基于PLC的自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王茂燦,萬 熠,梁西昌,侯嘉瑞,夏新雲(yún),田超群,王泉鈞

(1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061;2.山東大學(xué)機(jī)械工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,山東 濟(jì)南 250061;3.山東大學(xué)工程訓(xùn)練中心,山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

水文數(shù)據(jù)的采集與檢測分析對(duì)防汛減災(zāi)、水資源管理以及促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有重大意義[1-3]。近年來,隨著我國科技的不斷進(jìn)步,工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高,水文領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與檢測正在向著高精度、智能化的方向發(fā)展[4]。

目前,市場上的測流方式按照采集方式主要分為手動(dòng)測流和自動(dòng)測流兩種。手動(dòng)測流指操作人員手持測流儀器到固定采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其具有采集方便、無需搭建平臺(tái)、容易操作的優(yōu)勢。但手動(dòng)測流的缺點(diǎn)是一次測量的效率較低,且需要大量的人力和物力[5-6]。隨著人們對(duì)河道測量自動(dòng)化要求的不斷提高,手動(dòng)測流方式已經(jīng)不能滿足智能、高效的測量需求[7]。自動(dòng)測流方式憑借測量方便、智能化程度高、操作簡單等優(yōu)勢,逐漸在測流工作中發(fā)揮重要作用[8]。但目前的自動(dòng)測流仍需要人員現(xiàn)場控制測流機(jī)器人,存在測量模式單一、野外工作環(huán)境復(fù)雜及供電困難等問題[9]。

針對(duì)上述不足,本文提出了一種基于可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)具備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、人機(jī)交互以及遠(yuǎn)程通信四大模塊。硬件系統(tǒng)依靠驅(qū)動(dòng)裝置來滿足鉛魚的收放需求和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求。軟件系統(tǒng)采用PLC作為主控制器,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集梯形圖,實(shí)現(xiàn)了測流機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集控制。人機(jī)交互指操作人員控制測流機(jī)器人和讀取采集數(shù)據(jù)的功能。其結(jié)合4G遠(yuǎn)程通信技術(shù),將操作指令和采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。現(xiàn)場模擬開展的試驗(yàn)結(jié)果證明了測流機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。

1 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)工作場景需求

為滿足測量需求、實(shí)現(xiàn)河道自動(dòng)測流,本文首先在河流上方為機(jī)器人系統(tǒng)搭建一條特定軌道,以便機(jī)器人能夠在河道截面任意位置利用多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;然后在河岸設(shè)置測流機(jī)器人充電房,在保護(hù)機(jī)器人的同時(shí)解決了戶外供電難等問題,實(shí)現(xiàn)了無人值守的河流數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。河流剖面采集如圖1所示。

圖1 河流剖面采集示意圖

1.2 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)功能需求

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)是一種能代替人工進(jìn)行河流信息自動(dòng)采集的智能機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)通過各類傳感器對(duì)河流信息進(jìn)行采集,并結(jié)合遠(yuǎn)程操控技術(shù)達(dá)到了高效率、高精度、多模式、自動(dòng)化的測流目標(biāo)。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)續(xù)航能力需達(dá)到2.4 h;需具備單點(diǎn)測量和多點(diǎn)測量兩種模式;需滿足流速、流量、水溫、水深和淤泥深度的河道信息采集要求;測量范圍最大為25 m;行駛速度最快達(dá)到0.4 m/s。

1.3 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)整機(jī)尺寸約為1 400 mm×60 mm×600 mm,整體結(jié)構(gòu)具有防水、防沙功能,能夠適應(yīng)惡劣數(shù)據(jù)采集環(huán)境。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)不僅要求較高的自動(dòng)化程度,還要具有高效率、高精度、多功能及高魯棒性的性能,以滿足野外復(fù)雜環(huán)境下河道信息采集的需求。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

為達(dá)到輕量化的目的,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)車體整體采用鋁合金材質(zhì),在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部用于放置傳感器、電機(jī)、控制箱、電源等設(shè)備,外部有操控屏、通信天線和指示燈等器件。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)傳動(dòng)裝置主要包括驅(qū)動(dòng)和采集兩個(gè)部分。

1.3.1 驅(qū)動(dòng)部分

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)采用V型輪作為行駛輪。直流電機(jī)通過齒輪減速器連接后輪驅(qū)動(dòng)軸以提供驅(qū)動(dòng)力。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)能以0～0.4 m/s的可調(diào)速度在固定鐵軌上作前進(jìn)和后退。直流電機(jī)輸出軸安裝編碼器以測量自動(dòng)測流機(jī)器人的行走速度和距離。

1.3.2 采集部分

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)采集部分主要負(fù)責(zé)河流信息采集。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部的鋼絲繩通過導(dǎo)線輪一端連接鉛魚,另一端連接卷揚(yáng)滾筒。在直流電機(jī)的帶動(dòng)下,卷揚(yáng)滾筒通過正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)鉛魚的收放功能。導(dǎo)線輪處安裝的編碼器用于采集鉛魚的位置和速度信息。鉛魚上安裝的多普勒流速儀和超聲波泥位計(jì)用于采集河道的流速、流量、淤泥深度、水溫等數(shù)據(jù)。車身安裝的超聲波物位計(jì)用于采集河道的水深信息。鉛魚收放結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉛魚收放結(jié)構(gòu)圖

2 自動(dòng)測流機(jī)器人測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)測流機(jī)器人硬件采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)測流機(jī)器人硬件采集系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)測流機(jī)器人硬件采集系統(tǒng)圖

硬件采集系統(tǒng)主要由主控制器、多普勒流速儀、超聲波物位計(jì)、超聲波泥位計(jì)、電源模塊、直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等硬件組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、手動(dòng)采集、自動(dòng)充電、故障自檢等功能,并能夠?qū)⒏鞑糠謧鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)通過RS-485上傳到主控制器,從而在人機(jī)界面(human machine interface,HMI)實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)。

主控制器采用西門子PLC S7-200 SMART。憑借著穩(wěn)定性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10],該P(yáng)LC能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下快速完成采集工作,并將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在HMI。HMI通過4G遠(yuǎn)程技術(shù)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器,以完成服務(wù)器對(duì)自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)由主控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)測流機(jī)器人系在軌道上的前進(jìn)、 后退,以及鉛魚在定滑輪上的上升和下降動(dòng)作。采用編碼器測量測流機(jī)器人行走的距離和鉛魚下降的高度,能使測流機(jī)器人精準(zhǔn)地在采集點(diǎn)開展采集工作。HMI不僅用于顯示數(shù)據(jù),還可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)人工操控。

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來源于鋰電池。在采集任務(wù)中,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)帶有電量自檢功能。當(dāng)電量低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí),自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)將自動(dòng)返回起點(diǎn)進(jìn)行充電。

服務(wù)器配置了Intel(R)Core(TM)i5-7300HQ CPU@2.50 GHz處理器,并安裝了EdgeAccess遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。服務(wù)器通過4G技術(shù)與自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)建立連接,隨后通過遠(yuǎn)程操控設(shè)置自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的測量模式、測量深度以及行進(jìn)速度等信息。參數(shù)設(shè)置完成后,運(yùn)行命令通過4G下發(fā)至自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。完成采集后,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存并傳輸至服務(wù)器,以便操作人員查詢采集數(shù)據(jù)。

2.2 自動(dòng)測流機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)測試流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測試流程圖

根據(jù)自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)選用的主控制器,本文在服務(wù)器安裝STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件,以設(shè)計(jì)自動(dòng)測流機(jī)器人軟件系統(tǒng)。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)具有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種方式。手動(dòng)操作的主要功能是控制自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的前進(jìn)、后退,鉛魚的上升、下降,卷簾門的開關(guān)等操作。自動(dòng)操作根據(jù)程序設(shè)定,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能采集。

在自動(dòng)運(yùn)行模式下,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)完成自檢工作后,按照設(shè)定的測量模式在固定軌道上開展采集任務(wù)。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)完成采集任務(wù)后返回充電房自動(dòng)進(jìn)行充電并保存采集數(shù)據(jù);同時(shí),將數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫,供工作人員實(shí)時(shí)查看、分析。相較于人工手動(dòng)采集,整個(gè)自動(dòng)采集過程的效率和可靠性得到了大幅提升。

根據(jù)自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際功能需求,本文將機(jī)器人軟件系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸和故障診斷四部分。自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)功能如圖6所示。

圖6 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)功能圖

3 自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)模擬采集試驗(yàn)

在自動(dòng)測流機(jī)器人硬件、軟件系統(tǒng)搭建完畢后,本文臨時(shí)搭建測試軌道以進(jìn)行功能測試。

自動(dòng)測流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序通過主控制器控制驅(qū)動(dòng)器來調(diào)整行走電機(jī)和卷揚(yáng)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向。數(shù)據(jù)采集程序通過RS-485與各部分傳感器進(jìn)行通信,將采集的數(shù)據(jù)解析后存放于主控制器的寄存器中并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程操控程序主要將采集數(shù)據(jù)和操作命令通過4G技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)器,通過多傳感器采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程河流信息的監(jiān)控[11-13]。故障診斷程序主要用于檢測主控制器、電機(jī)以及各部分傳感器等硬件的狀態(tài)信息是否異常[14]。

自動(dòng)測流機(jī)器人成功連接服務(wù)器后,首先通過服務(wù)器進(jìn)行手動(dòng)功能測試,在預(yù)設(shè)軌道上測試各項(xiàng)功能是否正常;隨后設(shè)置測量模式和電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù),以測試自動(dòng)測量功能;最后設(shè)置采樣點(diǎn),以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集測試。

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)選用步科的HMI作為操控屏,將HMI主要分為操作區(qū)和顯示區(qū)兩大部分。操作區(qū)包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、控制區(qū)以及測量模式選擇區(qū)三部分。 顯示區(qū)主要包括數(shù)據(jù)采集顯示區(qū)和系統(tǒng)信號(hào)檢測顯示區(qū)兩部分。在主界面中,操作員完成電機(jī)參數(shù)設(shè)置后選擇測量模式,并點(diǎn)擊“自動(dòng)啟動(dòng)”;HMI將自動(dòng)操作的命令發(fā)送至主控制器,則自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)開始采集任務(wù),并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在操控屏上。

自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)組裝完畢后,在室內(nèi)展開了功能測試。由于室內(nèi)測試沒有將超聲波泥位計(jì)、多普勒流速儀放入河流中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,HMI顯示的水流速度、靜壓液位和瞬時(shí)流量都為零,其他數(shù)據(jù)默認(rèn)顯示傳感器的上限值。超聲波水位計(jì)具有距離測量和物位測量兩種測量方式。水位高度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為距離測量模式,即測量自動(dòng)測流機(jī)器人與地面的距離。三個(gè)測量點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)為物位測量模式,即水面到水底的距離。該數(shù)據(jù)在這里顯示為0。經(jīng)過實(shí)際測試,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)采集、保存與傳輸?shù)裙δ堋?/p>

數(shù)據(jù)查詢界面是將傳感器每次采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至內(nèi)存卡。操作人員可以點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)查詢”按鈕查找歷史采集數(shù)據(jù),以便分析河流信息。

4 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前河道測流存在的效率和自動(dòng)化程度較低、測量模式單一等問題,基于PLC控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一款河道自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)。首先,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)能夠在河流軌道上通過主控制器實(shí)現(xiàn)啟停運(yùn)動(dòng)。然后,自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合多種傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)河流流速、流量、淤泥深度等數(shù)據(jù)采集的功能。最后,通過對(duì)自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試,并不斷優(yōu)化自動(dòng)測流機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行程序,可以滿足自動(dòng)測流機(jī)器人的功能需求。試驗(yàn)結(jié)果表明,該測流機(jī)器人系統(tǒng)不僅自動(dòng)化程度高、測流模式多,而且測量效率高、魯棒性較好。該系統(tǒng)為以后開展河道自動(dòng)測流機(jī)器人多數(shù)據(jù)采集、智能高效采集以及遠(yuǎn)程河流信息采集等研究奠定了基礎(chǔ)。