手持操作器采用16位單片機，對檢測到的按鈕和搖桿操作進行數(shù)據(jù)編碼后通過無線的方式發(fā)送至PLC,，PLC對其解碼后獲得指令實現(xiàn)對機械手各關(guān)節(jié)運動的控制,。該方案成本低，具有良好的通用性和可擴展性,。

    前言

    可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController,，PLC）是一種適用性強的工業(yè)用控制器，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)線,，移動機械設(shè)備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場合,。其工作性能穩(wěn)定，可擴展性強,，應(yīng)用簡便,。根據(jù)不同的模塊配置，可以進行邏輯及算數(shù)運算,，對數(shù)字開關(guān)量,、模擬量等進行控制和采集，同時具有豐富的總線接口形式,，可以利用公開的協(xié)議與不同設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng),。在我們所研制的工業(yè)機械手中，各關(guān)節(jié)由比例閥或開關(guān)閥構(gòu)成開環(huán)液壓控制回路,，實現(xiàn)比例調(diào)速或開關(guān)動作,，因此我們選用了西門子的S7-200系列PLC作為其控制器。[1>[2>

    在一些環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合,，尤其是對于移動機械設(shè)備,，控制系統(tǒng)的布線受到諸多限制，操作人員與控制系統(tǒng)的位置安排不方便,。因此,，具有高度靈活性的無線遙控操作系統(tǒng)的應(yīng)用得到了推廣。目前工業(yè)上應(yīng)用的無線遙控操作系統(tǒng)一般采用無線電數(shù)字傳輸方式,。一些芯片廠商如Infineon,、Micrel、RFMonolithics,、Melexis,、CML、ATMEL等也都推出了各種適應(yīng)于不同場合和要求的RF芯片[3>,。

    無線數(shù)傳模塊是一種集成式的專用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)的模塊,，可直接通過數(shù)據(jù)總線與其它控制、采集等模塊連接完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控,、遙測,，無線抄表，自動化數(shù)據(jù)采集等場合,。具有可靠性高，功耗低,，協(xié)議透明使用方便等優(yōu)點,。傳輸距離可以達到幾十至上百米，有些甚至可以到上千米的距離,。目前很多廠商推出了工業(yè)化,、系列化的產(chǎn)品，可以根據(jù)不同的使用場合和要求選擇合適的產(chǎn)品,。

    目前一些廠家推出了專用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無線遙控器,，其性能優(yōu)異，集成度高,。如HBC,、JAY等，應(yīng)用于混凝土泵車,、裝載機等場合,。但由于其一般針對專用工程設(shè)備，不具有較好的通用性及可擴展性,，且主要是國外廠家,，價格高昂，其應(yīng)用推廣受到限制,。

    在我們研制的多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手中,，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關(guān)節(jié)液壓閥的開關(guān)及比例控制,，實現(xiàn)機械手的基本功能,。采用無線數(shù)傳模塊通過無線通信方式收發(fā)數(shù)字信號，實現(xiàn)遠程無線遙控功能,，所設(shè)計的手持遙控器的輸入開關(guān)量及模擬量由16位單片機采集并編碼輸出,。

    1.總體方案

    該機械手用于巷道內(nèi)進行混凝土噴漿作業(yè)，有自動和手動操作兩種模式,。自動模式下,，PLC控制機械手各關(guān)節(jié)按程序預(yù)定的軌跡運動，調(diào)整機械手末端的方位與角度,，使噴漿噴頭按設(shè)定軌跡運動,，且始終垂直于受噴的巷道面，完成巷道表面的噴漿作業(yè)。手動模式下,，由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開關(guān)閥和比例閥進行控制,，驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動，控制混凝土噴頭的方位及角度,。其中按鈕控制泵站的啟停及開關(guān)閥的方向切換,，比例搖桿則根據(jù)操作人員的控制，形成一個±10V范圍內(nèi)的模擬量,，比例閥根據(jù)模擬量的大小及方向,，控制關(guān)節(jié)運動速度的大小及方向。其控制系統(tǒng)功能框圖如圖1所示,。 

圖1機械手控制系統(tǒng)功能框圖

    在布線方便的情況下,，按鈕操作及搖桿操作的開關(guān)及比例信號可通過電纜直接輸入到PLC的數(shù)字量及模擬量輸入模塊。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,、成本低,、可靠性高，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件編程極為簡化,。但在實際工業(yè)現(xiàn)場中,，布線受到諸多限制，尤其是對于移動型設(shè)備,，采用有線控制方式人員操作不夠方便靈活,。由于我們研制的機械手需要在軌道上長距離運動，且操作距離較遠,，因此必須采用無線遙控操作的方式,。為此我們采用無線數(shù)傳模塊作為通信模塊，并設(shè)計了基于16位單片機的手持式操作器,，改進后的遙控型機械手控制系統(tǒng)總體功能框圖如圖2所示,。無線數(shù)傳模塊成對使用，在手持操作器端和機械手本體上的控制系統(tǒng)端各有一塊,，分別完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送及接收功能,。在控制系統(tǒng)需要的時候，也可以雙向收發(fā),，即同一端的數(shù)傳模塊在數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能中切換,。此時需要注意，數(shù)傳模塊的發(fā)送與接收功能的切換需要一定的時間,。

    手持操作器根據(jù)操作員對按鈕及搖桿的不同操作,，通過IO口及AD轉(zhuǎn)換進行采集，采集后的信息進行數(shù)字編碼后形成指令,，以ASCII碼的形式通過串口發(fā)送到無線數(shù)傳模塊,，無線數(shù)傳模塊再將指令以無線方式發(fā)出;機械手上的控制系統(tǒng)的數(shù)傳模塊接收到發(fā)送來的指令編碼后通過串口總線傳送至PLC,，PLC對指令編碼進行解碼，分解出不同的操作指令,，然后進行邏輯運算,，根據(jù)不同的指令得到不同的需要執(zhí)行的動作，再通過數(shù)字輸出和模擬輸出控制相應(yīng)的繼電器或閥動作,，從而實現(xiàn)對機械手各關(guān)節(jié)的遠程無線操作,。通過信號電纜連接到PLC的按鈕操作輸入及搖桿操作輸入保留在機械手本體上，作為備份或檢修使用,。同時,，在PLC數(shù)字輸入口和手持操作器上均設(shè)置遙控操作切換按鈕，可以進入或退出遙控操作模式,。PLC上的按鈕操作應(yīng)具有更高的優(yōu)先級。

    由于搖桿操作采集的對象為搖桿的比例位置狀態(tài),，它采用的是自動對中的設(shè)計的,。因此在控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上，采用循環(huán)發(fā)送指令的方式,。即進入無線控制狀態(tài)后,，手持操作器就定時地將采集到的狀態(tài)發(fā)送出來，而不管此時有沒有操作人員的操作輸入,。    

圖2遙控型機械手控制系統(tǒng)功能框圖

    2.通信模式選擇

    無線數(shù)傳模塊一般具備三種接口模式：TTL電平UART接口,，可直接與單片機或其它芯片的串口管腳相連;標準的RS-232接口;標準的RS-485接口。其中232接口模式與485接口模式通過跳線進行切換,。西門子的S7-200系列PLC具備一個或兩個RS-485標準的接口,，因此可以采用后兩種方式，將PLC直接與無線數(shù)傳模塊的485接口相連;或者利用與PLC相配的PC/PPI電纜將PLC的485接口轉(zhuǎn)換為232接口后,，再與無線數(shù)傳模塊的232接口相連,。

    S7-200系列PLC的通訊端口支持多種通訊協(xié)議，此處可以采用的有兩種,。一種是西門子的PPI主-從協(xié)議,，利用這種協(xié)議主站可以直接對從站，即控制系統(tǒng)中的PLC,，發(fā)出指令,，控制從站的各端口及功能。這種方式PLC的編程簡單,，不需要對原有從站程序進行修改,。但是PPI協(xié)議不是一個公開的協(xié)議，在文獻[4>中提到了一種通過串口偵聽獲取PPI協(xié)議從而利用主站編程控制從站的方式,。另外一種通訊模式是自由口模式,，利用自定義的PLC程序控制S7-200CPU的通訊端口,，使用用戶自己定義的通訊協(xié)議來實現(xiàn)與外界的通訊。這種模式支持ASCII和二進制協(xié)議,。自由口模式使用簡單,、靈活，但需要對PLC進行專門的編程,。因為無線遙控所需數(shù)據(jù)量不大,，通過比較，選擇了自由口通訊模式,，以ASCII碼的形式在手持操作器和PLC之間傳遞命令和反饋信息,。在PLC內(nèi)編寫了專門的無線控制程序，實現(xiàn)無線控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信及對機械手的控制,。

    無線數(shù)傳模塊的功能僅為實現(xiàn)PLC與手持操作器的無線通信功能,，對于PLC與手持操作器中CPU而言，通過無線數(shù)傳模塊的無線通信與通過串行端口直接相連的有線通信兩種方式,，在編程上是沒有任何差別的,。

    單片機與無線數(shù)傳模塊的通信接口則可以選擇三種接口模式中的任一種，既可以采用簡單的直接相連;為提高穩(wěn)定性,，也可以采用232或485芯片進行電平轉(zhuǎn)換后再與數(shù)傳模塊相連,。為保持更好的可擴展性，我們選擇了RS-232接口標準,。

    3.手持操作器的設(shè)計

    手持操作器的功能為通過處理器的數(shù)字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入,，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行編碼后形成控制指令，通過無線數(shù)傳模塊發(fā)出,。

    XC166系列單片機是英飛凌科技（Infineon）的16位微控制器產(chǎn)品,，其優(yōu)異的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的指令集,，以及不斷擴充更新的產(chǎn)品線,，使其廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制和信息技術(shù)領(lǐng)域,。該系列單片機具有豐富的接口模式,，如14通道10位AD變換器，同步/異步串行通道USART,，高速同步串行通道SPI,，CAN模塊，79個IO引腳等,，并可與各種設(shè)備組成通訊網(wǎng)絡(luò),。同時，該系列單片機適應(yīng)于惡劣的工業(yè)環(huán)境,，工作溫度可在-40～125°C,。[6>針對我們所設(shè)計的手持操作器的功能,，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機。這樣只需附加極少的外圍硬件,，就可以實現(xiàn)所需的功能,，同時，使該遙控器具有工作性能穩(wěn)定和易于進行功能擴展的優(yōu)點,。

    手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能,，即采集搖桿操作產(chǎn)生的比例控制電壓;數(shù)字IO功能，即采集按鈕操作狀態(tài)和進行一些功能狀態(tài)顯示;通訊功能,，即定時地將采集到的控制指令按規(guī)定的格式編碼后通過串口以無線的方式發(fā)送,。

    手持操作器由電池供電，XC166系列單片機及無線數(shù)傳模塊可以滿足低功耗的要求,。

    4.數(shù)據(jù)可靠性

    無線遙控操作系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院涂刂频陌踩?，避免發(fā)生失控和錯誤控制指令現(xiàn)象，本系統(tǒng)主要通過以下幾方面來保證：

    無線數(shù)傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率,，高效前向糾錯信道編碼技術(shù);

    串行通訊協(xié)議校驗,，一般采用奇偶校驗;

    軟件協(xié)議校驗;通過軟件編程，對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行校驗,，可采用CRC校驗、交互確認或多次發(fā)送對比的方式,。在我們的程序中采用同一動作指令重復(fù)發(fā)送的方式,，只有命令指令與確認指令完全相同，PLC才接受指令,，否則忽略此指令,。這樣就完全避免了通信所產(chǎn)生的錯誤指令;

    PLC的“軟件看門狗”;在PLC程序中設(shè)置定時程序，當超時未收到無線指令時,，停止機械手動作,，防止由于通訊中斷而使機械手失控;

    通過以上四個措施，可以有效地保證無線遙控的可靠性,，防止產(chǎn)生錯誤操作指令或機械手失控,。

    5.結(jié)論

    通過試驗證明，這種采用PLC和無線數(shù)傳模塊的遙控方式簡單可行,，由于PLC及數(shù)傳模塊都有成熟的工業(yè)化產(chǎn)品,，可靠性高，成本低,，擴展性好,，因此本方案具有較高的實用價值，簡化了設(shè)計過程,。但手持操作器中的單片機模塊尚需進一步的工業(yè)化設(shè)計,，以達到更高的工業(yè)可靠性要求,，并實現(xiàn)總線通信、自檢驗等更多功能,。

    本文作者創(chuàng)新點：通過設(shè)計一種新的架構(gòu)體系,，利用工業(yè)化的無線數(shù)傳模塊 ，將PLC控制與無線遙控結(jié)合起來,，使機械手控制系統(tǒng)能夠兼具二者的優(yōu)點,，降低了成本、滿足了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,、兼容性及無線控制的要求,。