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河北科技大学毕业论文
项目名称：管道疏通机器人及控制系统研究
姓名：刘刚
工程领域：机械工程
所属学院：机械工程学院
学校导师：王峰教授
2006 年 6 月 24 日
河北科技大学毕业设计（论文）
二
目录
总结1
1 管道疏通机器人概述 3
2 疏浚机器人控制系统分析 7
-200系列PLC概述 7
-200系列PLC简介 7
11
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17 号
17 号
20
3 基于PLC的疏浚机器人控制系统设计 24
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河北科技大学毕业设计（论文）
三、
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结论39
致谢 40
参考文献 41
附录A 清淤机器人控制清单 43
概括
概括
本文主要介绍目前挖泥机器人的发展现状以及利用PLC实现机器人的运动控制，使机器人能够自主完成挖泥任务。
我们前往唐山市城市管网管理办公室进行现场检查。那里的工作人员热情接待了我们，并向我们介绍了排水管道沉积物的类型、目前城市排水管道的清淤方法以及需要解决的问题。我们还通过图书馆和互联网查阅了有关步进电机控制的学术论文、专利和其他文献。
我确定了本文的总体内容、研究计划和研究目的：机器人内部有三个电机，地面有一个电机。 PLC通过控制这四个电机来达到控制机器人的目的。本文详细介绍了PLC对电机方向、速度、电流的控制方法和编程技术，包括PLC和驱动器的选型、步进电机和驱动器的连接、控制程序的编写等。控制程序主要实现排水管道疏通机器人的前进/回程方向控制和脉宽调制调速。
关键词：可编程控制器；步进电机；司机
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1 管道清淤机器人概述
1 管道清淤机器人概述
目前，城市给排水系统都是通过地下管道实现的。但排水管很容易被一些油污或杂物堵塞。为了延长管道的使用寿命，防止堵塞等事故的发生，需要定期对管道系统进行管理和维护，对管道进行有效的检测和疏通。管道机器人就是为了满足这一需求而诞生的。管道机器人是一种能沿着小型管道内部或外部自动行走，携带一个或多个传感器和操作机械，在工作人员或自动控制下进行一系列管道作业的机、电、仪一体化机器。计算机控制。系统。管道清淤机器人应具有清洗管道、喷洒清洁气雾剂、利用传感器检测管道内状况的功能。
管道疏通机器人是基于机器人技术开发的。其机器人载体采用常用的轮式行走机构，结构简单，驱动力大。步进电机通常用作原动机。步进电机控制性能好，精度高。是一种控制性能非常好的控制电机。因此，疏浚机器人的控制是利用控制器直接控制步进电机。其控制器现在大多采用比较成熟的PLC和单片机，特别是步进电机的PLC控制。 PLC具有良好的控制能力和较强的抗干扰能力。其最大的优点是编程语言简单易学，大大简化了机器人控制过程。
具体来说，本课题中的疏浚机器人就是我们所说的“汽车”。它由步进电机驱动，步进电机由PLC控制。本设计需要使用S7-来控制步进电机，包括：步进电机及其驱动器的选型；步进电机及其驱动器的连接； PLC控制步进电机和直流电机的方向和速度，从而实现排水管道疏通机器人具有前进/返回控制和变速控制，提高疏通机器人的工作效率。
研发管道疏通机器人的根本意义在于可以实现排水管道的疏通和清洗；改善目前工人清理管道时的工作环境，减轻工人劳动强度，保证工人人身安全，提高排水管道清理效率。此外，还可应用于其他相关领域。
目前，国外管道清洗机器人已实现产业化。美国、丹麦、日本、韩国等许多国家都有管道清洗机器人系列产品。早在1978年，法国就研制出了轮腿管机器人行走机构。
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1 管道清淤机器人概述
，成功实现了管内自主行走。该机构由2个行走轮和4个支撑腿组成。支腿由电机驱动，以适应不同管径的变化。 20世纪80年代，随着计算机、传感器以及现代控制理论和技术的发展，为管道机器人的研究和应用提供了技术保障。国外相继开发了多种类型的用于管道内检测的移动机器人。东京理科大学的 等人开发了一种可以穿过90°弯管的管内移动机器人原型，如下图所示。该机器人由可相对旋转的头部和身体组成。当机器人沿直管行走时，本体上的电机M1通过减速装置将动力传递给本体上的驱动轮。当机器人沿着弯管行走时，电机M2驱动头部。头部调整姿态并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可检测管道裂纹，适用于直径50mm的管道，行走速度为0~。但由于所携带电池电量的限制，无法实现长距离步行。
图1 管道内移动机器人原型机
管道清淤机器人应具有清洁管道、喷洒清洁气雾剂、利用传感器检测管道内状况的功能。要实现这些功能，机器人必须具备的“器官”包括：灵活的移动载体、各种清扫清洁工具、通讯系统和操作箱，以及一些辅助设备和设施。仔细一看，并没有太大区别：
、管道适应性不强；
，用于敲除、清除管道内的灰尘。由于管道分为矩形管道和圆形管道，因此可以更换相应的清洁矩形管道和圆形管道的清洁刷；
，用于检测管道内部的情况，这在人类无法到达的管道内是必不可少的；
，所以采用线控方式，操作人员在管道外进行操作。
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1 管道清淤机器人概述
我国在管道清淤机器人的研究和应用方面还比较落后，但一些单位在该领域取得了可喜的进展。哈尔滨工业大学目前已制作出管道内机器人的实验样机，上海大学、天津大学、成都核物理研究所、四川工程学院等也都在从事这方面的研究工作。
四川工程学院专注于PLC对步进电机的控制。 PLC实现电机控制是基于PLC的高速计数功能和脉宽调制（PWM）的输出功能。为了实现行走电机的速度控制和位置控制，在结构上必须形成闭环控制系统。为此，采用光电增量编码器作为反馈信号传感器。通过PLC的高速计数功能采集反馈信号，通过PLC的PWM输出控制电机的转速。在一个采样周期内，PLC速度控制程序需要处理以下任务来调整电机以稳定的速度运行；使用定时器设置采样时间；调用高速计数指令采样电机位置信号；调用除法程序求出电机转速；设定值与测量值相减计算偏差值；调用比例积分微分（PID）子程序来控制和调整偏差；通过写入PWM命令控制字来调节PWM输出占空比来调节速度。
天津大学也研究了管道机器人。该机器人系统采用模块化设计理念，主要由移动机器人本体模块、收放卷装置模块、控制系统模块三个部分组成。主体模块的显着特点是采用积木式加宽结构，使机器人能够适应不同管径的管道作业；收放装置模块实现电缆收放；控制模块设计有两套控制系统：一套是手动控制系统，一套是微机控制系统。手动控制系统通过控制面板上的按钮控制机器人本体的前进、后退、加速、减速、急停，并实时显示机器人本体的行程深度；微机控制系统是自行开发的插入PC扩展槽的专用计算机。接口卡与控制箱上的计算机接口连接，计算机通过软件控制机器人系统。
目前主要采用的管道疏浚方法有水力疏浚和机械疏浚。水力疏浚是利用管道中的污水和城市自来水冲洗排水管道，依靠高压水流冲走泥沙。机械清淤法是在管段的首尾井上设置绞车，如图2所示，将钢丝绳绑在车上，用绞车来回拉动清管工具两三下。能将管道内的淤泥刮干净，清除效果好。
图2 机械疏浚方法
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1 管道清淤机器人概述
唐山是北方重要的工业城市，水资源利用量和排放量都非常大。因此，研究唐山地区排水管道结构及管道疏浚方法具有重要意义。
管网检测结果显示，唐山市排水管道内径为300～300毫米，其中排水主管多为300～600毫米，支管多为300毫米。井口直径为640mm，向下直径越来越大，形成锥形。井距一般为50m，两井口之间的连接管有一定的坡度，靠重力实现流动。管道堵塞时，多为树枝、棉线、淤泥、钙化物等，使悬浮物无法靠重力顺流而下。
目前主要使用两类设备：一类是高压管道清洗车，一类是管道吸污车。高压管道清洗车有一个高压喷嘴，喷嘴呈锥形。锥体外部可喷出高压水柱。与此同时，喷嘴不断振动。振动力相当强，足以清理管道内的很大一部分沉积物，然后依靠高压水流将沉积物冲走。这个方法非常实用、有效。当淤泥较多时，采用吸污车直接将淤泥吸出。
管道疏通机器人共使用4个电机：M1为载体步进电机，M2为工具步进电机，M3为调节压缩步进电机，M4为伸缩直流减速电机。
按下启动按钮，M1正转，M4反转，延时后M2正转；当托架打滑时，M3向前旋转，不打滑时M3停止。若调节机构压至极限位置仍打滑，则M3停止。然后按手动返回按钮返回；如果电机过载，按手动返回按钮返回；遇到较大障碍物时，按手动返航按钮返航；如需紧急停止，按下紧急停止按钮；如果下一个井口，行程开关动作，载体返回。无论手动返回还是自动返回，都需要调用返回子程序。
当调用返回子程序时，M1 反转，M4 正转。若返回原井口，行程开关动作并报警。 M1、M2、M4停止，M3反转，直至压紧力调节机构回到原位。 M3 站。
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2 挖泥机器人控制系统分析
2 挖泥机器人控制系统分析
前面提到，管道疏通机器人是由步进电机驱动的，而步进电机的控制器就是业界应用最广泛的可编程逻辑控制器（PLC）。使用PLC来控制步进电机是一个机电一体化的过程。必然趋势。由于管道机器人在室外管道内作业，环境恶劣，不允许发生导致管道失控的重大事故。因此，除了对机器人的能源动力系统等大功率部件提出严格要求外，也对机器人的控制单元提出了极限要求。运行可靠性要求高，保证控制单元不受环境、强电和辐射的干扰，在有效的控制策略下发挥持续监控作用；另外，管道机器人在运行过程中主要处理一些开关量，对控制器的处理时间要求不高，因此采用了可编程逻辑控制器（PLC）作为管道机器人的控制器。目前，PLC生产厂家众多。选择西门子的S7系列。该系列产品可满足多种自动化需求。由于其紧凑的设计、良好的扩展性能、低廉的价格和强大的指令，S7系列可以几乎完美地满足小规模控制要求。此外，丰富的PLC类型和电压等级使其在解决用户自动化问题时具有很强的适应性。
-200系列PLC概述
-200系列PLC简介
S7-200系列是西门子公司推出的小型可编程控制器。均采用整体结构。它具有结构紧凑、可靠性高、运行速度快、指令集丰富、强大的多种集成功能和实时特性，并配备丰富的功能扩展模块。它被广泛应用于各行各业。应用得到迅速推广，是不太大的控制领域的理想控制器。图3为S7-的外观。
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