基于西门子S7-200可编程控制器的水下机器人姿态控制研究

基于西门子S7-200可编程控制器的水下机器人姿态控制研究

作者：邱荷珍

来源：《广东造船》2012年第01期

摘 要：本文介绍基于S7-200可编程序控制器的带缆遥控水下机器人姿态控制的研究方案，同时根据带缆水下机器人多自由度的控制要求编写PLC程序和仿真触摸屏人机界面，并进行西门子S7-200 CN组合实验控制板模拟调试。 关键词：S7-200 PLC；水下机器人；多自由度

Posture Control of Underwater Vehicles Based on Siemens S7-200 Programmable Controller QIU Hezhen

( South China University of Technology, Guangzhou 5101 )

Abstract: This paper introduces the study on posture control of underwater vehicles based on Siemens S7-200 programmable controller, designs some programs of PLC and simulation touch screen man-machine interface according to multi-degree-of-freedom control requirements of underwater vehicle with cable, which is tested by simulation debugging of Siemens S7-200 CN combination experimental control board.

Key words: S7-200 PLC; Underwater Vehicle; Multi degree of freedom 1 引言

带缆遥控水下机器人是一种日益广泛应用于海洋、河流与湖泊等水下环境动态监测的水下探测装置，它在水下地貌与海洋物理特征观测、水下环境调查、水下结构物检查中有着特殊的用途。带缆遥控水下机器人通常由脐带缆、水下机器人和作为水下机器人轨迹与姿态控制机构的控制螺旋桨或喷水推进器等组成。水下机器人作业的方式决定了它具有在水平面上向各个方向运动几率相等的特点。现有的小型水下机器人一般是采用多个控制螺旋桨实现对其不同自由度的控制，通常每一个自由度的控制由一个或每一组螺旋桨来实施对其控制。这类控制方式的主要缺陷是需要多个控制螺旋桨和复杂的操纵动作才能实现对机器人不同自由度的轨迹与姿态稳定控制，同时对这些螺旋桨的操纵动作也需要复杂的控制机构来实现。

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本文以华南理工大学学生发明的一种创新型水下机器人为例，提出用简单的操作程序来实现水下机器人精确的多自由度姿态控制。这种创新型水下机器人，包括一个上下、前后、左右对称的主腔体、圆筒吸水装置、一个喷水推进水管网路。水下机器人推动靠两个上下对称的螺旋桨和八个喷水口，如图1、图2。 2 控制系统工作原理 2.1 分析对象

较传统的带缆水下机器人，该机器人仅仅需要两个控制螺旋桨，多自由度推进的实现主要依靠控制电磁阀的开关实现不同方向的喷水得以实现，使控制相对可以实现简单化；而且前后左右各两个共八个控制的喷水口，因此便于运动中航向的微调，使得有较高运动精度；八个喷水口通过适当的控制可产生水平各方向的推力，可以实现前进、后退、侧移、转向，控制螺旋桨的电机则可以使机器人上升和下沉，实现多自由度；该机器人结构对称，各向同性，没有固定的主方向，更加有利于多自由度的实现。 2.2 设计操作动作

两个螺旋桨和八个喷水口都是控制的①机器人要实现垂直下降，只需将其平衡放在水中，由于自身重力克服浮力，机器人会慢慢下沉；若要加速，只需将上螺旋桨开动就可以实现。②要在某个深度时进行向前推进，首先要将下螺旋桨开动，使机器人保持在该深度上，然后将后方的两个喷水口同时打开。③机器人要进行水平偏转，根据图2，可以使喷口4和8同时喷水。

3 系统设计 3.1 系统组成

该系统主要有PLC、被控对象、电源、电脑等组成。通过点数计算及性能分析。选择SIEMENS S7-200系列CPU224CN。该型号PLC本机集成14DI/10DO；最大扩展7个模块；6个高速计数器并分别；6个单相计数器和4个两相计数器；2个20 kHz脉冲输出口；1个RS-485接口；接线端口子排可整体拆装，该PLC抗干扰能力强、控制能力强。 3.2 硬件组成

①PLC一台：CPU224 CN ；②通信电缆数根；③电脑一部；④两个电动机；⑤8个电磁阀；⑥24V电源一个；⑦电线数根。 3.3 西门子S7-200组合实验控制板

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如图3所示。

图3 西门子S7-200组合实验控制板 4 软件设计 4.1 PLC程序设计

V4.0STEP 7 Micro/WIN软件包是西门子公司为SIMATIC S7-200系列微型PLC设计的编程软件，主要用来输入、编辑用户程序，以及对用户程序进行调试、监控等。用其编写能够实现1.2所列举机器人运动姿态的PLC程序。 4.1.1 I/O分配表 见表1。

4.1.2 主要程序和实现方式

要实现精确的多自由度姿态，本文设计需要手动控制，故该程序为手动控制程序。程序包含各个喷水口的控制程序和两个螺旋桨的控制程序。

在工作过程中，PLC是集中输入和集中输出，响应各数字量、模拟量输入信号，并按动作要求输出响应，驱动相应的电动机或者电磁阀，以实现上面所设计的动作姿态。 系统的每个工作周期均有工作记录，以保证该系统的可靠性及安全性。 4.2 人机界面设计 4.2.1 简介

人机界面设计是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。触摸屏是一种人机界面，它的简单易用，强大的功能以及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，也非常实用于本文的研究。MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的。 4.2.2 界面设计

运用MT500系列触摸屏的EB 500即Easy Manager触摸屏人机界面编写，设计得到的人机界面如图4所示。 图4 仿真人机界面

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5 结论

我们用西门子S7-200组合实验控制板来验证结果。可以根据控制板上得电动机反应、电磁阀的关闭是否与程序的控制指令相应，从而检验出设计的程序是否成功，对水下机器人的多自由度姿态控制是否能成功。实验证明，电动机和电磁阀能够由触摸屏人机界面来按照设计好的动作运行。所以，我们基本能实现用西门子S7-200 PLC对带缆水下机器人进行多自由度姿态控制。

参考文献

[1] 谷男男,等,多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人的试验 研究,2010年大学生创新基地项目,华南理工大学,2010 [2] 殷瑞祥,等,电气控制[M],华南理工大学出版社,2006 [3] Siemens, S7-200手册[M], 2007

[4] 上海步科电气有限公司, EB500使用手册[M].