6ES7232-0HD22-0XA0技术介绍

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发电站工业环境的特点
    发电站的空间存在极强的电磁场，发电机的电压高达数千，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十干伏或数百千伏。由于现场条件的限制(例如老设备的改造)，有时上百米长的强电电缆和FLc的信号电缆不能有效的分隔开，甚至只能敷设在同一电缆沟内。高电压、大电流接通和断开时产生的强电干扰可能会在PLc输入线上产生很强的感应电压和感应电流，足以使PLC输入端的光电锅台器中的发光二极管发光，使光电耦台器的抗干扰作用失效，导致PLC产生误动作。如某水电站中的PLC在站内无发电机运行时工作正常，发电机起动运行后经常出现误动作，可以观察到在没有输入信号时PLC输入点的发光二极管有时也会闪动。
     干扰信号除了经PLC的输入端侵入PLC外，也可能经PLC的电源侵入PLC。
      与一般的工业环境不同，发电站的继电器控制系统中的继电器和执行机构(如断路器、接触器和电磁阀等)使用的是直流220V电源，在设计PLC的输出电路时，应充分考虑这一特点。

2抗干扰的隔离措施
    PLc内部用光电锅台器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLc的模拟量I／0模块一般也采取了光电锅台的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没有必要在PLc外部再设置干扰隔离器件。
    如果PLc输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰，可以用小型继电器来隔离发电站中用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二极管的工作电流仅数毫安，而小型继电器的线圈吸合电压为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。有的系统需要使用外部信号的多对触点，例如一对触点用来给PLC提供输入信号，一对触点用来给上位计算机提供开关量信号，一对触点用于指示灯，使用继电器转接输入信号既能提供多对触点，又实现了对强电干扰信号的隔离。PLC来自开关柜内的输入信号和距开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。
    为了提高抗干扰能力，PLc的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信线路也可以用光纤或带光电耦合器的通信接口来隔离，在要求防火、防爆的环境更适于采用这种方法。
3对电源的处理
    电源是干扰进PLc的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。
    如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLc的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器(见图1)，隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠地接地。

图1电源的抗干扰措施确
    低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的Ll和12用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的Cl和C2用来滤除共模干扰电压，c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压略高于电源正常工作时的高电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
    高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
    也可以直接选用电源滤波器产品，如北京中石公司的电源滤波器具有良好的共模滤波、差模滤波性能和高频干扰抑制性能，能有效抑制线与线之间和线与地之间的干扰，其产品可用于交流单相，三相电源和直流电源。
    在电力系统中，如果使用220v的直流电源(蓄电池)给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证FLC的正常工作。某些PLC(如三菱公司的FX系列PLC)的电源输入端内有一个直接对220v交流电源整流的二极管整流桥，整流滤波后的直流电压送给PLc内的开关电源。开关电源的输入电压范围很宽，这种PLc也可以使用220v直流电源。使用交流电源时，整流桥的每只二极管只承受一半的负载电流，使用直流电源时，有2只二极管承受全部负载电流。考虑到PLc的电源输入电流很小，在设计时整流二极管一般都留有较大的裕量，这种PLc如使用直流220v电源电压不会有什么问题。经过长期的工业运行，证明上述方案是可行的。
4 PLC输出端的可靠性措施
继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。PLc输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC220v电路中，必须用PLc驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。
    断开直流电路要求较大的继电器触点，接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时，应仔细分析是用PLc来控制接通还是断开外部回路。例如水电站中用得较多的DC220v电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，可以选用触点较小的小型继电器来转接PLc的输出信号。

5安装与布线的注意事项
    开关量信号(如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号)一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般的电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高，有的通信电缆的信号频率很高(如上兆赫)，一般应选用PLc生产厂家提供的专用电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。
    PLc应远离强干扰源。如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLc不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLc应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联Rc消弧电路。
    PLC的I／0线与大功率线应分开走线，如必须要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I／0线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
    如果模拟量输人／输出信号距离PLC较远，应采用4—20mA或0.10mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式。
    传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的1／10，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。不同的信号线好不用同一个插接件转接，如必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开。以减少相互干扰。
6结束语
    我们在水电站微机综合自动化控制系统中广泛使用了PLc，由于采用了上述的可靠性措施。在常年连续运行的情况下，PLC都能长期可靠工作。

 研制机器人的初目的是为了帮助人们摆脱繁重而简单的重复劳动，替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配等场合，已经开始大量使用机器人。工业机器人大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，能够按照预定的顺序、条件、位置逐步重复执行给定的作业任务，从而节省了劳动力，提高了工作效率。
    可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。由于PLC具有功能强大、可靠性高、体积小巧、可扩展各种智能模块等特点，使其在自动化领域中的应用日益普及。本文采用FX系列PLC控制图书馆作业型机器人，使其按编制的程序自动完成图书上架工作。

1 系统原理及结构

1.1 系统原理
    图书馆作业型机器人工作系统结构示意图如图1所示。机器人机身长度l1与书架宽度l2相等。机身部装有图书存储栏和与之相平行的钢轨，机械手安装在钢轨上并可沿X方向在钢轨上移动。机械手顶端安装一扫描装置，用于读取图书信息，以配合机械手执行图书分类上架任务。机器人机身部装有接近传感器，主要用于感应机器人和外部物体的接近程度，使机器人可通过紧急制动来避免与书架、墙壁以及意外障碍物的碰撞。

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图1 机器人结构示意图

    当PLC接收到开始信号时，机器人行驶至位置A后停止，机械手绕Z轴沿顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，开始从图书存储栏中寻找A1类图书。这时，机械手在钢轨上沿X轴正方向朝钢轨末端移动，顶端扫描装置同时扫描图书存储栏中待上架图书的条形码，直至扫描到A1类图书停止，机械手伸出手臂将之取出，手爪夹紧书后手臂缩回，接着机械手绕Z轴沿逆时针方向旋转180°至垂直正对书架A1栏，然后沿X轴反方向朝钢轨前端移动，顶端扫描装置同时扫描书架A1栏中放置的图书的条形码，直至运动至五条形码信息处(即书架A1栏中未放置图书的空隙处)停止。机械手伸出手臂将图书放人A1栏中，然后将手臂缩回，完成一本图书的上架任务。由于图书存储栏中可能还存在A1类图书，这就需要继续寻找A1类图书。这时，机械手又运动至钢轨前端限位处(即初始位置)，并绕Z轴顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，又开始重复循环进行上述动作(扫描目标图书刁取书呻上架)，直至机械手移动至钢轨末端，扫描完图书存储栏中后一本图书，才说明已寻找完图书存储栏中所有A1类图书。若后一本书是A1类图书，机械手则继续按上述步骤完成上架任务，然后移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作；若不是A1类图书，机械手则立即移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作。机器人将A2、A3类图书上架的工作原理与上述原理基本相似，只是机械手将图书上架时需伸高一定高度至A2、A3栏。就这样，机器人在PLC控制下顺序完成了书架A中图书的上架工作。接着，机器人又行驶至位置B后停止，的上架工作。
1.2 系统结构
1.2.1 机械手
    本作业型机器人中机械手具有四个自由度，即水平方向的伸、缩；竖直方向的升、降；绕竖直轴Z轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转；沿X方向在钢轨上的移动。另外，其末端安装了执行装置——手爪，可完成抓、放动作。
    以上动作均采用气动方式驱动。即用4个二位五通电磁阀门(每个阀门有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制4个气缸，使机器人完成伸、缩、上、下、旋转以及手爪抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动；手爪则用一连杆机构使气缸的伸缩运动转化为手爪的抓放运动。
    机械手在钢轨上的移动机构采用4个轮子，如图2所示，由伺服电机通过同步轮、同步带传至主动轮子。

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图2 机械手移动机构示意图

1.2.2 图书存储栏
    机器人在开始作业前，工作人员将待上架的图书放人图书存储栏中。图书存储栏固定于机器人机身部，随着机器人移动。为了便于机械手从栏中将所需图书取出，须将每本图书间隔开并竖立放置。于是，我们设计了如图3所示的图书存储栏。分别用两块挡板隔成了一个个书槽，将待上架的图书每本分别放置于书槽中，这样使每本图书不会倒下，而且彼此间隔了一定距离，使机械手在扫描到目标图书后，能方便、准确地将之取出。

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图3 图书存储栏

1.2.3 机器人导引装置
    本设计中采用了电磁引导方式，原理如图4所示，导引图书馆作业型机器人沿书架旁边直线运动。该方法在地板上开出数厘米深的沟，埋人导线，通以频率为3～10kHz的电流。安装在机器人机身内的敏感线圈，能感知机体与导线间的偏移，从而引导机器人沿导线正确行走。

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图4 引导装置原理图

2 PLC硬件接线和软件编程

    本设计中机器人控制需大量的输入点和输出点。因此，我们选用日本三菱公司生产的P1-60MR型可编程序控制器，具有36个输入点，24个输出点，足以满足本设计的要求。
    为了更详细地介绍PLC控制图书馆作业型机器人工作原理，我们在此列出了机器人将A1、A2类图书自动上架的程序段，并特别针对机器人将A1类图书上架的程序段进行了详细的说明。图5是PLC的梯形图。

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图5 PLC的梯形图

   PLC控制机器人将A1、A2类图书上架的程序框图如图6所示。在此，还写出了相应的梯形图程序。
   程序说明如下：
(1)当机器人的机械手位于钢轨前端限位处，并垂直正对书架时，为机器人初始位置。此时，钢轨前端限位开关SQ2，机械手绕Z轴逆时针方向旋转180°限位开关SQ5被压，x402、x405触点接通按下起动按钮SB1时，X400触点接通，Y430线圈接通，机器人前进。
(2)当机器人前进至位置A时，压下限位开关SQ1，x401触点断开Y430线圈，机器人停止前进，正好停在书架A的前面(机器人机身长度与书架宽度相等)。
(3)机械手绕Z轴J顷时针方向旋转至触到限位开关SQ4，此时x404触点断开Y433线圈，机械手停止旋转。此时，机械手已旋转180°至垂直正对图书存储栏。
(4)x404触
   点接通线圈Y431，机械手开始在钢轨上沿X轴正方向朝后端移动，寻找A1类图书。

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图6 程序框图

(5)扫描到A1类图书信息，x412触点断开Y431线圈，机械手停止移动，x412触点接通移位寄存器数据输入端，使M100置“1”，Y435线圈接通，机械手手臂伸出。
(6)手臂伸至限位开关SQ6时，X406与M100触点接通移位寄存器移位信号输入端，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，M101接通线圈M200，M200触点接通Y531线圈，手爪夹紧书。同时定时器T450开始计时。M100置“0”，Y435断开，手臂停止伸出。
(7)T450延时到，T450与M101触点接通，产生移位信号，M102为“1”，M100～M101置“0”，M102触点接通Y436线圈，机械手手臂缩回，因为使用S指令，所以M200线圈保持接通，Y531也保持接通，使手爪继续把书加紧。
(8)当手臂缩至限位开关SQ7时，x407与M102触点接通产生移位信号，M103为“l”，M100～M102置“0”。M102断开Y436线圈，停止缩回，同时M103接通Y434线圈，机械手开始绕Z轴逆时针方向旋转。
(9)机械手旋转至限位开关SQ5时，X405与M103触点接通移位信号，M104为“1”，M100-M103置“0”。M103触点断开Y434线圈，停止旋转。此时机械手已逆时针方向旋转180*，正好垂直正对书架。同时，M104接通线圈Y432，机械手开始在钢轨上沿X轴反方向朝前端移动。
(10)移动时，机械手顶端的扫描装置开始扫描
   图书条形码信息。当没有条形码信息时，X500与
   M104触点接通移位信号，M105为“1”，M100～M104置“0”。M104触点断开Y435线圈，机械手停止移动。同时，M105触点接通Y435线圈，机械手手臂伸出。
(11)手臂伸至限位开关SQ6时，X406与M105触点接通移位信号，M106为“1”，M100～M105置“0”，M105触点断开Y435线圈，手臂停止伸出。同时M106触点接通M200线圈，R指令使M200复位，M200触点断开Y531线圈，手爪松开，放置图书于书栏A1中。同时，T451开始计时。
(12)T451延时到后，T451与M106触点接通移位信号，M107为“1”，M100～M106置“0”，Y436线圈接通，机械手手臂缩回。
(13)手臂缩至限位开关SQ7时，X407与M107触点接通移位信号，M110为“广，M100-M107置“0”，M107断开Y436线圈，手臂停止缩回。同时，M110接通Y432线圈，机械手开始在钢轨上沿轴反方向移动。
(14)机械手移动至限位开关SQ2时，X402与M110触点接通移位信号，M111为“1”，M100～M110置“0”，M110触点断开Y432线圈，机械手停止移动。同时，M111触点接通移位寄存器复位输入端，寄存器全部复位。此时，机器人处于初始位置状态，M111触点接通Y433线圈，机械手又开始绕Z轴顺时针方向旋转，继续寻找A1类图书，反复执行以上步骤。
以上(1)～(14)步骤的程序说明是针对A至B
    程序段展开的。若机械手在钢轨上移动至末端限位开关处，说明已扫描完图书存储栏中所有待上架的图书，即已将A1类图书寻找完毕。这时，程序直接跳转至B点后，机器人开始执行A2类图书查找并自动上架任务。
    当按下停止按钮SB2时，X501触点作用，使机器人立即停止动作。

3 结束语

    本系统采用FX系列PLC控制图书馆作业型机器人，使其按编制的程序自动完成图书上架工作，经实际试运行，表明各项功能均已满足设计要求，且控制系统的可靠性高、故障少，结构部分操作方便，安全可靠，从而节省了劳动力，提高了工作效率。