張立明

摘 要：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制誤差過大，導(dǎo)致控制時(shí)間過長。為了解決上述問題，基于PLC控制器設(shè)計(jì)了一種新的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件。系統(tǒng)硬件分別設(shè)計(jì)了電源電路、單片機(jī)、采集器和微處理器，采集器內(nèi)部設(shè)置8核處理器，利用多個(gè)接口提高采集效率，處理器芯片選擇三星公司生產(chǎn)的ST6382。通過PLC控制器初始化參數(shù)，利用機(jī)械手進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并抓取目標(biāo)、攝像頭采集機(jī)械手抓取圖像實(shí)現(xiàn)軟件流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠有效減少控制誤差，縮短控制時(shí)間。

關(guān)鍵詞：PLC控制器;電力系統(tǒng)機(jī)械手;自動(dòng)化控制;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN391?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0129-06

Design of automation control system of electric powersystem manipulator based on PLC controller

ZHANG Liming

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University， Kunming 650214， China）

Abstract：

The traditional automatic control system of power system manipulator has large control error in the application of chemical industry， resulting in long control time. In order to solve the problems above， a new automatic control system of power system manipulator is designed based on PLC controller， and the hardware and software of the system are optimized. The system hardware is designed with power circuit， single chip microcomputer， collector and microprocessor respectively. The collector is equipped with eight core processors， which use multiple interfaces to improve the acquisition efficiency. The processor chip is ST6382 produced by Samsung company. The software flow is realized by initializing the parameters of PLC controller， using manipulator to recognize and grasp the target， and camera to collect the image captured by manipulator. The experimental results show that the automatic control system of power system manipulator based on PLC controller can effectively reduce the control error and shorten the control time in the actual application process of chemical industry.

Key words：

PLC controller; power system manipulator; automatic control; control system

隨著控制工程的不斷成熟，機(jī)械手在控制工程中被廣泛應(yīng)用，并逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，近幾年來，電子信息技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)，在這樣的研究背景下，推動(dòng)了電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化、智能化、機(jī)械化的快速發(fā)展。氣動(dòng)技術(shù)在機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制過程中發(fā)揮了重要的作用，它主要以空氣作為工作介質(zhì)，傳輸能量和信號(hào)，通過氣動(dòng)技術(shù)的節(jié)能、無污染、控制簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏等優(yōu)勢(shì)，使電力系統(tǒng)機(jī)械手在工控行業(yè)迅速得到應(yīng)用[1-2]。

然而，氣動(dòng)在帶動(dòng)機(jī)械手完成旋轉(zhuǎn)或伸縮動(dòng)作時(shí)，由于氣動(dòng)運(yùn)行的穩(wěn)定性較低，導(dǎo)致機(jī)械手在驅(qū)動(dòng)過程中反應(yīng)較慢，為了解決這一問題，傳統(tǒng)機(jī)械手控制系統(tǒng)采用自由度來提升氣動(dòng)的穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題是無法實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別，且機(jī)械手的自動(dòng)化和智能化程度普遍偏低，機(jī)械手的定位精度較低[3]。

為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的控制系統(tǒng)，利用PLC控制器的編程簡(jiǎn)單、可靠性高、性能好、通用性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制，提高機(jī)械手控制的靈活度，以此實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別，通過對(duì)控制系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，提升控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

1 基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)存儲(chǔ)組，同時(shí)加入了一個(gè)數(shù)據(jù)庫，通過應(yīng)用程序服務(wù)器和多臺(tái)exchange服務(wù)器同時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行;PC機(jī)直接連接微處理器，再由微處理器連接采集器;系統(tǒng)硬件內(nèi)部設(shè)置了報(bào)警裝置，當(dāng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警報(bào)[5]。

1.1 采集器設(shè)計(jì)

利用采集器對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)械手內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)的采集器選用TI公司生產(chǎn)的TI7629，芯片選用三星公司最新推出的SD8329系列芯片。

采集器內(nèi)部集成了8核處理器，工作頻率最高可達(dá)2 GHz，工作頻率最低為256 MHz，具有4 GB的控制內(nèi)存;除了處理器之外，還配置了穩(wěn)壓電路、串口通信RS-232接口、USB接口、UART接口、以太網(wǎng)接口等，具有豐富的外設(shè)[6]。采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示;采集器電路圖如圖3所示。

根據(jù)圖2、圖3可知，在設(shè)計(jì)采集器的穩(wěn)壓電路時(shí)，充分考慮了采集器需要為處理器、大量的接口以及外設(shè)供電的需求，采集器的穩(wěn)壓電路選擇采用6 V電源輸入，可為內(nèi)部處理器、USB接口等提供1.8和3.3 V電壓[7]。采集器的串口通信RS-232接口的芯片選擇SD公司生產(chǎn)的SDX498芯片。它可協(xié)助串口通信RS-232接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，幫助采集器采集機(jī)械手抓取工件產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)，提升采集器的采集功能和遠(yuǎn)程傳輸功能，利用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)采集器與處理器的連接，通過采集器完成數(shù)據(jù)的采集工作，為接下來的系統(tǒng)控制打下基礎(chǔ)。

1.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的單片機(jī)型號(hào)為R7F0C014，該單片機(jī)由瑞薩電子公司推出，加入多個(gè)串口，部分串口用來與機(jī)械手在抓放過程中產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，其他串口主要與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，以此控制機(jī)械手的抓放操作[8];單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，單片機(jī)的外圍電路采用電壓為6 V，電流為1.3 A的交流電源，可通過穩(wěn)壓芯片將6 V電壓轉(zhuǎn)換為4.2 V;為單片機(jī)的外設(shè)供電，單片機(jī)內(nèi)部配置了存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器是機(jī)械手控制數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的重要器件，機(jī)械手在抓取工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的控制數(shù)據(jù)，需要一次性上傳到控制中心，由于傳輸設(shè)備傳輸控制數(shù)據(jù)的速率較低，一般為52.3 Byte/min，因此需要將控制數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在存儲(chǔ)器中;機(jī)械手抓取動(dòng)作完成后，單片機(jī)再陸續(xù)從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀取控制數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。另外，將控制數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，可以減少數(shù)據(jù)傳輸丟包情況，提升控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。單片機(jī)內(nèi)各種器件共同工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本文系統(tǒng)的控制[9]。

1.3 微處理器設(shè)計(jì)

在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制后，利用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，控制系統(tǒng)的微處理器屬于16核處理器，為TD公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，工作頻率最高可達(dá)8 GHz，內(nèi)部具有晶體振蕩電路和復(fù)位電路，可實(shí)現(xiàn)2 GSPS的等效采樣，可輸出2路250 MHz的采樣信號(hào)[10]。為了提升處理數(shù)據(jù)的效率和速率，本文處理器總線上配置了數(shù)據(jù)處理單元。該數(shù)據(jù)處理器單元屬于處理器的外設(shè)，數(shù)據(jù)處理單元含有全硬件的減法器、乘法器和加法器，在固定周期內(nèi)能夠完成機(jī)械手的全部機(jī)械指令，其工作主頻為500 MHz。微處理器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

晶體振蕩電路和復(fù)位電路為微處理器的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，同樣被設(shè)置在處理器的總線上。當(dāng)機(jī)械手完成復(fù)位操作后，微處理器對(duì)機(jī)械手復(fù)位后的連接數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的同步處理，在處理器的UART接口上具有獨(dú)立的控制單元。在微處理器處于省電模式時(shí)，控制單元可獨(dú)立完成部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，以此提升自身的數(shù)據(jù)處理能力[11]。

1.4 電源電路設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，由于機(jī)械手需要完成伸縮或前伸動(dòng)作，需要消耗巨大的電量，所以本文系統(tǒng)采用電流較大的16 V電池對(duì)其進(jìn)行供電。為了向采集器、單片機(jī)和微處理器供電，電源電路中需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。電源電路如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，電路中輸出的電流最高可達(dá)3.3 A，能使機(jī)械手完成伸縮或前伸動(dòng)作，確保機(jī)械手可以高效率工作。為了防止回流造成各硬件間互擾，控制系統(tǒng)硬件中的每個(gè)硬件需要分開供電，與此同時(shí)，輸入穩(wěn)壓芯片中的電壓最高不超過6 V，以免將穩(wěn)壓芯片損壞，電源電路原理圖如圖6所示。其中由于采集器自帶4.2 V穩(wěn)壓，因此只需輸入5 V電壓即可，外設(shè)的輸入電壓為4.2 V[12]。

1.5 PLC控制器設(shè)計(jì)

PLC控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，PLC內(nèi)部的電路集成在統(tǒng)一芯片內(nèi)，中央處理器CPU為系統(tǒng)的核心單元，能夠連接數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。當(dāng)外界發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PLC進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，通過掃描的方式得到相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)部，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，確定語法信息。PLC在進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，內(nèi)部的存儲(chǔ)器會(huì)讀取用戶指令，通過命令完成數(shù)據(jù)傳送和邏輯算數(shù)，得到相關(guān)的運(yùn)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)輸出控制、數(shù)據(jù)通訊等功能。

2 基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，采用了PLC控制器。它是本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的核心，具有較高的抗干擾能力，可以有效提升控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，可以實(shí)時(shí)采集控制系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)，經(jīng)過傳輸后向機(jī)械手發(fā)出相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的實(shí)時(shí)控制。本文選用的PLC控制器型號(hào)的選擇需要考慮控制系統(tǒng)輸入與輸出點(diǎn)數(shù)的數(shù)量，輸入點(diǎn)在10以上，輸出點(diǎn)大于8個(gè)，存儲(chǔ)器字節(jié)大于130，根據(jù)控制器的性能和成本，本文選用的PLC控制器為SIMEN公司生產(chǎn)的S7-400。它具有256個(gè)定時(shí)器，隨機(jī)存儲(chǔ)器為256 KB，數(shù)據(jù)處理能力和控制能力較好，滿足本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的控制需求。

本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)的流程，結(jié)果如圖8所示。

（1）將控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化。每一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)都需要進(jìn)行初始化。在本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，采集器、微處理器、單片機(jī)、撥碼開關(guān)等都需要初始化，其中撥碼開關(guān)與單片機(jī)采用UART接口連接，并采用USB接口進(jìn)行模擬，屏幕、鍵盤需要用采集器的串口通信接口進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)的初始值與輸入點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)的初始值設(shè)置為低電平0，機(jī)械手的控制頻率設(shè)置為100 Hz，占空比設(shè)置為4.5%～15.5%對(duì)應(yīng)0°～360°，串口在進(jìn)行初始化時(shí)，為了確保波特率的穩(wěn)定性，設(shè)置的波特率不可超過9 600 bps;

（2）機(jī)械手進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并抓取目標(biāo)。機(jī)械手上升到前極限點(diǎn)識(shí)別目標(biāo)，識(shí)別完成后開始抓取工件，機(jī)械手抓取工件的時(shí)間保持在2 min之內(nèi)，以確保機(jī)械手控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。抓取完成后，機(jī)械手會(huì)下降到下極限點(diǎn)，再左旋至左極限點(diǎn)并伸長至上極限點(diǎn)。為了將抓取到的工件準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到前極限點(diǎn)，電力系統(tǒng)機(jī)械手會(huì)上升到上極限點(diǎn)，放松機(jī)械手將工件緩緩放下，機(jī)械手的抓取操作結(jié)束;抓取、搬運(yùn)工作完成，設(shè)置新的機(jī)械手。PLC內(nèi)部的管理程序負(fù)責(zé)控制PLC運(yùn)行，確保PLC能夠按照正常狀態(tài)運(yùn)行，通過用戶指令解釋程序?qū)LC相關(guān)程序進(jìn)行解釋;通過編譯程序?qū)LC內(nèi)部的編程語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言，利用CPU對(duì)指令進(jìn)行執(zhí)行;通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)，確保PLC能夠執(zhí)行不同的程序，保證性能;

（3）按照化工生產(chǎn)的工藝流程，在一個(gè)周期內(nèi)，機(jī)械手需要完成15個(gè)動(dòng)作;之后循環(huán)重復(fù)以上操作直至搬運(yùn)工作任務(wù)完成。這時(shí)機(jī)械手將按照先下降、前伸、右旋的操作回到左極限位置[13]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1中的參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

機(jī)械手的定位精度主要由伸縮氣缸的運(yùn)動(dòng)精度來確定，由于無法測(cè)量伸縮氣缸的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以將伸縮氣缸的設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)測(cè)軌跡進(jìn)行比較，從而獲得機(jī)械手的定位精度。定位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

通過實(shí)驗(yàn)可得出，氣缸的測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的誤差為0.46 mm，伸縮氣缸測(cè)量值與設(shè)置的數(shù)值的差距為0.36 mm，氣降氣缸的平均誤差值為0.42 mm;通過分析氣缸運(yùn)動(dòng)的原理，當(dāng)誤差小于1 mm時(shí)證明設(shè)定值有效。由本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過對(duì)比氣缸測(cè)量值與設(shè)定值，其平均誤差均小于1 mm;所以證明本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手具有較高的定位精度，其定位精度的準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)中的機(jī)械手[14]。

控制耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可知，本文提出的控制系統(tǒng)控制耗時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。在控制相同的機(jī)械手時(shí)，本文提出的控制系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間更好地實(shí)現(xiàn)控制[15]。

除此之外，基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手在本文控制系統(tǒng)的操作下，機(jī)械手會(huì)根據(jù)PLC控制器已經(jīng)設(shè)定好的程序執(zhí)行操作程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)化抓取與搬運(yùn)。當(dāng)工作人員按下停止按鈕后，電力系統(tǒng)機(jī)械手會(huì)停止控制系統(tǒng)事先設(shè)定的程序，這證明了本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)符合實(shí)際操作要求，比較合理，提升了機(jī)械手的靈活度，使電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本文系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的機(jī)械手符合實(shí)際要求且具有較高的定位精度，比傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有更高的靈活度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，推動(dòng)了機(jī)械手的智能化發(fā)展，系統(tǒng)具有較好的可靠性、穩(wěn)定性和有效性。

4 結(jié)語

基于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的機(jī)械手定位精度低，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制和機(jī)械手的靈活度低等問題，本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有效利用了PLC控制器的通用性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力好等優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件環(huán)境，硬件方面設(shè)計(jì)了電源電路、采集器、單片機(jī)和微處理器，減少了控制系統(tǒng)受到的干擾，電源利用率高，具有較高的信號(hào)完整性，協(xié)助機(jī)械手更好的發(fā)揮了性能，為控制系統(tǒng)提供了硬件支持;軟件方面介紹了PLC控制器，闡述了PLC的優(yōu)勢(shì)，并給出了系統(tǒng)的軟件流程。最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的電力系統(tǒng)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。

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