基于S7-1200_PLC...煤矿救灾机器人控制系统研究_蒋祥龙.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0530前言对于煤矿井下瓦斯爆炸、火灾和透水等事故，科学合理的救援实施方案是降低损失、减轻灾害风险的关键条件之一。与传统的人工救援相比，机器人能连续长时间工作，不受井下救援时间限制，也不易引发二次事故，具有安全系数高、救援效率高、环境感知和探测能力强等优点。针对煤矿救灾机器人的实践、装备、应用和发展，控制系统一般需要考虑3个方面：在控制输入方面，平台应具有较广的感知范围，实时探测和处理效率高；在控制输出方面，系统具备良好的机动性能，能适应复杂的路况条件，能耗平衡性好，运载能力强；在控制性能方面，整体运行平稳、安全可靠。然而，作为救灾机器人控制系统的核心模块，对控制器硬件平台设置和软件编程决定了控制系统的综合性能。本文选用西门子S7-1200 PLC为控制核心，开发包含运动控制（行进、转向和避障）、环境探测（温度和瓦斯等有害气体测量）、视频和语音在线传输、远程无线数据通信等功能的软、硬件系统，从控制输入、输出及搭载平台的可靠性等角度出发，进一步完善煤矿救灾机器人控制系统，助推救灾机器人的落地推广。1整体控制方案煤矿救灾机器人主要依赖本地控制器的在线控制，如图1所示。一是以各传感器测量信号的临界值为参考，处理环境探测的温度和瓦斯等有害气体浓度信号，通过状态选择器确定机器人动作状态，反馈调整行进路径。二是支持人工示教，获取井下视频和语音信号，通过无线通信传输到地面计算机，并允许远程调整救灾机器人的行进路径。图1煤矿救灾机器人控制原理图2PLC控制系统设计2.1煤矿救灾机器人控制系统构成煤矿救灾机器人控制系统由PLC、电机驱动、传感器、视频和语音采集、无线数传等模块组成，如图2所示。基于 S7-1200 PLC 的煤矿救灾机器人控制系统研究蒋祥龙(重庆科创职业学院 智能制造学院，重庆402160)摘要：针对煤矿救灾机器人控制系统的基本要求，从控制输入、控制输出以及搭载平台的可靠性等角度出发，开发基于S7-1200 PLC的救灾机器人控制系统。配置自动控制和人工示教2种工作方式，设计包含运动控制、环境探测、视频和语音监测、远程无线数据通信等功能。本设计有助于完善救灾机器人控制系统，对降低救援损失、减轻灾害风险等有一定的应用价值。关键词：煤矿；救灾机器人；PLC；控制系统；人工示教中图分类号：TP242.3文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 218 03Research on Coal Mine Rescue Robot Control System Based on S7-1200 PLCJIANG Xianglong(College of Intelligent Manufacture,Chongqing Creation Vocational College,Chongqing 402160,China)Abstract:From the perspectives of control inputs,outputs and the reliability of the mounted platform,S7-1200 PLC-based rescue robot control system is developed to meet the basic requirements of a coalmine rescue robot.The scheme has provided automatic control and manual demonstration,and designedfunctions such as motion control,environmental detection,video and voice monitoring,and remotewireless data communication.The S7-1200 PLC can further improve the rescue robot control system,which has certain application value in reducing rescue losses and mitigating disaster risks.Key words:coal mine；rescue robot；PLC；control system；manual demonstration环境探测传感器临界值-无线控制视频和语音本地控制器前进转向后退煤矿救灾机器人状态选择人工示教218第42卷第02期Vol.42 No.02基于S7-1200 PLC的煤矿救灾机器人控制系统研究蒋祥龙图2煤矿救灾机器人控制系统构成图煤矿救灾机器人以PLC为核心，由左右驱动电机控制行进和转向，前后摆臂驱动电机控制跨越障碍和爬坡。通过温湿度、瓦斯等传感器全面探测井下环境，判断井下空气质量，为施行救援提供依据。利用视频传输掌控井下事故状态，由语音传输解析井下呼救信号，准确定位事故位置和施救区域，方便提供安全可靠的井下救援方案。2.2控制系统硬件设计PLC模块是煤矿救灾机器人的本地控制器，选择西门子S7-1200 PLC的CPU 1214C DC/DC/DC模块，具有14个数字量输入、10个数字量输出、2个模拟量输入和2个模拟量输出端口，支持外部扩展8块信号模块，系统硬件结构如图3所示。图3控制系统硬件组成图为了充分感知救援路径井下环境的氧气、瓦斯、一氧化碳和二氧化碳等，选择扩展2块具有8个模拟量输入端口的SM 1231。由于SM 1231的模拟量输入采用标准的电压（05 V）或电流（020 mA）信号，若气体传感器输入信号为非标电压或电流，则需要通过信号调理电路转化。为了实现煤矿救灾机器人的行进、转向和避障等运动控制，选择24 V、250 W的直流无刷电机驱动，所能达到的直接载重约200 kg。S7-1200 PLC扩展1块具有8个数字量输入和8个数字量输出端口的SM1223、1块具有4个模拟量输出端口的SM1232，通过数字量和模拟量端口控制无刷电机驱动，利用数字量输出端口的电平高低控制机器人前进、停车和后退，由SM1232的模拟量端口输出05 V电压信号控制机器人行进速度。为了进一步避免救援路径偏移，数字量输入防碰撞光电检测信号，模拟量输入超声传感器和红外传感器测量信号。CPU 1214C在线处理数字和模拟信号，利用光电检测的高灵敏度和超声定量测量分析判断行进路径是否存在障碍物，利用红外信号测量使机器人远离井下火场，进而确定煤矿救灾机器人的行进路径。为了实现与地面计算机远程通信，选择工作频段410441 MHz的FSK无线数传电台，采用24 V DC供电，发射功率20 dBm，接收灵敏度-120 dBm。由于FSK无线数传电台支持RS-485通信，因此S7-1200PLC扩展1块CM1241通信模块，通过RS-485控制救灾机器人与地面计算机进行远程通信。而为了实现地面计算机远程控制救灾机器人，并对机器人运动进行人工示教，在机器人的前端、左端和右端分别安装照明灯和网络摄像头，进而满足地面计算机大范围视野监控要求。此外，救灾机器人安装拾音器获取井下语音，通过无线数传电台转发到地面计算机，解析井下呼救信号。由于视频和语音模块都支持RS-485，以S7-1200 PLC为Modbus主站、支持RS-485的功能模块为Modbus从站，借助CM1241实现视频语音信号测量和无线数据传输。最后，为了满足煤矿救灾机器人S7-1200 PLC、驱动电机和数传电台等独立供电要求，选择标称电压24 V、400 Ah大容量的磷酸铁锂电池。由于部分模块采用3.3 V DC和5 V DC电源，可分别选择配置DC-DC变换器，以满足其它模块工作需要。2.3控制系统软件设计煤矿救灾机器人控制系统软件框图如图4所示，包含控制方式选择、系统功能、参数设置和报警等。煤矿救灾机器人分为自动控制和人工示教2种方式。在自动控制模式中，救灾机器人自动探测行进路径，根据对环境信号感知，对救灾机器人的行进、转向和避障等控制。在人工示教模式中，地面计算机通过无线数传电台与井下救灾机器人进行远程通信，根据反馈的视频语音，远程调整机器人行进。图4煤矿救灾机器人控制系统软件框图24 V电源FSK无线数传电台拾音器网络摄像头CM1241 RS-485SM1223数字量输入输出视频/语音模块无线数传模块电机驱动模块传感器模块左右驱动电机SM1231模拟量输入CPU 1241CS7-1200 PLCSM1231模拟量输入SM1232模拟量输出环境温湿度/瓦斯/一氧化碳/二氧化碳/氧气等信号测量照明/光电检测信号测量超声/红外信号测量直流无刷电机驱动可编程控制器PLC前后摆臂驱动电机煤矿救灾机器人控制系统软件控制方式环境参数监测运动控制视频监测语音监测系统参数参数设置系统功能人工示教自动控制报警管理当前报警历史报警无线通信密码管理端口定义备用端口定义219第42卷第02期基于S7-1200 PLC的煤矿救灾机器人控制系统研究蒋祥龙Vol.42 No.02参数设置用于管理煤矿救灾机器人控制系统基本参数和端口信息。设置并确定环境参数的参考临界值，用于反馈调整机器人的行进路径。另外，还用于管理PLC端口信息，监测已用和未用的端口，确保机器人运行可靠。系统功能为PLC主程序中需要调用的子程序，包含语音和视频监测、环境参数监测、运动控制和无线通信等。如图5所示，当选择控制方式后，PLC的主程序启动，救灾机器人循环调用子程序的系统功能。在控制过程中，若无紧急中断和停车信号，机器人自动优化行进路径，并配合地面计算机，科学合理的施行救援方案。图5煤矿救灾机器人PLC软件控制流程图3结语为了完善煤矿机器人控制系统的功能，选用西门子S7-1200 PLC，开发设计包含运动控制、环境探测、视频和语音监测、远程无线数据通信等功能的救灾机器人控制系统。从控制输入、输出及搭载平台的可靠性等角度出发，对救灾机器人控制系统进行设计，并结合实际应用需要，设置自动控制和人工示教等功能。由于以PLC为核心设计，本系统软硬件具有较高的可靠性，既能按预定目标，自动开展井下救援任务，又能有效配合地面计算机和施救团队，科学合理的开展救援工作。参考文献：1王路明,常振兴.机器人技术在煤矿中的应用及发展趋势J.煤炭技术,2021,40(4):151-153.2朱华,由韶泽.新型煤矿救援机器人研发与试验J.煤炭学报,2020,45(6):2170-2181.3李秋生,闫小军.履带式煤矿救援机器人行走机构研究J.煤炭技术,2017,36(10):199-201.4刘建,朱华,郑之增,等.煤矿救援机器人的通信系统设计J.煤炭科学技术,2009,37(8):87-90.5王亚男,李明远.基于STM32控制的全方位可视煤矿救援机器人的研究设计J.煤炭技术,2022,41(1):242-244.6王健.基于S7-1200 PLC的电子直线加速器控制系统设计D.北京:北京化工大学,2019.7刘学申.基于PLC的自动装载控制系统研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.作者简介：蒋祥龙（1983-），重庆梁平人，副教授，高级实验师，主要研究方向:电气控制，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220721选择：人工示教/自动控制紧急处理？PLC子程序环境监测停车？开始PLC主程序启动是否语音监测运动控制无线通信视频监测是否结束220