基于S7-1200 PLC下水道除污机器人控制研究

摘  要：城市化规模的不断扩大导致下水道承载的排污量不断增加，雨水季节到来时各种淤积物极易堵塞下水管道，为此设计了一款下水道除污机器人，可实现对地下管网的检测、除污和疏堵。文章研究了以S7-1200 PLC为主控单元，结合工业以太网和伺服运动控制技术，并能实现触摸屏组态无线监控的除污机器人控制系统。对机器人的末端执行机构与淤积物的排除能力进行了对比研究，设计了一种可以通过多种方式达到除污或去除堵塞的多功能机器人末端执行机构。

关键词：下水道除污机器人;末端执行机构;S7-1200 PLC

Abstract：The continuous expansion of urbanization has led to an increase in the amount of sewage carried by sewers. When the rainy season comes，all kinds of sediments are easy to block the sewer. Therefore，a sewer decontamination robot is designed，which can realize the detection，decontamination and dredging of underground pipe network. The article studies a decontamination robot control system that uses S7-1200 PLC as the main control unit，combines industrial Ethernet and servo motion control technology，and can realize wireless monitoring with touch screen configuration. The end effector of the robot and the removal ability of sediment were compared and studied，and a multi-functional end effector of the robot that can achieve decontamination or removal of blockage in a variety of ways was designed.

Keywords：sewer decontamination robot;end effector;S7-1200 PLC

0  引  言

随着我国城市化进程加快，城市规模越来越大，城市下水道堵塞问题没有得到根本解决，堵塞的现象非常普遍，由于机器人在工业控制领域已经蓬勃发展，水下及特种机器人也得到了一定范围的使用。国产下水道机器人目前正在起步阶段，PLC作为工业自动化领域的通用控制器，应用非常广泛，S7-1200 PLC不仅具备了运动控制、模拟量控制，而且网络通信能力非常突出。通过S7-1200 PLC来实现对清污机器人自主作业控制展开研究，使该系统具备安全、高效、可靠、智能等特点，为我国城市管网行业机械设备的研制提供参考，对摆脱我国目前的智能清污机器人落后的现状有较大的帮助。

研究履带式小车为平台的机器人除污装置，其控制系统以S7-1200 PLC为主控单元，结合工业以太网技术、远程无线遥控技术、机器视觉技术、伺服运动控制技术，可以实现对下水道机器人的控制，从而替代人工进入下水道清淤。机械手臂的设计及控制是机器人的关键环节之一，对下水道除污机器人的执行机构机械臂的结构和关节控制进行合理设计，可以使除污机器人的作业空间范围得到有效提高，进而使作业的强度、力度、可靠性得到保障，同时也可以使除污机器人手臂的灵活度得到很大改善[1]。PLC结合步进驱动的控制系统让机器人在下水道的弯曲管道作业时可以对垃圾和有害物堆积的死角进行有效的清理，降低清扫疏通的难度[2-4]。实际作业时，将该机器人放入管道内，此装置能够对管壁黏附物及堵塞情况，采用摄像头探测管内工况，并根据管内工况，远程监控调节机械臂与工作台的位置，清理方式则采取旋转机械臂，可以抓取堵塞物体，或者通过机械手臂上与强力泵连接的水管实现真空抽污，也可以通过连接在机械手上的水枪配合冲洗管壁，实现三种方式联合除污或者去除堵塞物，达到疏通地下管网的目的。研究该课题可以帮助解决下水道污染，对环境保护有重大意义。本设计目前的开发进度是控制系统的软、硬件设计和调试，下一步是结合控制系统和机械部分的装置实物。

1  除污机器人手臂设计

1.1  机械臂的设计方案

机械臂的关节由伺服电机加控制器驱动;减速器作为传动部件可以增大力矩，降低转速，关节轴末端安装的编码器光栅可以反馈关节的位移和速度。关节外壳采用301不锈钢材料并涂刷绝缘漆，起到在污水中作业时防腐蚀防锈的作用。关节部件的密封材料使用橡胶加机油密封。

1.2  机械手臂的结构设计

本文所设计的机器臂安装在下水道除污机器人上，如图1所示，采用了3关节坐标型结构，包括第一关节G1、第二关节G2、第三关节G3。该结构可以使机器人手臂的自由度高，工作范围大。其中第一关节可以环绕Z1轴线旋转正200度至负120度;第二关节可以环绕Z2轴线旋转正200度至负180度;第三关节可以环绕Z3轴线旋转正200度至负110度。該机械手臂结构由于灵活度大，相比于挖掘机除淤泥和清理垃圾物的效率和清洁度有很大提高。

2  除污机器人手臂末端设计

2.1  机器人末端执行器手爪结构

如图2所示，机器人末端执行器手爪包括：顶板、气缸、活塞杆、连接板、侧板、第一连杆、第二连杆、挂扣、拉簧、抓取板、导套。

顶板呈矩形板状结构，气缸设置在顶板的上侧，气缸与顶板通过螺栓固定相连接;活塞杆位于气缸的下部，活塞杆与气缸通过套合方式相连接;连接板设置在活塞杆的下方，连接板与活塞杆通过螺栓固定相连接;侧板设置在连接板的侧部，侧板与连接板为一体式结构;第一连杆设置在顶板的侧部，第一连杆与顶板通过转轴相连接;第二连杆设置在第一连杆的下侧，第二连杆与第一连杆通过转轴相连接;挂扣设置在第二连杆的侧部，挂扣与第二连杆通过焊接方式相连接;拉簧设置在侧板与第二连杆的中部，拉簧与侧板及第二连杆通过挂扣方式相连接;抓取板设置在第二连杆的下部，抓取板与第二连杆通过焊接方式相连接;导套设置在顶板的下侧，导套与顶板通过螺栓固定相连接。

2.2  机器人末端执行器优点

机器人末端执行器手爪结构，顶板呈矩形板状结构，顶板的两侧设置有U形状的连接座。连接板呈矩形板状结构，连接板的两侧焊接有四处侧板。侧板、第一连杆、第二连杆、挂扣、拉簧及抓取板在顶板的左右两侧呈对称设置。抓取板呈弧形板状结构。手爪结构通过设置气缸作为该机械手的驱动部件，其较现有的电机带动丝杆实现抓取的机械手爪更为灵活，动作迅捷，结构简单。通过将主动部件气缸经连接板及拉簧连接至第一连杆，其结构为柔性连接，可有效避免因调整不当或错误抓取时造成机械手爪损坏，适用性强。本文设计的手爪通过对现有装置的改进，具有结构简单、动作灵敏、能够防止手爪损坏、适应性强的优点。

3  PLC控制系统整体设计

3.1  S7-1200 PLC下水道清污机器人控制功能

PLC的型号选择西门子公司的S7-1200系列，CPU选择为1215C DC/DC/DC晶体管输出型，版本号6ES7 214-1HG40- OXBO。14个数字量输入和10个数字量输出，自带两路模拟量输入输出信号。原位：电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4、YV5以及电机M1、M2、M3、M4状态均为OFF;十字摇杆、所有按钮状态均为OFF。十字摇杆移动到SQ1，机器人左直流电机M1、右直流电机M2前进;十字摇杆移动到SQ2，左直流电机M1、右直流电机M2后退;十字摇杆移动到SQ3，机器人右直流电机M2前进、左直流电机电机M1停止;十字摇杆移动到SQ4，机器人左直流电机M1前进、右直流电机M2停止。按下SB3按钮，控制真空抽污电磁阀YV1工作，松开则停止工作。按下SB4按钮，控制高压水枪冲洗电磁阀YV2工作，松開则停止工作。按下按钮SB5，控制升降臂控制阀YV3的上升，按下按钮SB6，控制升降臂控制阀YV3的下降;按下按钮SB7控制伸缩臂控制阀YV4的伸出，按下按钮SB8控制伸缩臂控制阀YV4的缩回;按下SB9控制夹紧松开控制阀YV5的夹紧，按下SB10控制夹紧松开控制阀YV5的松开;PLC控制系统整体设计的功能框图如图3所示。

采用该控制系统可以遥控操作下水道清污机器人再管道中进行作业，无需工人进入下水道。机器人携带的摄像头将画面传送到控制器屏幕后，控制者根据实时画面确定垃圾或淤积物的位置，在触摸屏上操控机械臂对主要淤积物清除后，控制高压水枪抽污冲洗电磁阀打开，对管道壁进行冲洗或真空抽污，可以实现二次清理，保证了清污效果，使得地下管道清污变得安全、高效。彻底改变了以往人工对下水道清污不彻底、安全隐患大的问题。

3.2  机械手伺服电机PLC程序设计

当按下按钮SB5（图中对应地址I0.4），伺服方向信号（图中对应地址Q0.5）得电，收到左旋信号，当按下按钮SB6（图中对应地址I0.5），伺服方向信号（图中对应地址Q0.5）失电，收到右旋信号，程序如图4所示。

当按下按钮SB1（图中对应地址I0.4）或者SB2（图中对应地址I0.5），中间继电器（图中对应地址M2.0）得电，并使其常开触点闭合，执行脉冲输出（图中对应地址Q0.4），程序如图5所示。

3.3  机械手底座步进电机PLC程序设计

机器臂安装在步进电机驱动的底座上，步进电机由PLC控制位移，这样可以提高方向的精确度。步进电机的主要结构由PLC，步进电机模块，驱动器、电源以及其他相关电路设备组合而成，系统的电源供应主要由UPS接口电源控制[5，6]，该元件能够保证系统任何阶段的供电工作都是连续安全的。外部输入设备包括正转按钮I0.3和反转按钮I0.4，在下水道的水下作业时采用触摸屏远程遥控操作。步进电机每转的脉冲数6 400转/分钟，电机每转的负载位移是1.5 mm，所允许的旋转方向为双向。设置硬件上限位开关输入I0.0，硬件下限位开关输入I0.1;最大转速70°/s，最小转速0°/s;启动和停止时速度为0.703 125°/s。如图6所示，通过TIA Portal V15软件的PTO组态，PLC控制步进电机的脉冲输出为Q0.0，方向信号为Q0.1。

步进电机控制程序如图7所示，主要包括上使能数据块DB7，PLC接收自定义数据进行比较。当比较值等于1时，步进电机执行回原点命令;当PLC接收到的自定义整数型数据比较值等于2时，步进电机执行位移控制，即以10 mm/s的速度移动60 mm;当PLC接收到的自定义整数型数据比较值等于3时，步进电机执行点动正转;当PLC接收到的自定义整数型数据比较值等于4时，步进电机执行点动反转。回原点执行完毕时，PLC发送1出去，接收到机器人终端信号反馈后发送数字0对DBW162进行清零。

3.4  触摸屏软件设计

触摸屏通过无线网桥进行中继连接到PLC的接口，能监控机器人运动状态，远程控制机械手运动。如图8所示，在TPC7062TI人机界面上组态画面，要求用户窗口包括机器人的工作状态，如：障碍故障、网络故障、动力不足，机器人车载平台的运行指示和机械手的抓取指示，并能通过操作手柄实现对机器人车载平台的操作，实现小车的前进后退、方向控制，除污机械手控制如伸缩、抓取等。点击“返回运行界面”后，“运行模式”指示灯亮，如果系统网络正常，经过授权的客户组的权限检查后，可以点击“运行参数设置”按钮进入运行参数设置。

5  结  论

本文主要阐述了S7-1200 PLC机器人控制系统的设计、多功能末端机械手执行机构的设计，及MCGS触摸屏组态监控系统的设计，该设计综合了机械部分和运动控制部分的软、硬件设计，可以实现强力除污的目的，提高了机器人的工作效率，节约了人力物力，有较好的应用和推广价值。

参考文献：

[1] 丁祥青，马莉.采摘机器人机械手结构设计与分析 [J].机床与液压，2017，45（23）：40-42.

[2] 申少魁.PLC控制系统在机器人上的应用 [J].南方农机，2018，49（16）：3.

[3] 徐玉如，李彭超.水下机器人发展趋势 [J].自然杂志，2011，33（3）：125-132+2.

[4] 赵德安，沈甜，陈玉，等.苹果采摘机器人快速跟踪识别重叠果实 [J].农业工程学报，2015，31（2）：22-28.

[5] WALTERS P，KAMALAPURKAR R，VOIGHT F，et al. Online Approximate Optimal Station Keeping of a Marine Craft in the Presence of an Irrotational Current [J]. IEEE Transactions on Robotics，2018，34（2）：486-496.

[6] KNUDSEN K B，NIELSEN M C，SCHJOLBERG I. Deep Learning for Station Keeping of AUVs [C]// OCEANS 2019 MTS/IEEE SEATTLE. IEEE，2019.

作者简介：彭小平（1978—），男，汉族，湖南衡阳人，副教授，本科，研究方向：电气自动化;凌双明（1983—），女，汉族，湖南长沙人，副教授，本科，研究方向：工业机器人技术。