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可编程逻辑控制器在管道机器人 控制系统中的应用 姜生元,邓宗全,李 斌,李瑰贤 哈尔滨工业大学 机械工程系,哈尔滨 150001 摘 要根据管内机器人工作环境的特殊要求,提出了把可编程逻辑控制器PLC用于管内机 器人控制系统中的方法,利用PLC的通讯功能、 脉宽调制方式PWM的输出功能及高速计数功能 实现管内外通讯和行走电机的闭环控制。实践证明,系统性能稳定可靠并具有良好的应用前景。 关键词管道;机器人;可编程序控制器;控制系统 中图分类号TG115. 28 ; TP242 文献标识码A 文章编号10002665620010620234203 THE APPLICATION OF PLC TO IN2PIPE ROBOT CONTROL SYSTEM JIANGSheng2yuan , DENG Zong2quan , LI Bin , LI Gui2xian Dept. of Mechanical Engineering , Haπerbin Institute of Technology , Haπerbin 150001 , China Abstract PLC was applied to in2pipe robot control system for its specific working condition. The communication be2 tween inner and outer controllers and the close2loop control of driving motor were realized by PLC functions of tele2com2 munication , PWM output and high2speed counter. It was proved that the was high in reliability and valuable to spread to pipeline engineering. Keywords Pipe; Robot ; PLC; Control system 在现代工业控制中,可选用的控制器种类很多, 性能指标差异很大,从定性角度来看,各类型控制器 的性能指标如表1所示,设计人员应根据具体情况 选择适宜的控制方案。由于管道机器人是在野外管 线内部作业,环境恶劣,不允许出现在管内失控的重 大事故[1]。因此除了对机器人的能源动力系统等 强电部分提出了严格要求外,还对机器人的控制单 元提出了极高的运行可靠性要求,以保证控制单元 不受环境、 强电及射线等干扰,在有效的控制策略下 起到持续监控作用;另外管道机器人在作业过程中 主要处理一些开关量,对控制器的处理时间要求不 高,所以我们采用了可编程逻辑控制器PLC作为 管道机器人的控制器。本文以我们研制的内置动力 源管内X射线探伤机器人的控制系统为例,详细介 绍了PLC在管道机器人控制系统中的使用方法,并 论述了采用PLC实现电机速度控制和位置控制的 具体实现过程。 收稿日期2000207228 表1 常用工业控制器性能比较 控制器 运算 速度 价 格 可靠 性 可操 作性 可维 护性 开发 周期 PLC较慢较高很高容易好短 单片机快低较低较难一般较长 PC机快高高较难好较长 1 控制系统构成 本管道机器人的控制系统由管内车载控制系统 和管外监控系统两部分组成图 1 。控制单元采用 日本松下公司的两台FP0系列PLC。管内行走和 执行机构由管内车载PLC直接控制,而管外操作者 在操作面板上通过管外PLC与管内车载PLC间的 通讯实现对管道机器人的作业监控。由于所采用的 FP0系列PLC本身只具有RS232接口,通讯距离有 限,为适应管道机器人长距离作业的需求,我们在控 制系统中采用了C2NET适配器进行了RS2232/ RS485通讯标准的转换,RS485是一种差动平衡式 432 第23卷第6期 2 0 0 1年6月 无损检测 NDT Vol. 23 No. 6 June 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 管道机器人控制系统框图 信号传输协议,它可以实现1 200m左右距离的可 靠通讯,且只需两根信号电缆,减小了管道机器人的 拖线阻力,对机器人长距离拖缆作业有重要意义。 2 管内外监控作业方式的实现 为保证管道机器人的作业安全性和可靠性,除 管内车载控制系统能对机器人的管内作业进程进行 控制外,还要求操作者根据机器人反馈回来的管内 作业信息对机器人作业进行人为干预,这就是监控 作业方式。监控作业方式的实现离不开管内外的通 讯,为此我们采用了主从通讯结构实现监控作业,管 外PLC为主机,管内PLC为从机。通讯协议为松 下电工的MEWTOCOL2COM专用通讯协议[2 ,3]。 采用此协议可以完全忽略串行通讯的低层实现,给 开发人员带来了极大的方便。 通讯开始先由主机发出呼叫,它包括一些特殊 标志码、PLC站号和呼叫字符等,其发送帧格式如 图2所示。 图2 MEWTOCOL2COM发送帧格式 主PLC用F144指令实现串行通讯,F144梯形 图的指令格式如下 [ F144 TRNS , DT100 ,K4] 此指令通过主PLC的RS232端口将存储在 DT101和DT102中的四个字节的数据输送出去。 正是通过主PLC向从PLC发送含有适当命令字的 文本,实现了对机器人行走电机、 执行机构及动力供 给系统等的监控。如对于X射线探伤机器人,为获 得射线发射器的状态信息,可将其由从PLC输入接 点读入,并存放在内部寄存器WR0和WR1中,主 PLC可以随时发送含有读WR0和WR1的指令获 取状态信息;为控制电机的转速、 位置及X射线发 射器等,可将控制字写入从机的WR2和WR3内部 寄存器中,从机根据控制字的状态控制机器人动作。 3 安全自救控制策略的实现 3. 1 断线的故障处理 为避免断线使通讯中断造成管道机器人因得不 到新的动作指令而失控的事故发生,不但要对线缆 强度和机器人结构等作适当处理,在控制上亦应采 取相应措施。因此管内的从PLC必须具有一定判 断能力,以判断通讯中断事件的发生,并及时采取自 救措施,避免事故发生。本文采用的判断通讯中断 事件发生的方法是由从PLC中的一个定时器进行 长定时的定时操作,定时结束,即可判断为通讯中断 事件发生。而主PLC端则由一个短定时的定时器 定时,以固定的时间间隔触发此间隔要比从PLC 的长定时时间短得多 , 向从PLC发出写定时器经 过区的指令,使其长定时的定时器复位。这样,在通 讯正常进行时,从PLC的长定时定时器因被周期性 地复位而不能触发通讯中断处理程序;而一旦通讯 中断时,此定时器定时结束将触发通讯中断处理程 序,管道机器人便开始按预定程序执行安全自救。 3. 2 能源供给检测与警示 为适应长距离作业 1 000m的需要,机器人 本体一般采用车载蓄电池组作为动力源。在这种情 况下,监控蓄电池组的电容量状态对于机器人的可 靠运行是至关重要的。为此我们设计了电池容量监 视电视。从PLC根据监视电路的输出作出判断,当 机器人确认系统电量不足后,通过管外控制箱上的 报警装置向操作人员发出警示,或者直接采取措施 进行紧急处理。这样可保障机器人的可靠运行,防 止因动力不足而造成管内载体无法出管的重大事故 发生。 4 电机控制的PLC实现 PLC对电机控制的实现是以PLC的高速计数 功能和脉宽调制方式PWM的输出功能为基础的。 为实现行走电机速度控制和位置控制,在结构上必 532 姜生元等可编程逻辑控制器在管道机器人控制系统中的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 须构成一个闭环控制系统,为此我们采用了光电增 量式编码器作为反馈信号传感器。通过PLC的高 速计数功能对反馈信号进行数据采集,由PLC的 PWM输出控制电机的转速。与PWM输出和高速 计数有关的I/ O分配框图如图3所示。 图3 PWM输出及高速计数I/ O分配图 4. 1 FP0系列PLC的高速计数和PWM输出功能 FP0系列PLC的高速计数功能、 脉冲输出功能 以及PWM输出功能是通过PLC内部的高速计数 器实现的。在FP0系列PLC内部有四个通道的高 速计数器,可以提供高达10kHz的计数速率,与高 速计数器有关的PLC指令共有七条,分别是F0 , F1 ,F166F170 ,部分指令的含义如下 F0 高速计数器控制指令,可改变高速计数器 的运行方式。 F1 读出或修改高速计数器的经过值指令。 F170 指定通道PWM输出指令。用此PWM 输出功能可输出脉冲宽度占空比为0. 01 9919 可调的PWM波形。其指令格式为 [ F170 PWM ,S , n ] 其中n表示从输出接点Yn输出, S指明存放 PWM输出控制字的数据区,此控制字说明了PWM 输出的频率和占空比,运行时只要改变PWM输出 控制字就可改变输出的频率及占空比。 用以上几条指令与PLC的基本定时器指令、 运 算指令和逻辑控制指令等配合便可实现对机器人行 走电机的控制。 4. 2 稳速控制的实现 由于实际上传感器检测到的是相对位置信号, 而为保证运行速度和行走平稳,我们关心的是速度 与设置值的一致性以及行走速度的平稳性。虽然实 际上并未直接检测到速度,但是速度的稳定是每一 采样周期行走距离一致的前提。根据速度是位移的 微分的原理,我们利用PLC的运算能力,将其和位 置传感器一起构成了一个 “软” 速度传感器。这样, 在一个采样周期内,PLC速度控制程序需处理以下 工作以调节电机稳速运行,即 ①用定时器设定采样 时间。②调用高速计数指令采样电机位置信号。 ③调用除法程序求电机速度。④设置值和实测值 做减法求偏差值。⑤调用比例积分微分PID子程 序对偏差进行控制调节。⑥通过写PWM指令控 制字调节PWM输出占空比调节转速。 4. 3 电机位置控制方式的实现 当管内移动载体稳速运行至靠近作业处时,管 内PLC将发出指令使行走电机减速运行,并向管外 发出信号提示操作工人注意,操作工人可通过电荷 耦合器件CCD返回的图象作出初步定位判断,并 控制行走电机停止运行。此时的定位一般并不能正 好满足要求即焊缝在监视器上基准允许范围内 , 这时工人可根据监视器上的位置刻度,用位置控制 方式使移动载体迅速定位。 位置控制方式与速度控制方式的结构相同。将 码盘反馈回来的实际位置值与指定位置值比较,以 时间速度图表明的逻辑控制方法控制电机的转速和 启停,达到位置定位要求。一种简单的理论时间速 度图见图4 ,其原理是移动载体先以设定的加速度匀 加速运动,达到设定高速v1后匀速运动,当位置反馈 计数达到S-S1时,再以设定的加速度匀减速至低 速v2后,以速度v2匀速前进,当位置反馈计数达到 S-S2时,制动指令输出,移动载体定位完成。 图4 简单定位控制过程 5 结论 用性能稳定、 可靠性高的PLC作为管道机器人 控制核心使机器人作业的可靠性得到了保障。本文 在通用PLC的基础上,应用PLC的通讯功能使管 内外通讯变得容易和可靠,而利用PLC的PWM输 出功能及逻辑处理能力使机器人行走电机的控制更 简单易行。现场工程实验证明,所研制的内置动力 源管内X射线探伤机器人最大作业距离达1 000m , 驱动电机的速度稳定且连续可调00. 2m/ s ,监 下转第239页 632 姜生元等可编程逻辑控制器在管道机器人控制系统中的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. H≡ H yp1, Hyp2 dH dx x1 ,d H dx x2 ,⋯,≥k 3 式中 k 与裂纹信号变化梯度相关的阈值 x1, x2,⋯ x轴上正负峰之间任意坐标点 k值可由理论模型计算或由大量实验得出。若式3 成立,则H为裂纹信号, Za不同时满足上述条件,则 为干扰信号。 5 裂纹信号定量分析 设采样离散信号经滤波、 野点剔除等预处理后得 到的信号为xn, n 1,2,⋯, N- 1,则对应的傅立叶 变换有 X f ∑ ∞ n 1 xnej2 π Δf 4 功率谱密度G f | X2 f | T 5 式中 T 频率间隔的倒数 功率谱p f ∫ ∞ 0 G fdf 6 对裂纹信号在过零处前后各取800点的数据由 式4 6求谱峰Gmax、 功率谱p f 及谱能Ei,则裂 纹宽度和深度分别为 2b F1 G max, p f , E d F2 G max, p f , E Ei ∑ ∞ i 0 p f 在大量实验基础上,采用灰色系统建模方法[3]可 得 2b Gi1 Ei- A A e- 4.86 Gi- A A0.038 K 7 d 2 b 1-e- 1.12K2.65 π 2.28 式中 Gi 谱峰值 A 谱峰的平均值 Ei 裂纹的谱能量 K Ei Gi 磁 敏元件Hall片组成的纵向Hall片阵中,每 个片长3mm ,在裂纹长度3mm时,可由灰色系统建 模方法和实验数据推导裂纹长度L ,即 L Ei1 Ei- B B e- 3.66K | Ei- B| B0.01KD E i- B1 Ei- B B e- 0.66D | Ei- B| B K 2.6K D 9 式中 B 裂纹谱能平均值 D 深宽比 则在光栅第i点时的裂纹总长为图4 L i L i 1 L i 2 10 图4 L的上角标表示传感器在第i个光脉冲时的裂 纹长度。当传感器转过一个角度,光脉冲为i 1,重 复上述长度的计算,如仍能计算出裂纹的数据L i1 1 , 则可认为裂纹延续;如计算出无裂纹的数据,则可认 为裂纹没有延续。 6 结论 基于上述方法研制成螺栓孔裂纹检测仪,与传统 的磁粉探伤仪相比,仪器智能化程度高,实现了裂纹 定量检测,因而检测结果直观,消除了由于人工判断 引入的误差,裂纹检出可靠性大大提高;同时由于自 动化程度高、 检测速度快,原来1d的工作量现在只需 约1h就可完成。因此这种仪器可获得明显的经济效 益,使飞机无损探伤达到一个新的水平。 参考文献 [1] 郑文仪.磁粉探伤与磁橡胶技术相结合的缘起和发展 [J ].无损检测,1995 ,174 21 - 24. [2] 徐章遂,张政保,王 瑾.一种新型轧辊裂纹检测装置 [J ].无损检测,1999 ,213 121 - 123. [3] 邓聚尤.灰色控制系统[M].武汉华中理工大学出版 社,1988.319 - 336. 上接第236页 控系统的CCD视觉定位精度4mm。 参考文献 [1] 邓宗全,等.管内机器人研究中的几项新技术[J ].高技 术通讯,1994 ,45 12 - 15. [2] 常斗南,李全利,张学武.可编程控制器原理 应用 实验 [M].北京机械工业出版社,1998.25 - 206. [3] 松下电工株式会社. FP0 Programming Manual[Z].大阪 松下电工株式会社,1998.1 - 33. 932 徐章遂等基于漏磁检测的螺栓孔裂纹定量检测方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.