西门子S7-200PLC清淤装置自动控制设计

摘要目前厂矿企业排污沟渠主要靠人力进行清淤，这种方法不但清淤效率低，成本高，而且对人的身体健康造成很大的危害，在某些情况下无法进行人力清淤，为此设计了一种机械自动化清淤装置，本次设计主要完成清淤机器人的控制部分，采用西门子公司的 S7-200 系列 PLC 作为微控制器和无限串口模块实现对清淤机器人的无线控制，同时采用红外传感器实现避障，对清淤机器人自身携带的蓄电池进行电量的检测，采用步进电机作为机器人提供力矩，本设计采用上下位机的控制，上位机用于发送控制指令并显示清淤机器人的运行状态，机械载体接受上位机的指令进行相应动作，并向上位机发送清淤作业过程中的状态。关键词：机器人；PLC ；无线控制；机械载体AbstractCurrently industrial enterprises mainly rely on human sewage drains for dredging, the dredging efficiency of this method is not only low cost, but also on human health caused great harm, in some cases, dredging can not be human. To this end, a mechanical design automation of dredging equipment, dredging of this design was completed for the robot control part, using the companys S7-200 series SIEMENS microcontroller and a wireless serial port module for wireless control of robots on the dredging carried out its own battery power to bring the test Provided by a stepping motor torque as the robot. This design uses upper and lower computer control PC is used to send control commands and displays the status of the dredging operation robot, mechanical carriers and silt car PC s instructions to accept the corresponding action to the host computer to send the process of dredging operations state.Keywords：PLC; wireless control; the next-bit machine目录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 清淤机的选题背景 .11.2 机器人概述 .22 清淤装置自动控制综述 .42.1 当前国内的清淤方法 .42.2 国内外的研究 .62.3 清淤机械的应用价值 .62.4 清淤机械改革和创新 .73 西门子 S7-200 系列 PLC 简述 .83.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .83.2 PLC 的基本工作原理 .84 遥控器的结构 .114.1 TWH9236/9238 模块 .114.2 TWH9236/9238 模块应用电路举例 .135 清淤装置载体部分软件设计 .155.1 请与机器人工作过程概述 .155.2 系统 I/O 点的分配 .165.3 控制要求的软件设计的主要内容 .175.4 清淤装置的工作过程 .175.5 系统的程序流程图 .186 控制程序设计 .196.1 PLC 的程序设计方法 .196.2 梯形图编程的一般规则 .216.3 梯形图的编程注意的问题 .226.4 系统的 PLC 程序设计及主程序说明 .23结 论 .37参考文献 .38致 谢 .401 绪论1.1 清淤机的选题背景我们生活的周围，各种水体环境由于淤泥治理难度大，多少年来都没有对这些水域开展清淤工作，在水底堆积了不少的淤泥，严重影响了水体质量使得水质变黑发臭。如何合理的清淤一直是个问题。中小型河道的清淤工作尤其难以实现它一般是指县级及其以下的河道，包括乡级、村级和各类中小型排灌沟渠。这些河道的主要渠道，有的还承担者生产与生活用水的供应。据调查，目前我国许多省市的中小型河道淤积现象已十分严重，给工农业生产及居民生活带来很大影响。长期以来，河道的疏浚清淤大多依靠人力，随着我国商品经济的发展和农村劳动力的转移，特别在乡镇企业较为发达的地区，再想依靠人力清淤已十分困难，迫切要求实现清淤工作机械化、自动化。过去，对于大型河道的清淤，通过从国外引进或自行生产的大型挖泥船舶，就生产能力上讲，已基本能满足要求，但对中小型河道的疏浚清淤机械的开发起步较晚，加之各类河道情况各异，施工条件比较复杂，需要针对不同类别河道的具体情况，分别配备与之相适应的清淤机，才能更好的满足施工要求。中小型清淤机械的主要类型根据工作方式不用大体分为以下几类：（1）陆用长臂湿地型挖掘机（2）两栖式清淤机（3）自航式清淤机（4）中小型绞吸式挖泥船（5）水力开挖机组（6）超小型清淤施肥多用机还有一些正在研制的中小类型。清淤机的控制部分也是多种多样，有 PC 机、单片机、可编程控制器（PLC）、微型计算机等。研制本机的构想是一种轻型渠道清淤机在渠道底部自动行走，自动挖掘，自动运摔，下上位机的控制选择了可编程控制器。1.2 机器人概述工业机器人的兴起和发展是制造业为提高产品质量、缩短产品制造周期和提高劳动生产率推动的。回顾 20 世纪 50 年代以来制造业的发展历程，工业机器人的发展源于制造业自动化发展需求，成为制造自动化生产线的关键设备。工业机器人的发展推动了制造业的思想进步，同时工业机器人技术及系统也获得了飞速发展，因此特种机器人的发展也要以需求为原则，充分研究我国非制造业自动化的实际需要，确定特种机器人的研究领域发展的关键技术，发展具有我国特色的特种机器人技术。特种机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的前沿发展，他在人类生活应用领域的不断扩大，正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。正因为如此，研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视，许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术发展计划或国家的关键技术进行研究和开发，如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”计划，欧共体的“尤里卡”计划和“信息技术研究发展战略计划”，新加坡、韩国、巴西等发展中国家都有相应的计划内容。目前，国际上在如下领域展开特种机器人技术研究。1）水下机器人 包括有揽水下机器人与无揽水下机器人，其中无人无缆水下机器人将是主要的发展方向，并向远程化深海和作业型发展。2）空间机器人 包括舱内作业与舱外作业机器人、星际探索机器人。空间飞行器检测和维修遥控自由飞行空间机器人等。随着空间探索、开发与利用的不断深入，还会不断出现新型的空间机器人。3）工程及建筑机器人 主要应用于矿山采掘业，其中也包括各种底下输油、输气、输水管道检测维修用的爬管机器人、隧道掘进机器人、高层建筑用顶升机器人系统，顶制件安装机器人、室内装修机器人、地面磨光机器人、擦玻璃机器人等。4）医用机器人 医疗机器人是越来越受到关注的机器人应用前沿方向之一，包括外壳手术机器人、生物体内治疗微机器人系统，眼科及神经显微外科手术机器人，胸脏器官、泌尿系统及脑外科手术机器人等。目前机器人辅助外科手术及虚拟医疗手术仿真系统为研究重点。5）微机器人 近年来世界各国发达国家在机电系统的研究开发方面取得了令人瞩目的成果。6）农业机器人 包裹耕作机器人、农药喷洒机器人、收获及管理机器人、搬运机器人、剪羊毛机器人、挤牛奶机器人、草坪修剪机器人等。7）军用机器人 主要用于侦察、作战、保安、排雷等方面。8）服务机器人 主要用于家庭生活类服务及公共场所类服务，如老年人护理、残疾人护理、导盲、导购、导游等方面的机器人。9）核工业机器人 主要用于核工业设备的检测与维修。10）娱乐机器人 娱乐、玩具机器人在本世纪会形成巨大的产业。现在国外已经开发出采矿机器人、坑道水泥喷涂机器人、高层建筑清扫机器人、爬壁检测及喷漆机器人、管内爬行机器人、管外爬行机器人、生物医学用微型机器人、农业及林业用机器人、核工业机器人、深海机器人、空间机器人、军用机器人等等。生产特种机器人的公司的数量迅速增加，特种机器人产业已在国外形成，并对社会与生产力的发展发挥了重大的推动作用。我国在“863”计划支持下，在水下机器人、服务机器人、微型机器人、爬壁机器人、管道机器人、军用机器人、仿人机器人和智能化智能机械等方面开展研究，培养了队伍，取得了一批研究成果，在某些技术方面达到了国际先进水平。但从总体上与国际发达国家相比还有较大差距，没有形成规模产业，自主知识产权的成果相对较小，对特种机器人基本科学问题和技术研究不足，跟踪研究多，自主创新少。2 清淤装置自动控制综述高度的机械化和自动化是机械化大生产的标志，对生产设备和生产工艺进行人性化设计则是进步的展现，也是实际需要。高新技术高度集成的机械设备，收到世界各国越来越多的重视。具有一定智能型的机械设备也纷纷出现，并且涉及到各个行业。随着现代技术的迅速发展，智能机械设备的品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械设备中的一道亮丽的风景，这是半个世纪来综合运用计算机、自动控制、精密测量等先进技术的理想成果。在科技日新月异，社会飞速发展的今天，机械产品的性能不断提高，结构不断改进，强化零件的加工质量，提高生产效率并降低成本，要求机械不仅有较好的通用性和灵活性，而且要求工作过程高度自动化。与此同时，行业内不断地丰富产品的种类，不断地细化产品的功用，设计了一系列专用化的机械设备。随着工业化大生产的推进，厂矿企业的生产规模不断扩大，排污沟渠的清淤问题也受到越来越多的重视。而市场上的通用清淤设备如挖泥机，灌渠清淤机等无法适用于厂矿企业的清淤环境。目前厂矿企业排污清淤只要靠人力进行清淤，这种方法不但清淤效率低，成本高，而且对人的身体健康造成很大的危害，在某些情况下无法进行人力清淤。为此设计了一种机械自动化清淤装置，本次设计主要完成清淤机器人控制部分，包括上位机，下位机，载体的自动运行，遇障情况以及与小车的对接等等。2.1 当前国内的清淤方法根据我国目前的排水管道清淤的现状，常用的清淤方法有人工清淤，和水利清淤法（高压水射流清淤法和水冲刷清淤法）和机械清淤法等方式。1）人工清淤法工作人员在配备安全保护措施的情况下借助简单的工具，进入沟渠内部进行清淤工作，并通过手推车将淤泥送到井口，达到一定量后由井口挖掘机挖出。但这些设备需要人工进入管道进行实地操作，并且只适用于人可进入的沟渠，劳动强度大，清淤速度慢，对工作人员的人身安全无法很好的保障。2）水利清淤法水利清淤法包括高压水射流清淤法和水冲刷清淤法。高压水射流清淤法是用一台高压喷射车，装备有大型水罐，激动卷管器，高压水泵，射射水喷头等。操作时由车上的引擎驱动高压泵，将水加压后送入射水喷头，通过高压水清洗管道壁，将渠道内的沉淀物冲入检查井中，然后由吸泥车将其吸走。这种方法是用于各种直径的水下管道，但是由于需要干净水，所以成本较高。为降低成本，现在的清淤车多备有污水净化装置，以利用下水道中的污水。水冲刷清淤法是制作一种能挡水的清淤装置，由检查井放入管道内，利用该装置把管道中的污水阻挡在其上游。当水位达到一定高度后便放水，使上游水形成水流来清除管道内的沉积物。一旦足够多的沉积物被冲走，这个装置就向下游移动一段距离，这种方法需要在管道内进行大量的工作。由于下水管道中的污水通常能析出硫化氢等有害气体或爆炸气体，因此养护人员井下工作检查时要采取相应的安全措施。3）机械清淤法由于管道内的工业废水和工业废渣，其腐蚀性水质还会腐蚀水泥管道和金属管道，严重时会引起管道破裂，管道破裂处或接口损坏处常有地下水夹杂的泥沙渗入，造成接口错位，管道堵塞等严重情况，再加上管道内空间狭小等特殊情况。上述情况，严重制约了管道清淤机械的尺寸、体积，也给清淤机械的行走方式，作业姿态、操作工具、载体动力、检测动力、检测手段、控制方式等关键技术的研制增加很大难度。因为动力的限制，清淤机械应设计成以自动检测为主，兼做人力不可及和危险性，危害性较大的环境下的自动清淤工作。清淤机械的机构宜采用组合型体，分成机械载体，检测控制装置和清淤装置三大部分。机械载体和作业装置之间的连接可采用搭勾脱扣机构能方便的连接和解脱。机械载体装有机械用的动力源，除担负机械部分行走任务外，还向检测装置提供电源和清淤装置提供动力。由于载体受井口和管道的限制，其长度和体积都不能做大，故动力电机必须从特殊设计制造，采用步进电机或直流低压大电流结构电机，以提供传动力矩。机械载体的行走方式以发行为宜，其正下方的驱动轮设计成链轮式，以增加在水泥中的爬行力度。电动机机壳必须严格防爆密封，以防电火花引起易燃易爆气体燃烧爆炸。清淤机械进行作业时，载体携带检测装置进入管道，检测装置上可同时安装有害气体浓度，及堵塞状态传感器。检测出来的管道的内部状况传送到计算机，进行分析后在显示装置上显示清淤机和管道内部的情况，并根据管道内的情况控制清淤机进行相应的动作。总体控制是该清淤机械的关键技术。总体控制包含机械载体的运行速度控制，清淤作业方式控制，传感器运动规律控制，事故处理控制等。事故处理控制及清淤机行走时的拖拽电缆，还包括各种检测信号的变传、采集、接受、程序运算处理、记录等项信息处理内容。完成这些内容的研制，有赖于高新传感器检测技术及计算机控制技术。为清淤机械之上下井道服务的起吊装置，提供电源的发电机组，电源变流装置，同步收放的电缆，滚筒装置等属于辅助设施。这些设施连同清淤机械。微机控制装置都放在工程车上，以便移动作业。2.2 国内外的研究在我国，目前工业用机器人研究较多，水下作业机器人也已起步，并正走向商品化迈进。例如 1、城市下水道清淤机械手，该机械手系统被固定在运载车上，可在市区任意地点工作。国外用于管道内外检修作业的机器人。例如 1978 年法国研制的轮腿式、爬行机器人。1985 年日本研制的棱形框架结构管内运载器等等。清淤机器人的控制器多采用可编程控制器（PLC）作为核心控制器，使其实现自动化控制。2.3 清淤机械的应用价值随着工业化大生产的迅速推进，现代社会方方面面都飞速发展，人们对高质量社会生活的需求日益增长。迅速、快捷、可持续利用的清淤理念已成为人们的共识，而且目前普遍采用人工清淤因此效率低，并在很大程度上受时间，空间的限制，同时无法对淤泥里的有用物质进行回收利用。与此同时，环保也受到公众及各级政府的高度重视，而污水排放是确保环保卫生的极其重要的一环。伴随着工业化大生产的发展，工厂的规模的扩大好生产模式的进一步集约式，使得沟渠的布局越来越复杂，同时建设“一人为本”的高效节约型社会已是当今的大势所迫。所以，沟渠清淤工作已成为工厂后勤部门一项繁重的经常性工作，但同时又是不可忽视的重要工作，而且需要进一步的改善排放环境，并对淤泥进行必要的回收再利用。这是因为，下水管道往往有大量杂物和来自工地的材料等淤泥，淤积过多将影响通水能力，甚至造成堵塞。一旦发生堵塞，将造成污水横流，从而污染环境；如果不选择合适的时间清淤，因为积水的环境，会导致微生物、蚊虫滋生，因此而滋生传染病，给人民生活带来极大地不便，甚至导致毁灭性的瘟疫产生；而且工厂排污还可能含有有害物质，如果不及时清淤，使其浓度达到一定程度，便可能危及活动在沟渠周围的人们的安全，所以我们必须引起重视。本课题的研究和设计旨在解大型耗水工厂的沟渠清淤问题。因为排水沟渠中的杂物的组成及其复杂，在微生物的参与下可能分解并释放出硫化氢，甲烷，二氧化碳等有害或者易燃气体，这会给从事人工清淤的工人带来极大地人身伤害；而且某些生产污水中会残留一些有机物，因此会挥发出甲醛，酚，苯等有害气体。另外，当有机物气体达到一定浓度后，遇明火极易引发爆炸事故，这将给工人的人身安全带来极大的威胁。所以我们急需寻求一种替代人工作业的方案和作业机械。大型工厂的排污沟渠系统主要用来收集生产污水及雨水。排污沟渠内还有其他管道通过，主干道和支道均可进入人。排污沟渠的分布情况如下：我们所考虑的知识厂区内部下水道对接市政管网的部分。通常厂内排污沟渠截面为矩形，只有极少数位圆形截面。所以我们考虑大多数的情况，即排污沟渠截面为矩形且尺寸分布为深 1500mm到 3000mm，厂区部分不同，宽为 1000mm 到 1600mm，每间隔 10m 到 30m 有一处井口存在，且不考虑排污沟渠的拐弯和其它管道的横穿等情况，对于有拐弯和管道横穿时，可从它们的两边分别进行清淤，便可解决问题。据厂方给的测定数字：排污沟渠的主干流量大约为 1700 立方米每小时，支道流量小，不会对清淤小车造成很大的冲击，但仍需考虑对小车采用防滑措施，另外除淤泥淤积很厚或淤积时间很长之外，一般情况下比较软，甚至是成糊状的物质。2.4 清淤机械改革和创新本课题的改进在于通过 PLC 实现一对多的无线控制，自带蓄电池供电，省去了通过电缆供电和通讯控制电缆的繁琐。而且实现对电量的检测，对横贯沟渠内的管道躲避和对遇障距离的测量。上位机采用遥控和显示结合的一体方式，有发送指令的和显示清淤机器人运行状态显示的功能。淤泥小车和机器载体采用电磁铁连接，在淤泥小车中的淤泥达到一定量后，淤泥小车和机器载体自动分离，机器载体停止运动淤泥小车自动后退。等到淤泥小车中的淤泥被清理干净，淤泥小车开始运行，当淤泥小车和机器载体连接上，整个清淤机器人再次正常工作。3 西门子 S7-200 系列 PLC 简述3.1 PLC 控制系统设计的基本原则1）最大限度的满足被空对象的控制要求。2）保证控制系统的安全可靠。3）满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单经济适用和维修方便。4）选择 PLC 是考虑生产和工艺改进所需要的余量。本系统选用的是西门子 S7-200 系列 PLC，它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适用世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块。可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。S7-200 系列 PLC 一经推出就受到了广大技术人员的关注和青睐。S7-200 推出的 CPU22*系列PLC（它是 CPU21*的替代产品）系统具有多种可供选择的特殊功能模块和人机界面，所以其系统容易集成，并且可以非常方便地组成 PLC 网络，它同时拥有功能齐全的编程和工业控制组态软件，因此在设计控制系统时更加方便、简单、可以完成大部分的功能控制任务。3.2 PLC 的基本工作原理任何一种继电器控制系统都有三个部分组成的，即输入部分，逻辑部分，输入部分，其中输入部分是指各类按钮、开关等；逻辑部分是指由各种继电器及其触电组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分是指各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制线路，这些逻辑控制线路是根据控制对象的需要以某种固定的线路连接好的，所以不能灵活变更。CPU226AC/DC 继电器端子接线图如下：（1） CPU226AC/DC 继电器端子接线图和继电器控制系统相似，PLC 也是有输入部分、逻辑控制部分、和输出部分组成：（2）PLC 的组成简图如图所示：各部分的主要作用是：输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据的信息（被控对象上的各种开关量或操作命令等）。逻辑部分：处理输入部分取得的信息，并按照被控对象的实际动作要求正确的反应。输出部分：提供正在被控制的装置中，哪几个设备需要实施操作处理。用户成熟通过编程器或其他输入设备输入并存放在 PLC 的用户存储器中。当PLC 开始运行时， CPU 根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及 CPU 自检等功能。PLC 扫描既可按固定的程序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。PLC曹颙集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界的干扰。输入 逻辑控制输出由以上分析，可以把 PLC 的工作过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。1）输入采样阶段PLC 在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。2）程序执行阶段根据 PLC 的程序扫描原则，PLC 先左后右、先上后下的步序语句逐句扫描。当指令涉及到输入、输出状态时，PLC 从输入映像寄存器中“读入”对应输入映像寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中，对元件映像寄存器来说，每一个元件会随着程序执行过程而变化。3）输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。采用集中采样，集中输出工作方式的特点是：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，伺候在整个程序处理过程中 PLC 系统与外界隔绝，知道输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高了系统的抗干扰能力和工作的可靠性。PLC 在输入输出的处理方面必须遵守以下原则：（1）输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。（2）程序如何执行取决于用户所编程序和输入输出映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中数据决定。输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定。4 遥控器的结构4.1 TWH9236/9238 模块TWH9236/TWH9238 模块是一套内置密码的无线电遥控发射/ 接收模块, 它可以直接遥控 14 位执行机构,如果接收模块增加一片二进制电路 ,即可遥控多达 16 位的执行装置,有效遥控距离大于 50m。图 4 、5 分别为为 TWH9236 和 TWH9238 的内部原理框图： TWH9236超 高 频 发 射操 作 键 编 码（3）TWH9236 内部原理框图 IO保 护 DCBATWH928电 路解 码锁 存放 大 整 形接 收（4）TWH9238 内部原理框图发射装置是一个具有塑料外壳的匙扣式手机, 如图 6 所示。由 A 、B 、C、D 四位操作键、编码器、超高频发射电路以及内藏的微型天线组成, 使用 12V 电池, 密码编制高达 32 万组,在产品出厂时已配对编好码,故宜成套使用。（5）TWH9236 外形引脚图（6）TWH9238 外形引脚图TWH9236 发射器的主要电参数：电源电压：DC12V(A23 一节)；工作电流：小于 6mA载频：265MHz；标称工作距离：大于 50m；编码方式：固定；体积：74 37 15 (mm) 。用环氧树脂浇灌密封的 7 脚接收模块 TWH9238 的外形如图 7 所示。“+”脚接电源正极(DC6V) ；“-”脚接电源负极；A、B、C 、D 为四位数据输出端, 与发射机的 A、B 、C 、D 四键对应；IO 脚为解码有效输出端。内部由接收、放大、振荡、解调、整形、解码等单元电路组成，免调试。TWH9238 接收模块的主要参数：电源电压：DC6V；静态电流：1.5mA；解调频率：265MHz；模块体积：47 32 16 (mm) 。4.2 TWH9236/9238 模块应用电路举例（1）四路遥控开关该装置的原理电路如图 5 所示。它主要由 TWH9238 及四只三极管、四只继电器构成。合上电源开关 S ,初次通电时,TWH9238 模块处于开机清零状态, 此时 A 、B 、 C、D 端均为低电平。按动发射器上的某一按键 ,TWH9238 的相应输出端就变为高电平。例如按动发射器上的 A 键,则接收模块的 A 端变为高电平,其余输出端仍为低电平,此时只有三极管 V T5 导通,继电器 K4 吸合。将发射机上的四位按键全部按下,V T2V T5 全部导通, K1K4 全部吸合且保持。 IO 端为解码有效输出端,按动发射器上的任一按键,TWH9238 模块内部经连续四次比较后, 若脉冲控制信号的密码与解码电路的密码相符, IO 端就输出一个高电平脉冲, 此时 V T1 导通, 发光二极管 L ED 闪亮一下, 以示信号有效,相应执行装置已动作。利用 K1K4 这四只继电器, 可以单独控制 A 、B 、C、D 中的任一路负载, 亦可同时控制 24 路负载, 可广泛应用于灯具, 多路遥控插座、防盗报警装置及科教仪器设备。（7）TWH9238 构成的 4 路遥控开关TWH9238 不但不但可构成 3、4 路遥控发射/接收电路，而且可扩展成 9 路 16路遥控控制电路。如果在 TWH9238 的后级再加一块十进制计数器 CD4028，则电路可实现 9 路控制功能。若将十进制的计数器 CD4028 换成二进制电路 CD4514，则电路可输出 16 路控制功能。（2）16 路遥控开关该装置的原理电路如图 7 所示。它是在图 5 所示的电路中插入一块 4 位锁存/ 4 线16 线译码集成电路 CD4514 构成的。它可以产生 015 个状态的时序脉冲, 为了使输出端呈双稳态模式, 在 CD4514 的每个输出端上, 接有一个由 D 触发器CD4013/ 2 构成的双稳态触发器, D 触发器的 CP 端每接收到一个高电平信号, 输出端 Q 电平就翻转一次, 从而控制电子开关 V T1V T16 的导通与截止, 使继电器K1K16 吸合与释放 , 达到控制负载的目的。由发射器发出的遥控信号经TWH9238 接收,解码后再经 CD4514 二次分配解码,将数据分配在 16 位输出端上,从而触发相应的 D 触发器, 使 D 触发器输出高电平。D 触发器的 R 端均接到由 R17 和 C2 构成的支路上, 以确保开机时各 D 触发器处于复位状态 ,均输出低电平。利用TWH9236 发射器遥控 16 位开关时,A 、B 、C、D 四键分别代表 1 、2 、4 、8 数码,当需要控制第四位继电器 K4 吸合时, 可以同时按下 A 、B (1 + 2) 键。松开 A 、B 键后 ,再次按动 A 、 B 键,K4 又处于释放状态。当按下 B 、D (2 + 8) 键时,继电器 K11 便吸合。当 A 、B 、C 、D (1 + 2 + 4 + 8) 键全部同时按动时,第 16 位继电器 K16 吸合。（8）TWH9238 构成的 16 路遥控开关5 清淤装置载体部分软件设计5.1 请与机器人工作过程概述检测控制装置系统能够实时监控机器人的工作状态，如确定机器人是否正常行走还是处于遇障状态，清淤机器人是在沟渠内部工作还是来到开始位置井口或者是下一井口，小车载重量是否过载，小车是否已经与载体对接。根据所掌握的情况制定的沟渠清淤过程如下：工作人员在地面的提吊装置的帮助下将清淤机器人放到井内，到达指定区域。对载体：按下载体遥控器载体启动按钮，载体遥控器与 PLC1（CPU226）通信，PLC1 接收到载体启动信号后立即通过通信模块向 PLC2 发送载体启动信号，履带电机（M1 ）启动，并且对其相应的 PWM 控制设定前进时的脉宽值。挖斗电机（M2）和传送电机（ M3）同时启动，载体向前运行并且进行正常的清淤工作。当小车上的 PLC2 接受到载体启动信号后，控制电磁铁吸合。这样载体拉动小车向前清淤，挖斗挖起来的淤泥通过传送带往复不断地倒入小车车斗里面。前进过程中，清淤机器人同时进行两方面的判断：1）PLC2 判断小车载重量是否过载。如果达到标准，PLC1 接到小车载重量达到标准信号后，控制三个电机停。PLC2 控制电磁铁失电，并且发送一个信号给PLC1，小车电机（ M4）反转，小车以一定的速度返回（自动）。到达开始位置井口小车停下，将淤泥卸掉之后按下小车遥控器控制小车返回，小车以更快的速度向载体靠近。当接近到一定程度时，接近开关想 PLC2 发送对接信号，PLC2 控制小车停，电磁铁得电，小车与载体对接，此时接收到对接信号后，控制三个电机重新启动，清淤工作继续。2）PLC1 和 PLC2 共同控制遇障问题。如果在一段时间内（如 10s），10s 前履带轮对应的脉冲个数大于 10s 前得脉冲个数并且小车车轮对应的脉冲个数前后相等，即履带带轮在转动儿小车车轮不转，则说明机器人遇到障碍。PLC2 向上位机发送遇障信号，上位机对应指示灯亮，工作人员发现后按下控制面板的手动复位按钮，信号灯复位。如果遇到障碍，PLC2 发送遇障信号到 PLC1，后者控制三个电机停。按下小车遥控器小车启动按钮，小车向开始位置井口驶去。在按下载体遥控器载体手动返回按钮，载体随后向开始位置井口驶去。到达开始位置井口时小车与载体停止。工作人员先后将小车，载体通过起吊装置吊向地面。如果没有遇到障碍，清淤机器人顺利工作。到达下一井口时，载体三电机停，工作人员通过起吊装置将机器人吊向地面。5.2 系统 I/O 点的分配PLCI/O 分配（载体）序号 地址 信号名称1 I0.0 行走电机光码盘脉冲2 I0.1 挖掘电机光码盘脉冲3 I0.2 急停停止4 I0.3 开始信号5 I0.4 行走遇障信号6 I0.5 输泥小车脱离/对接信号7 I0.6 行走撞墙 左8 I0.7 行走撞墙 右9 I1.0 倒车撞墙 左10 I1.1 倒车撞墙 右11 Q0.0 遇障位置12 Q0.1 遇障位置13 Q0.2 遇障位置14 Q0.3 遇障报警15 Q0.4 输泥皮带电机启/停16 Q0.5 挖掘电机启/停17 Q0.6 左 行走电机正转18 Q0.7 左 行走电机反转19 Q1.0 左 行走电机高速20 Q1.1 左 行走电机中速21 Q1.2 右 行走电机正转22 Q1.3 右 行走电机反转23 Q1.4 右 行走电机高速24 Q1.5 右 行走电机中速5.3 控制要求的软件设计的主要内容要求沟渠清淤机器人控制系统开发成本低，控制精度高，实现无线控制，控制完成清淤过程中整个清淤机器人的各部分机构的正常运行，并对运行过程中遇到的异常情况进行监控。通过对现有清淤机械的控制系统分析，依据所给沟渠的要求，确定以可靠性，使用简单，维护方便的 PLC 作为主要控制设备来设计沟渠清淤机的载体软件控制部分，获得最佳的技术经济性能。本设计的主要内容为：沟渠清淤机载体部分控制系统的软件设计，包括 PLCI/O 点数确定及分配，控制流程图设计， PLC 程序设计。通过分析现有清淤机械的软件控制，确定沟渠清淤机载体部分的软件控制系统，并进行西门子 S7-200PLC 的程序设计，通过 PLC 本身的脉宽调制来控制直流电机，再经过各种设备的有机连接，实现各种电路的设计，最终完成载体部分软件系统的设计。5.4 清淤装置的工作过程PLC（载体）接受到 “开始”命令，执行“作业开始”，首先“挖掘机启动”再依次为“行走电机正传”、“输泥电机启动”。机器人启动工作后，各传感器进行检测，载体在清淤过程中是否遇障进行判断“左撞墙”、“右撞墙”而后对“右行走电机减速”或“左行走电机减速”。在清淤过程中要保证小车中的淤泥不能过载，当达到承重上限时小车要与载体脱离返回到入口进行倾卸，由电磁感应传感器来判断载体是否与运泥小车脱离。是否遇障，是否急停当遇到上述情况之一时需要挖掘机停。各种情况有各自的处理方式，运泥小车脱离后 PLC1 停止工作，在运泥小车对接前行走电机停、运泥皮带电机停。它所控制的所有部件也处于待命状态；遇障则是运泥皮带电机停，遇障报警、遇障位置反馈、行走电机反转倒车甚至到达井口，遇障状态的解除，行走电机停最后结束；急停属于临时停车，如电池没电、发生故障等，依次执行挖掘电机停、行走电机反转倒车、运泥皮带电机停、到达井口、结束等命令。5.5 系统的程序流程图开 始行 走 电 机 正 转挖 掘 电 机 启输 泥 电 机 启左 撞 墙是右 行 走 电 机 减 速否 右 撞 墙是左 行 走 电 机 减 速否遇 障是行 走 电 机 反 转 倒 车挖 掘 电 机 停遇 障 报 警否遇 障 位 置 反 馈急 停 是行 走 电 机 反 转 倒 车挖 掘 电 机 停否输 泥 小 车 脱 离行 走 电 机 停挖 掘 电 机 停是输 泥 小 车 对 接是 输 泥 皮 带 电 机 停 输 泥 皮 带 电 机 停输 泥 皮 带 电 机 停否到 达 井 口否 到 达 井 口否 是是 行 走 电 机 停结 束作 业 开 始 信 号否否（9）载体的程序流程图6 控制程序设计6.1 PLC 的程序设计方法1）逻辑设计法当主要对开关量进行控制时，可以优先考虑使用逻辑设计法。逻辑设计法的基础是数学逻辑代数。在程序设计时，对控制任务进行逻辑分析和综合，将控制电路中元件的通电、断电状态看做以触点或线圈通、断状态为逻辑变量的逻辑函数，对逻辑函数进行化简，利用基本逻辑指令可以比较顺利地设计出满足要求的，较为简单的控制程序。这种设计方法思路清晰，编写的程序易于优化，是一种较为可靠，使用的程序设计方法。逻辑设计法是根据数字电子技术中的逻辑设计方法进行 PLC的程序设计。逻辑设计法的基础是逻辑代数。在程序设计时，对控制人物进行逻辑分析和综合。该方法是用逻辑表达式描述问题，在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图，也可以直接根据逻辑表达式写出助记符程序。2）时序图设计法时序图法是先画出控制系统的时序图，再根据时序图的关系画出对应的程序框图，最后根据程序框图写出 PLC 程序。对于输出信号状态变化有一定时间顺序的系统可以使用时序图法设计程序，对于这类系统，画出输出信号的时序图后，状态转换的时刻和转换条件就很容易理解了，对于建立清晰的设计思路很有帮助。（1）详细分析系统的控制要求，明确各输入、输出信号个数，合理的选择 PLC的机型。（2）明确各输入和输出信号之间的时序关系，画出各输入和输出信号的工作时序图。（3）将时序图再划分成若干个时间区段，确定各时间区段时间的长度。找出时间区段的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转化条件。（4）根据时间区段的个数确定需要几个定时器，并分配定时器元件号，确定各定时器的设定值，明确各定时器开始计时和定时到这儿两个关键时刻各输出信号状态时的影响。（5）对 PLC 进行 I/O 分配。（6）根据定时器的功能明细，时序图和 I/O 分配，画出梯形图。（7）作模拟运行试验，检查程序是否符合控制要求，进一步修改和完善程序。3）经验设计法在 PLC 发展的早期，沿用了设计继电器控制电路的方法来设计梯形图程序，即在已有的一些基本的典型梯形电路的基础上，根据控制要求不断地修改和完善梯形图。这种方法没有可以遵循的普遍规律，设计所用的时间，设计的质量与设计人员的经验有着很大的关系，所以有人把这种设计方法称为经验设计法。此方法有时需要进行多次反复调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。因此，这种方法可以用于逻辑关系较简单的梯形图程序设计，而且可以结合前面介绍的逻辑设计法，时序图设计法一起使用。它要求在掌握了一定量典型的控制环节设计的基础上，熟悉 PLC 各种指令功能，凭借经验能比较准确的选择使用 PLC 指令而进行相应的程序设计。经验设计法没有固定的模式可循，设计出的程序质量与编者的经验有很大关系。经验设计法对设计人员的素质要求比较高，特别是一些实践要求，要求设计者对控制系统以及工业中常用的各种典型环节熟悉。但对于结构复杂、不易掌握的系统，经验设计法花费时间较长，且系统维护困难，所以经验设计法在一些结构简单的控制系统设计中比较合适。4）顺序控制设计法前面提到过，采用经验设计法进行 PLC 控制系统的程序设计，不禁效率低，容易出错，而且在程序设计阶段往往很难发现错误，需要反复调试、修改、完善才能最终符合控制系统的要求，在电气控制领域，PLC 的顺序控制设计法以其思路清晰，步骤、方法相对固定，对初学者来讲是很容易掌握的，对编程经验丰富的技术人员来说使用此种编程方法也可大大提高编程的效率和程序的可读性，可移植性和可维护性。顺序控制发非常适合于那些按动作先后顺序进行控制的系统。顺序控制阀规律性强，虽然编译的程序偏长，但结构清晰、可读性强。在顺序控制指令的配合下也可运行复杂的程序，一般复杂的程序可以分成若干个简单的功能程序段。因此，系统控制的任务可以认为是在不同时刻或者不同过程中完成对各个步的控制。在用顺序控制法编程时，功能表图是很重要的工具，功能表图能清楚地表现出系统各工作步的功能、步