基于西門子S7-200可編程控制器的水下機器人姿態控制研究

摘 要：本文介紹基于S7-200可編程序控制器的帶纜遙控水下機器人姿態控制的研究方案，同時根據帶纜水下機器人多自由度的控制要求編寫PLC程序和仿真觸摸屏人機界面，并進行西門子S7-200 CN組合實驗控制板模擬調試。

關鍵詞：S7-200 PLC；水下機器人；多自由度

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

QIU Hezhen

( South China University of Technology， Guangzhou 510641 )

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

帶纜遙控水下機器人是一種日益廣泛應用于海洋、河流與湖泊等水下環境動態監測的水下探測裝置，它在水下地貌與海洋物理特征觀測、水下環境調查、水下結構物檢查中有著特殊的用途。帶纜遙控水下機器人通常由臍帶纜、水下機器人和作為水下機器人軌跡與姿態控制機構的控制螺旋槳或噴水推進器等組成。水下機器人作業的方式決定了它具有在水平面上向各個方向運動幾率相等的特點。現有的小型水下機器人一般是采用多個控制螺旋槳實現對其不同自由度的控制，通常每一個自由度的控制由一個或每一組螺旋槳來實施對其控制。這類控制方式的主要缺陷是需要多個控制螺旋槳和復雜的操縱動作才能實現對機器人不同自由度的軌跡與姿態穩定控制，同時對這些螺旋槳的操縱動作也需要復雜的控制機構來實現。

本文以華南理工大學學生發明的一種創新型水下機器人為例，提出用簡單的操作程序來實現水下機器人精確的多自由度姿態控制。這種創新型水下機器人，包括一個上下、前后、左右對稱的主腔體、圓筒吸水裝置、一個噴水推進水管網路。水下機器人推動靠兩個上下對稱的螺旋槳和八個噴水口，如圖1、圖2。

2 控制系統工作原理

2.1 分析對象

較傳統的帶纜水下機器人，該機器人僅僅需要兩個控制螺旋槳，多自由度推進的實現主要依靠控制電磁閥的開關實現不同方向的噴水得以實現，使控制相對可以實現簡單化；而且前后左右各兩個共八個獨立控制的噴水口，因此便于運動中航向的微調，使得有較高運動精度；八個噴水口通過適當的控制可產生水平各方向的推力，可以實現前進、后退、側移、轉向，控制螺旋槳的電機則可以使機器人上升和下沉，實現多自由度；該機器人結構對稱，各向同性，沒有固定的主方向，更加有利于多自由度的實現。

2.2 設計操作動作

兩個螺旋槳和八個噴水口都是獨立控制的①機器人要實現垂直下降，只需將其平衡放在水中，由于自身重力克服浮力，機器人會慢慢下沉；若要加速，只需將上螺旋槳開動就可以實現。②要在某個深度時進行向前推進，首先要將下螺旋槳開動，使機器人保持在該深度上，然后將后方的兩個噴水口同時打開。③機器人要進行水平偏轉，根據圖2，可以使噴口4和8同時噴水。

3 系統設計

3.1 系統組成

該系統主要有PLC、被控對象、電源、電腦等組成。通過點數計算及性能分析。選擇SIEMENS S7-200系列CPU224CN。該型號PLC本機集成14DI/10DO；最大擴展7個模塊；6個高速計數器并分別獨立；6個單相計數器和4個兩相計數器；2個20 kHz脈沖輸出口；1個RS-485接口；接線端口子排可整體拆裝，該PLC抗干擾能力強、控制能力強。

3.2 硬件組成

①PLC一臺：CPU224 CN ；②通信電纜數根；③電腦一部；④兩個電動機；⑤8個電磁閥；⑥24V電源一個；⑦電線數根。

3.3 西門子S7-200組合實驗控制板

如圖3所示。

圖3 西門子S7-200組合實驗控制板

4 軟件設計

4.1 PLC程序設計

V4.0STEP 7 Micro/WIN軟件包是西門子公司為SIMATIC S7-200系列微型PLC設計的編程軟件，主要用來輸入、編輯用戶程序，以及對用戶程序進行調試、監控等。用其編寫能夠實現1.2所列舉機器人運動姿態的PLC程序。

4.1.1 I/O分配表

見表1。

4.1.2 主要程序和實現方式

要實現精確的多自由度姿態，本文設計需要手動控制，故該程序為手動控制程序。程序包含各個噴水口的獨立控制程序和兩個螺旋槳的獨立控制程序。

在工作過程中，PLC是集中輸入和集中輸出，響應各數字量、模擬量輸入信號，并按動作要求輸出響應，驅動相應的電動機或者電磁閥，以實現上面所設計的動作姿態。

系統的每個工作周期均有工作記錄，以保證該系統的可靠性及安全性。

4.2 人機界面設計

4.2.1 簡介

人機界面設計是在操作人員和機器設備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數字等來處理或監控管理及應付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。觸摸屏是一種人機界面，它的簡單易用，強大的功能以及優異的穩定性使它非常適合用于工業環境，也非常實用于本文的研究。MT500系列觸摸屏是專門面向PLC應用的。

4.2.2 界面設計

運用MT500系列觸摸屏的EB 500即Easy Manager觸摸屏人機界面編寫，設計得到的人機界面如圖4所示。

圖4 仿真人機界面

5 結論

我們用西門子S7-200組合實驗控制板來驗證結果。可以根據控制板上得電動機反應、電磁閥的關閉是否與程序的控制指令相應，從而檢驗出設計的程序是否成功，對水下機器人的多自由度姿態控制是否能成功。實驗證明，電動機和電磁閥能夠由觸摸屏人機界面來按照設計好的動作運行。所以，我們基本能實現用西門子S7-200 PLC對帶纜水下機器人進行多自由度姿態控制。

參考文獻

[1] 谷男男，等，多自由度噴水推進帶纜遙控水下機器人的試驗

研究，2010年大學生創新基地項目，華南理工大學，2010

[2] 殷瑞祥，等，電氣控制[M]，華南理工大學出版社，2006

[3] Siemens， S7-200手冊[M]， 2007

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