1、I河北理工大学毕业论文课题名称：管道清淤机器人及控制系统研究姓 名: 刘 刚 工程领域: 机械工程 所属学院: 机械工程学院 学校导师: 王丰 教授 2006年 6 月 24 日II目 录摘 要 .Abstract .21 管道清淤机器人概述 .31.1 课题综述 .31.2 国内外管道清淤机器人技术现状 .31.2.1 国外的技术现状 .31.2.2 国内的技术现状 .41.3 本市管道清淤技术现状 .61.4 管道清淤机器人总体控制方案 .62 清淤机器人控制系统分析 .72.1 控制系统控制器的选择 .72.2 S7-200 系列 PLC 概述 .72.2.1 S7-200 系列 PLC
2、 简介 .72.2.2 程序设计中用到的 PLC 指令 .112.3 步进电机及其驱动器简介 .152.3.1 步进电机 .152.3.2 步进电机驱动电源 .162.4 电机驱动器的选择 .172.4.1 步进电机驱动器的选择 .172.4.2 直流电机驱动器的选择 .203 基于 PLC 的清淤机器人控制系统设计 .243.1 清淤机器人的控制过程 .243.2 PLC 的选型和通信 .243.2.1 PLC 的选型 .243.2.2 两台 PLC 之间的网络通信 .253.3 I/O 端点的确定和分配 .263.4 电机和驱动器的连接 .29III3.4.1 步进电机驱动器和电机的连接
3、.293.4.2 直流电机驱动器和电机的连接 .293.5 PLC 和电机驱动器的连接 .303.6 清淤机器人的控制程序设计 .303.6.1 编程的语言 .303.6.2 编程的一般规约 .313.6.3 程序框图的设计 .323.6.4 控制程序的设计 .32结 论 .39致 谢 .40参考文献 .41附录 A 清淤机器人控制清单 .43摘 要摘 要本文主要介绍了清淤机器人目前的发展状况以及通过利用 PLC 来实现对机器人的运动控制，从而使机器人自主地完成清淤任务。我们到唐山市区管网管理所进行实地考察，那里的工作人员热情地接待了我们，并给我们介绍了排水管道中淤积物的种类、目前城市排水管道
4、的清淤方法以及需要解决的问题。又通过图书馆和网络，查阅有关步进电机控制的学术论文、专利等文献资料。我确定了本次论文的大体内容、研究方案和研究目的：机器人内部有三台电机，地面上有一台电机。PLC 通过控制这四台电机来达到控制机器人的目的。本文详细介绍了 PLC 对电机的方向、速度、电流的控制方法和编程技术，包括 PLC 和驱动器的选型，步进电机和驱动器的连接和控制程序的编写等。控制程序主要为了实现排水管道清淤机器人前进/返回方向控制、脉冲宽度调制调速。关键词：可编程控制器；步进电机；驱动器Abstract2AbstractThe this article main introduction se
5、ttles silt robots the development condition at present and by using PLC to control the robot it make the robot independently to complete the task.We went to the Tangshan pipe network center for investigation, the staff there warmly has received us, and introduced to us the silting up type in the dra
6、inage channel, the present city drainage channel clear silt method and question. Also by the library and the network, I checked some reference related step motor controls.I have determined this paper the content, the research plan and the research goal: The robot interior has three stepping motor, t
7、here is a step motor in the ground. PLC controls four motor to controls the robot. This article in detail introduced how PLC control motors direction, speed, electric current and the programming technology, including PLC and the drivers selection, step motor and the drivers connection and the contro
8、l program and so on.The clear silt robot developments significance lies in: May realize the clean-up drainage channel; Improves working conditions currently dredging the pipeline, reduces workers labor intensity, safeguards workers personal safety, the enhancement drainage channel cleans up. In addi
9、tion, it also can apply to other related field.KeyWords：programmable controller; stepping motor; driver1 管道清淤机器人概述31 管道清淤机器人概述1.1 课题综述目前，城市的给水排水系统是通过地下管道来实现的。但排水管道很容易被一些油或杂物等堵塞，为提高管道的寿命、防止堵塞等事故的发生，因此必须对管道系统经常性的管理养护和对管道进行有效的检测和清通。管道机器人为满足该需要而产生的。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自
10、动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道清淤机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾和传感器检测管道内状况的功能。管道清淤机器人是在机器人技术上发展而来的，其机器人载体采用了常用的轮式行走机构，结构简单而且驱动力大，多选择步进电动机作为原动机。步进电机的控制性能好、精度高，在是一种控制性能非常好的控制电机。因此，对清淤机器人的控制就是用控制器直接对步进电机进行控制，其控制器现在大多采用技术比较成熟的PLC和单片机，特别是 PLC对步进电机的控制。 PLC控制能力好，抗干扰能力强，其最大的优点是编程语言简单易学，这大大简化了机器人的控制过程。 清淤机器人具体到本课题中就是我们说的“小车
11、”。它是由步进电动机来驱动的，而步进电动机是由PLC来控制的。设计要求利用S7-200PLC对步进电机进行控制，其中包括：步进电机和其驱动器的选择；步进电机与其驱动器的连接；PLC对步进电机和直流电机方向、速度控制，从而可以实现对排水管道清淤机器人前进/返回控制，变速控制，以提高清淤机器人的工作效率。管道清淤机器人研制的根本意义在于：可以实现排水管道的疏通清理工作；改善当前疏通管道时工人的工作环境、降低工人的劳动强度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率。此外，它还能应用到其他相关领域。1.2 国内外管道清淤机器人技术现状1.2.1 国外的技术现状目前，国外的管道清洗机器人已形成产业化。
12、如美国、丹麦、日本、韩国等诸多国家均有管道清洗机器人系列产品。早在1978年法国研制了一种轮腿式管内机器1 管道清淤机器人概述4人行走机构，成功地实现了管内自主行走。该机构由2个行走轮及4个支撑腿组成，腿由电机驱动运动，以适应不同管径的变化。80年代，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管内机器人的研究应用提供了技术保证。国外相继开展研制了多种类型的管内检测移动机器人。东京理科大学福田敏男等研制的可以通过90弯管的管内移动机器人样机，如下图。机器人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机M1通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2
13、驱动头部作姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可作管内裂纹探测，适用管径50mm，行走速度00.48m/min。但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走。图1 管内移动机器人样机管道清淤机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾和传感器检测管道内状况的功能。要实现这些功能，机器人必须拥有的“器官”包括：灵活的移动载体、多种清扫和清洗作业工具、通信系统和操作盒以及一些辅助设备和设施。纵观国外管道清洗机器人，其结构大同小异，性能水平也没太大的差别：1. 大多采用轮式或双履带式移动机构，管道适应性并不强；2. 配有高速旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除。由于管道有矩形管和圆
14、管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷；3. 装有CCD摄像头及照明灯，用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道内部是必不可少的；4. 由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管道外进行操作。1.2.2 国内的技术现状1 管道清淤机器人概述5我国在管道清淤机器人的研究应用还比较落后，但也有一些单位在这一领域取得了可喜的进展。哈尔滨工业大学目前已做出了管内机器人实验样机，上海大学、天津大学、成都核物理所和四川工业学院也从事这方面的研究工作。四川工业学院着重研究了PLC对步进电机的控制。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）
15、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，在结构上必须构成一个闭环控制系统，为此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。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；用定时器设定采样时间；调用高速计数指令采样电机位置信号；调用除法程序求电机速度；设置值和实测值做减法求偏差值；调用比例积分微分（PID）子程序对偏差进行控制调节；通过写PWM指令控制字调节PWM输出占空比调节转速。还有天津大学研究了一种管道机器人，该机器人系统采用模块化的设计思想，主要包括三个组成部分：移动机
16、器人本体模块、收放线装置模块、控制系统模块。本体模块的显著特点是采用积木式变宽结构以满足机器人适用于不同管径的管道作业；收放线装置模块实现电缆收放；控制模块设计两套控制系统：一是手动控制系统，另一是微机控制系统。手动控制系统通过控制面板上的按钮来控制机器人本体的前进、后退、加速、减速、急停，并实时显示机器人本体行进深度等；微机控制系统由插在PC机扩展槽上的自行研制的专用接口卡与控制箱上的计算机接口相连，通过软件实现计算机对机器人系统的控制。目前，主要采用的管道清淤方法是水力清淤法和机械清淤法。水力清淤是利用管中的污水、城市自来水对排水管道进行冲洗，靠高压水流把淤积物冲走。机械清淤法是在管段的首
17、尾两井上各设绞车，如图2，车上系住钢丝绳，用绞车来回拉动清管工具二三次，管内淤泥即可刮下无遗，清除效果好。图2 机械清淤法1 管道清淤机器人概述61.3 本市管道清淤技术现状唐山是北方重要的工业城市，水资源的利用量和排放量都非常大。因此，研究唐山的排水管道结构和管道清淤方式具有很重要的意义。从管网所得到的结果表明：唐山市的排水管道的内径从300-3000mm之间不等，主排水管大多为300-600mm，支管多为300mm。井口直径为640mm，往下直径越来越大，呈锥形。井距一般为50m，两井口间的连接管道有一定的坡度，一般在 0.003以上，靠重力实现流动，管道堵塞时多为树枝、棉丝、淤泥、钙化物
18、等，使悬浮物无法靠重力顺流而下。目前主要用两种设备：一个是管道高压清洗车，另一个是管道吸污车。管道高压清洗车有一个高压喷头，它是圆锥状的，圆锥外侧能喷出高压水柱，同时喷头不停的振动，振动的力量相当大，足以清洗掉管道内的一大部分淤积物，然后靠高压水流把淤积物冲走，这种方法非常实用，效果也很好。当淤泥比较多时，采用吸污车直接把淤泥吸出来。1.4 管道清淤机器人总体控制方案管道清淤机器人共使用4台电机：M1为载体步进电机、 M2为刀具步进电机、M3为调节压紧步进电机、M4为收放直流减速电机。按下启动按钮，M1正转，M4反转，M2延时后正转；载体打滑时，M3 正转，直到不打滑时M3停止，若压紧调节机构
19、到极限位置还打滑，则 M3停止，则按下手动返回按钮返回；若电机过载时，则按下手动返回按钮返回；遇大障碍时，则按下手动返回按钮返回；若需要急停时，则按下急停按钮；若到达下一井口，行程开关动作，载体返回。不管手动返回还是自动返回都需调用返回子程序。当调用返回子程序时，M1反转，M4正转，若回到原井口，行程开关动作并报警，M1 、M2、M4 停止， M3反转，直到压紧力调节机构回到原始位置，M3停止。2 清淤机器人控制系统分析72 清淤机器人控制系统分析2.1 控制系统控制器的选择如前所述，管道清淤机器人是用步进电机驱动的，而步进电机的控制器选择工业上使用最广泛的可编程逻辑控制器（PLC），用PLC
20、控制步进电机是机电一体化的必然趋势。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，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，所以选用了可编程逻辑控制器（PLC ）作为管道机器人的控制器。目前PLC生产厂家很多，选择西门子的S7-200PLC系列，这一系列产品能满足多种多样的自动化需求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性能、低廉的价格和强大的指令，使得S7-200PLC可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的PLC类型和电压等级使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。2.2 S7-200 系列 PLC 概述2.2.1 S7-200 系列 PLC 简介S7-200系列是西门子公司投放市场的小型可编程控制器。全部采用整体式结构，它的结构小巧，可靠性高，运行速度快，有丰富的指令集，只有强大的多种集成功能和实时特性，配有丰富的功能扩展模块，在各行各业中的应用迅速得到推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制器。图3为S7-200PLC的外型图。
