王升升

（吉林工業(yè)職業(yè)技術學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

近年來，國家新一輪供給側結構性改革的戰(zhàn)略提出，其主要目的是以創(chuàng)新驅動發(fā)展，在此背景下，2017年2月，教育部提出“新工科”的概念，此舉是為了提高高等教育中工科的創(chuàng)新能力。新工科專業(yè)的內核是以新興的產業(yè)為核心，將智能制造、人工智能等用于傳統(tǒng)的工科專業(yè)改革。同時，對于高職的工科專業(yè)來說，需要專業(yè)教育與雙創(chuàng)教育融合培養(yǎng)，這樣才能培養(yǎng)出實踐能力更強、創(chuàng)新能力更強、具有國際競爭力的高端技能人才。

在此背景下，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力迫在眉睫，以學生導師現(xiàn)有的研究方向為指引，提高學生自主創(chuàng)新的工程能力，在理論上設計一款基于集散控制系統(tǒng)（DCS）的采摘機器人，通過此項目的設計培養(yǎng)學生的專業(yè)創(chuàng)新工程能力。

1 設計思路

集散控制系統(tǒng)（DCS）在現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)中有著重要的地位，對于多控制對象有著良好的控制精度和效果。此次控制的對象為果蔬采摘機器人，解決采摘機器人只能單體控制不能進行多個采摘機器人綜合控制的問題。多個采摘機器人在同時運作過程中易出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，導致多個采摘機器人協(xié)同作業(yè)效率低、對目標識別不精確等。針對此種現(xiàn)象，采用集散控制系統(tǒng)（DCS）作為多個采摘機器人的控制核心，同時在外部加入PLC技術、傳感器技術，對多個采摘機器人進行控制和運動參數(shù)監(jiān)測，并保證控制系統(tǒng)與外部設備數(shù)據(jù)的傳輸，最終達到多個采摘機器人按控制要求同時動作的目的[1]。

2 DCS控制系統(tǒng)結構

集散控制系統(tǒng)（DCS）由現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行器、傳感器、現(xiàn)場控制站、控制系統(tǒng)網絡、現(xiàn)場操作員站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站等組成，如圖1所示[1]。

圖1 DCS控制系統(tǒng)組成

其中，現(xiàn)場儀表、傳感器等是組成控制系統(tǒng)的末端，是控制系統(tǒng)的“四肢”；現(xiàn)場控制站是集散控制系統(tǒng)（DCS）的核心，是控制系統(tǒng)的“大腦”[2]；控制系統(tǒng)網絡（MentSent）是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，是控制系統(tǒng)的“神經”；服務器和功能站主要功能是存儲、監(jiān)視等。正常情況下一個完整的集散控制系統(tǒng)（DCS）包括現(xiàn)場控制站、現(xiàn)場儀表、傳感器、操作員站、工程師站及控制網絡等[3]。

3 控制系統(tǒng)設計

本次多臺采摘機器人控制系統(tǒng)是基于集散控制系統(tǒng)（DCS）建成的，在DCS典型控制結構上進行升級與優(yōu)化，在控制體系中加入了西門子PLC S7-1500控制器、控制通信模塊RS-485、現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)場執(zhí)行器、多臺采摘機器人，具體組成如圖2所示[1]?？刂葡到y(tǒng)設備的具體功能如下：主控制站是系統(tǒng)的“大腦”，主要功能是對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理與計算，同時實時顯示運動參數(shù)，后利用控制通信模塊RS-485將接收的PLC數(shù)據(jù)通過計算和優(yōu)化后再傳回到PLC控制器中，通過PLC將控制數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場的執(zhí)行器中。控制系統(tǒng)網絡組成為控制通信模塊RS-485[4]，通信方式為半雙工式串口，主要功能為實現(xiàn)現(xiàn)場主控制站、現(xiàn)場執(zhí)行器、采摘機器人、PLC之間的數(shù)據(jù)通信?？刂葡到y(tǒng)的控制邏輯為現(xiàn)場中控站與PLC通信，并通過PLC對采摘機器人發(fā)出控制指令，PLC可以在線編輯并在線實時通信，對采摘機器人的運動參數(shù)進行監(jiān)測，同時實時優(yōu)化參數(shù)并把數(shù)據(jù)傳回采摘機器人執(zhí)行端，完成相應動作。

圖2 控制系統(tǒng)設計方案

如圖2所示的控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備包含各類傳感器、控制模塊。其中，位置傳感器用于感知采摘機器人的空間位置，壓力傳感器用于感知采摘機器人機械手的夾持力，視覺傳感器用于識別周圍環(huán)境，碰撞傳感器用于感知機械手碰撞壓力，通過多種傳感器保證采摘機器人的動作精度和采摘效果[5]。

4 控制系統(tǒng)硬件設計

4.1 現(xiàn)場主控制站設計

現(xiàn)場主控制站是控制系統(tǒng)的核心部件，需要對多臺采摘機器人進行控制，對PLC控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析與處理，其控制核心處理器要求數(shù)據(jù)處理速度快、功能可靠、功耗低等。本文現(xiàn)場控制站選擇的處理器芯片型號為LPC2106，其功能為32位程序下可以保持操作頻率范圍最大為25 MHz，其外接I/O口多達32個，F(xiàn)lash程序存儲器為128 kB[6]。

在實際應用過程中容易出現(xiàn)現(xiàn)場控制主站電壓過低的現(xiàn)象，從而導致控制芯片LPC2106執(zhí)行程序錯誤，在這種情況下需要對主機控制器進行復位。因此需要外加以IMP812監(jiān)控器為核心的硬件復位電路，具體電路圖如圖3所示[1]。

圖3 復位電路圖

4.2 通信模塊RS-485設計

通信模塊RS-485是控制系統(tǒng)中的“神經”節(jié)點，其功能是現(xiàn)場的傳感器、PLC控制器數(shù)據(jù)都要向現(xiàn)場主控制站傳輸數(shù)據(jù)并進行通信，其過程為將現(xiàn)場的模擬信號轉換成通信模塊RS-485總線上的數(shù)字信號，再控制芯片LPC2106進行識別。通信模塊RS-485采用無源轉換器，對總線上模擬、數(shù)字信號進行隔離處理，提高數(shù)據(jù)的處理效率和準確性[7]。通信模塊RS-485轉換器的工作原理為通過光電耦合技術對輸入輸出信號進行物理隔離，屏蔽外界干擾信號，提高通信模塊RS-485電路抗干擾能力[8]。

4.3 PLC控制器輸入輸出端口（I/O）分配

多臺采摘機器人的控制系統(tǒng)是在集散控制系統(tǒng)（DCS）上搭建而成的，通過PLC對多臺采摘機器人進行運動控制和實時監(jiān)控。PLC控制器對應不同的信號模塊可以檢測不同類型輸入輸出信號，可以同時對多路信號進行采集[9]。本文中PLC控制器選擇西門子S7-1500，具有6通道400 kHz高速計數(shù)，最大輸入輸出為32DI/32DO。多臺采摘機器人的控制標準相同，運動參數(shù)與控制方式相同，西門子S7-1500輸入輸出信號進行輸入輸出端口（I/O）分配，輸入端分別對應起始開關、四個方向限位開關、四個方向動作鍵、機械手動作按鈕；輸出端對應四方向電磁閥移動、電磁閥動作按鈕等，通過西門子S7-1500可以使運動參數(shù)數(shù)據(jù)得到分析與處理。采摘機器人的運動參數(shù)主要集中在機械手的空間極限位置、機械手動作、現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。

5 控制系統(tǒng)程序設計

多臺機器人的控制系統(tǒng)的軟件程序由兩部分組成，分別是現(xiàn)場控制站的控制程序和現(xiàn)場設備的控制程序?，F(xiàn)場控制站的控制程序是控制系統(tǒng)的主程序，主要用于下級傳輸信號的分析與處理，如對采摘對象的圖像處理、現(xiàn)場設備信息處理和機械臂動作運動軌跡分析等；現(xiàn)場設備的控制程序主要作用是對現(xiàn)場設備進行參數(shù)控制，具體控制某臺設備?，F(xiàn)場控制站的控制程序和現(xiàn)場設備的控制程序主要使用通信模塊RS-485，從而保證兩部分的數(shù)據(jù)在傳輸過程中互不干擾[10]。

控制系統(tǒng)的工作程序如下：主控制程序啟動后開始初始化，完成后激活各個傳感器，其中視覺傳感器開始工作采集目標圖像數(shù)據(jù)，分析目標是否在圖像中心；若采摘目標在圖像中心，則通過通信模塊RS-485向現(xiàn)場設備控制器發(fā)送控制指令[11]；現(xiàn)場執(zhí)行機構啟動機械臂、旋轉關節(jié)、電動推桿等，使機械手向采摘目標運動；同時，在執(zhí)行機構上的各個傳感器不斷采集機器人的運動參數(shù)，通過通信模塊RS-485回傳至主控制站進行反饋，不斷修正機器人的運動軌跡；采摘機器人機械手到達目標附近后，采摘機械手的位置傳感器、避障傳感器啟動，通過前期的程序規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析完成路徑動作，并控制機械手對目標進行切刀，完成對目標的采摘[12-13]。

6 結論

通過本文的設計可以實現(xiàn)多臺采摘機器人的精確控制，也可解決多臺采摘機器人在同時動作時相互干擾、作業(yè)效率低的問題。課題組深入研究了多臺采摘機器人以集散控制系統(tǒng)（DCS）作為控制核心的工作原理與控制結構，實現(xiàn)了一臺現(xiàn)場控制站對多臺采摘機器人的整體控制，對多臺采摘機器人的傳感器、圖像處理、執(zhí)行機構參數(shù)的分析與處理[14]。

這種基于實踐項目的工程設計的專業(yè)教育，對于高職工科專業(yè)來說能夠較好地融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中。通過工程項目化方法與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有機融合，既能培養(yǎng)學生的工程實踐能力，又能解決學生創(chuàng)新意識不足的問題，同時在實踐中與教師的科研項目相結合，不僅能在很大程度上提升學生的理論知識水平，而且能培養(yǎng)學生在專業(yè)方面的前瞻性，對于目前的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育具有較大的借鑒作用。