基于PLC的自動測流機器人系統設計

王茂燦,萬 熠,梁西昌,侯嘉瑞,夏新雲,田超群,王泉鈞

(1.山東大學機械工程學院,山東 濟南 250061;2.山東大學機械工程國家級實驗教學示范中心,山東 濟南 250061;3.山東大學工程訓練中心,山東 濟南 250002)

0 引言

水文數據的采集與檢測分析對防汛減災、水資源管理以及促進社會可持續發展有重大意義[1-3]。近年來,隨著我國科技的不斷進步,工業自動化程度不斷提高,水文領域的數據采集與檢測正在向著高精度、智能化的方向發展[4]。

目前,市場上的測流方式按照采集方式主要分為手動測流和自動測流兩種。手動測流指操作人員手持測流儀器到固定采集點進行數據采集。其具有采集方便、無需搭建平臺、容易操作的優勢。但手動測流的缺點是一次測量的效率較低,且需要大量的人力和物力[5-6]。隨著人們對河道測量自動化要求的不斷提高,手動測流方式已經不能滿足智能、高效的測量需求[7]。自動測流方式憑借測量方便、智能化程度高、操作簡單等優勢,逐漸在測流工作中發揮重要作用[8]。但目前的自動測流仍需要人員現場控制測流機器人,存在測量模式單一、野外工作環境復雜及供電困難等問題[9]。

針對上述不足,本文提出了一種基于可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的自動測流機器人系統。該機器人系統具備運動系統、采集系統、人機交互以及遠程通信四大模塊。硬件系統依靠驅動裝置來滿足鉛魚的收放需求和機器人的運動需求。軟件系統采用PLC作為主控制器,設計了數據采集梯形圖,實現了測流機器人的數據采集控制。人機交互指操作人員控制測流機器人和讀取采集數據的功能。其結合4G遠程通信技術,將操作指令和采集數據傳輸到服務器。現場模擬開展的試驗結果證明了測流機器人系統的可行性。

1 自動測流機器人系統硬件設計

1.1 自動測流機器人系統工作場景需求

為滿足測量需求、實現河道自動測流,本文首先在河流上方為機器人系統搭建一條特定軌道,以便機器人能夠在河道截面任意位置利用多種傳感器進行數據采集;然后在河岸設置測流機器人充電房,在保護機器人的同時解決了戶外供電難等問題,實現了無人值守的河流數據自動采集。河流剖面采集如圖1所示。

圖1 河流剖面采集示意圖

1.2 自動測流機器人系統功能需求

自動測流機器人系統是一種能代替人工進行河流信息自動采集的智能機器人系統。該機器人系統通過各類傳感器對河流信息進行采集,并結合遠程操控技術達到了高效率、高精度、多模式、自動化的測流目標。自動測流機器人系統續航能力需達到2.4 h;需具備單點測量和多點測量兩種模式;需滿足流速、流量、水溫、水深和淤泥深度的河道信息采集要求;測量范圍最大為25 m;行駛速度最快達到0.4 m/s。

1.3 自動測流機器人系統硬件設計

自動測流機器人系統整機尺寸約為1 400 mm×60 mm×600 mm,整體結構具有防水、防沙功能,能夠適應惡劣數據采集環境。自動測流機器人系統不僅要求較高的自動化程度,還要具有高效率、高精度、多功能及高魯棒性的性能,以滿足野外復雜環境下河道信息采集的需求。自動測流機器人系統整體結構如圖2所示。

圖2 自動測流機器人系統整體結構圖

為達到輕量化的目的,自動測流機器人系統車體整體采用鋁合金材質,在保證結構穩定的前提下優化了結構設計。自動測流機器人系統內部用于放置傳感器、電機、控制箱、電源等設備,外部有操控屏、通信天線和指示燈等器件。自動測流機器人系統傳動裝置主要包括驅動和采集兩個部分。

1.3.1 驅動部分

自動測流機器人系統采用V型輪作為行駛輪。直流電機通過齒輪減速器連接后輪驅動軸以提供驅動力。自動測流機器人系統能以0～0.4 m/s的可調速度在固定鐵軌上作前進和后退。直流電機輸出軸安裝編碼器以測量自動測流機器人的行走速度和距離。

1.3.2 采集部分

自動測流機器人系統采集部分主要負責河流信息采集。自動測流機器人系統內部的鋼絲繩通過導線輪一端連接鉛魚,另一端連接卷揚滾筒。在直流電機的帶動下,卷揚滾筒通過正反轉來實現鉛魚的收放功能。導線輪處安裝的編碼器用于采集鉛魚的位置和速度信息。鉛魚上安裝的多普勒流速儀和超聲波泥位計用于采集河道的流速、流量、淤泥深度、水溫等數據。車身安裝的超聲波物位計用于采集河道的水深信息。鉛魚收放結構如圖3所示。

圖3 鉛魚收放結構圖

2 自動測流機器人測控系統設計

2.1 自動測流機器人硬件采集系統設計

自動測流機器人硬件采集系統如圖4所示。

圖4 自動測流機器人硬件采集系統圖

硬件采集系統主要由主控制器、多普勒流速儀、超聲波物位計、超聲波泥位計、電源模塊、直流電機以及電機驅動器等硬件組成。該系統可實現自動采集、手動采集、自動充電、故障自檢等功能,并能夠將各部分傳感器采集的數據通過RS-485上傳到主控制器,從而在人機界面(human machine interface,HMI)實時顯示采集的數據。

主控制器采用西門子PLC S7-200 SMART。憑借著穩定性強、擴展性強、運算能力強等特點[10],該PLC能夠在復雜的工作環境下快速完成采集工作,并將傳感器采集的數據實時顯示在HMI。HMI通過4G遠程技術將現場采集的數據傳輸到服務器,以完成服務器對自動測流機器人系統的實時遠程操控。自動測流機器人系統由主控制器控制電機驅動器來驅動直流電機正反轉,實現測流機器人系在軌道上的前進、 后退,以及鉛魚在定滑輪上的上升和下降動作。采用編碼器測量測流機器人行走的距離和鉛魚下降的高度,能使測流機器人精準地在采集點開展采集工作。HMI不僅用于顯示數據,還可實現對機器人的實時人工操控。

自動測流機器人系統的動力來源于鋰電池。在采集任務中,自動測流機器人系統帶有電量自檢功能。當電量低于系統設定值時,自動測流機器人系統將自動返回起點進行充電。

服務器配置了Intel(R)Core(TM)i5-7300HQ CPU@2.50 GHz處理器,并安裝了EdgeAccess遠程操控系統。服務器通過4G技術與自動測流機器人系統建立連接,隨后通過遠程操控設置自動測流機器人系統的測量模式、測量深度以及行進速度等信息。參數設置完成后,運行命令通過4G下發至自動測流機器人系統,以實現對自動測流機器人系統的遠程控制。完成采集后,自動測流機器人系統將測量數據自動保存并傳輸至服務器,以便操作人員查詢采集數據。

2.2 自動測流機器人軟件系統設計

自動測試流程如圖5所示。

圖5 自動測試流程圖

根據自動測流機器人系統選用的主控制器,本文在服務器安裝STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件,以設計自動測流機器人軟件系統。自動測流機器人系統具有手動操作和自動操作兩種方式。手動操作的主要功能是控制自動測流機器人系統的前進、后退,鉛魚的上升、下降,卷簾門的開關等操作。自動操作根據程序設定,以實現數據的智能采集。

在自動運行模式下,自動測流機器人系統完成自檢工作后,按照設定的測量模式在固定軌道上開展采集任務。自動測流機器人系統完成采集任務后返回充電房自動進行充電并保存采集數據;同時,將數據上傳至云端數據庫,供工作人員實時查看、分析。相較于人工手動采集,整個自動采集過程的效率和可靠性得到了大幅提升。

根據自動測流機器人系統的實際功能需求,本文將機器人軟件系統分為運動控制、數據采集、遠程傳輸和故障診斷四部分。自動測流機器人系統功能如圖6所示。

圖6 自動測流機器人系統功能圖

3 自動測流機器人系統模擬采集試驗

在自動測流機器人硬件、軟件系統搭建完畢后,本文臨時搭建測試軌道以進行功能測試。

自動測流機器人運動控制程序通過主控制器控制驅動器來調整行走電機和卷揚電機的速度和轉向。數據采集程序通過RS-485與各部分傳感器進行通信,將采集的數據解析后存放于主控制器的寄存器中并進行數據傳輸。遠程操控程序主要將采集數據和操作命令通過4G技術傳輸到服務器,通過多傳感器采集數據實現遠程河流信息的監控[11-13]。故障診斷程序主要用于檢測主控制器、電機以及各部分傳感器等硬件的狀態信息是否異常[14]。

自動測流機器人成功連接服務器后,首先通過服務器進行手動功能測試,在預設軌道上測試各項功能是否正常;隨后設置測量模式和電機轉速等參數,以測試自動測量功能;最后設置采樣點,以進行數據的采集測試。

自動測流機器人系統選用步科的HMI作為操控屏,將HMI主要分為操作區和顯示區兩大部分。操作區包括參數設置區、控制區以及測量模式選擇區三部分。 顯示區主要包括數據采集顯示區和系統信號檢測顯示區兩部分。在主界面中,操作員完成電機參數設置后選擇測量模式,并點擊“自動啟動”;HMI將自動操作的命令發送至主控制器,則自動測流機器人系統開始采集任務,并將采集的數據實時顯示在操控屏上。

自動測流機器人系統組裝完畢后,在室內展開了功能測試。由于室內測試沒有將超聲波泥位計、多普勒流速儀放入河流中進行數據采集,HMI顯示的水流速度、靜壓液位和瞬時流量都為零,其他數據默認顯示傳感器的上限值。超聲波水位計具有距離測量和物位測量兩種測量方式。水位高度的實時數據為距離測量模式,即測量自動測流機器人與地面的距離。三個測量點采集的數據為物位測量模式,即水面到水底的距離。該數據在這里顯示為0。經過實際測試,自動測流機器人系統能夠完成數據采集、保存與傳輸等功能。

數據查詢界面是將傳感器每次采集的數據自動保存至內存卡。操作人員可以點擊“數據查詢”按鈕查找歷史采集數據,以便分析河流信息。

4 結論

本文針對當前河道測流存在的效率和自動化程度較低、測量模式單一等問題,基于PLC控制系統,設計了一款河道自動測流機器人系統。首先,自動測流機器人系統能夠在河流軌道上通過主控制器實現啟停運動。然后,自動測流機器人系統結合多種傳感器,能夠實現河流流速、流量、淤泥深度等數據采集的功能。最后,通過對自動測流機器人系統的現場調試,并不斷優化自動測流機器人系統的運行程序,可以滿足自動測流機器人的功能需求。試驗結果表明,該測流機器人系統不僅自動化程度高、測流模式多,而且測量效率高、魯棒性較好。該系統為以后開展河道自動測流機器人多數據采集、智能高效采集以及遠程河流信息采集等研究奠定了基礎。