只需將其平衡放在水中，由于自身重力克服浮力，機(jī)器人會(huì)慢慢下沉；若要加速，只需將上螺旋槳開動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)。②要在某個(gè)深度時(shí)進(jìn)行向前推進(jìn)，首先要將下螺旋槳開動(dòng)，使機(jī)器人保持在該深度上，然后將后方的兩個(gè)噴水口同時(shí)打開。③機(jī)器人要進(jìn)行水平偏轉(zhuǎn)，根據(jù)圖2，可以使噴口4和8同時(shí)噴水。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要有PLC、被控對(duì)象、電源、電腦等組成。通過點(diǎn)數(shù)計(jì)算及性能分析。選擇SIEMENS S7-200系列CPU224CN。該型號(hào)PLC本機(jī)集成14DI/10DO；最大擴(kuò)展7個(gè)模塊；6個(gè)高速計(jì)數(shù)器并分別獨(dú)立；6個(gè)單相計(jì)數(shù)器和4個(gè)兩相計(jì)數(shù)器；2個(gè)20 kHz脈沖輸出口；1個(gè)RS-485接口；接線端口子排可整體拆裝，該P(yáng)LC抗干擾能力強(qiáng)、控制能力強(qiáng)。

3.2 硬件組成

①PLC一臺(tái)：CPU224 CN ；②通信電纜數(shù)根；③電腦一部；④兩個(gè)電動(dòng)機(jī)；⑤8個(gè)電磁閥；⑥24V電源一個(gè)；⑦電線數(shù)根。

3.3 西門子S7-200組合實(shí)驗(yàn)控制板

如圖3所示。

圖3 西門子S7-200組合實(shí)驗(yàn)控制板

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

V4.0STEP 7 Micro/WIN軟件包是西門子公司為SIMATIC S7-200系列微型PLC設(shè)計(jì)的編程軟件，主要用來輸入、編輯用戶程序，以及對(duì)用戶程序進(jìn)行調(diào)試、監(jiān)控等。用其編寫能夠?qū)崿F(xiàn)1.2所列舉機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的PLC程序。

4.1.1 I/O分配表

見表1。

4.1.2 主要程序和實(shí)現(xiàn)方式

要實(shí)現(xiàn)精確的多自由度姿態(tài)，本文設(shè)計(jì)需要手動(dòng)控制，故該程序?yàn)槭謩?dòng)控制程序。程序包含各個(gè)噴水口的獨(dú)立控制程序和兩個(gè)螺旋槳的獨(dú)立控制程序。

在工作過程中，PLC是集中輸入和集中輸出，響應(yīng)各數(shù)字量、模擬量輸入信號(hào)，并按動(dòng)作要求輸出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)或者電磁閥，以實(shí)現(xiàn)上面所設(shè)計(jì)的動(dòng)作姿態(tài)。

系統(tǒng)的每個(gè)工作周期均有工作記錄，以保證該系統(tǒng)的可靠性及安全性。

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

4.2.1 簡介

人機(jī)界面設(shè)計(jì)是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時(shí)可能變化信息的多功能顯示屏幕。觸摸屏是一種人機(jī)界面，它的簡單易用，強(qiáng)大的功能以及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，也非常實(shí)用于本文的研究。MT500系列觸摸屏是專門面向PLC應(yīng)用的。

4.2.2 界面設(shè)計(jì)

運(yùn)用MT500系列觸摸屏的EB 500即Easy Manager觸摸屏人機(jī)界面編寫，設(shè)計(jì)得到的人機(jī)界面如圖4所示。

圖4 仿真人機(jī)界面

5 結(jié)論

我們用西門子S7-200組合實(shí)驗(yàn)控制板來驗(yàn)證結(jié)果。可以根據(jù)控制板上得電動(dòng)機(jī)反應(yīng)、電磁閥的關(guān)閉是否與程序的控制指令相應(yīng)，從而檢驗(yàn)出設(shè)計(jì)的程序是否成功，對(duì)水下機(jī)器人的多自由度姿態(tài)控制是否能成功。實(shí)驗(yàn)證明，電動(dòng)機(jī)和電磁閥能夠由觸摸屏人機(jī)界面來按照設(shè)計(jì)好的動(dòng)作運(yùn)行。所以，我們基本能實(shí)現(xiàn)用西門子S7-200 PLC對(duì)帶纜水下機(jī)器人進(jìn)行多自由度姿態(tài)控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 谷男男，等，多自由度噴水推進(jìn)帶纜遙控水下機(jī)器人的試驗(yàn)

研究，2010年大學(xué)生創(chuàng)新基地項(xiàng)目，華南理工大學(xué)，2010

[2] 殷瑞祥，等，電氣控制[M]，華南理工大學(xué)出版社，2006

[3] Siemens， S7-200手冊(cè)[M]， 2007

[4] 上海步科電氣有限公司， EB500使用手冊(cè)[M].