Для чего роботу нужен контроллер

Шаг 5. Устройства управления электродвигателями.

Устройства управления электродвигателями необходимы для создания вашего робота. Теперь выбрана конструкция робота, исполнительные механизмы или моторы и контроллер для робота. Наконец пришло время заставить все двигаться. Первый вопрос, который многие новички задают при создании своего первого робота, — «как я могу управлять моторами?».

Для этого служат такие устройства управления электродвигателями, как контроллер двигателя. После небольшого исследования выражения «контроллер двигателя» появилось много вопросов. Что такое контроллер двигателя и зачем он мне нужен?

Контроллеры двигателей

Контроллер двигателя — это электронное устройство (обычно это монтажная плата без корпуса), которое служит в качестве промежуточного устройства между микроконтроллером, блоком питания или батареями и моторами (двигателями).

устройство управления двигателем

Микроконтроллер (мозг робота) задает скорость и направление двигателей. Но он не может управлять ими напрямую из-за его очень ограниченной мощности (тока и напряжения). С другой стороны, контроллер двигателя может обеспечивать ток при требуемом напряжении. При этом не может решить, как быстро двигатель должен вращаться.

Таким образом, микроконтроллер и контроллер двигателя должны работать вместе. Для того, чтобы моторы двигались так как нам нужно, используются устройства управления электродвигателями. Обычно микроконтроллер может подавать команду на контроллер двигателя о том, как приводить в действие двигатели с помощью стандартного и простого метода связи.

• Например, такого как UART (Universal asynchronous receiver/transmitter или УАПП — универсальный асинхронный приемопередатчик). Это один из самых старых и распространенных протоколов передачи данных.
• Возможно использование PWM (широтно-импульсную модуляцию — ШИМ).
• Кроме того, некоторые контроллеры двигателей могут управляться вручную аналоговым напряжением, обычно создаваемым потенциометром.

Физический размер и вес контроллера двигателя могут значительно различаться. От устройства, меньшего, чем кончик пальца, используемого для управления мини-сумо роботом до большого контроллера весом в несколько килограммов. Вес и размер контроллера двигателя обычно оказывает минимальное влияние на робота.

Хотя бывает необходимо сделать робота маленького размера или беспилотный летательный аппарат. В результате вес и размер контроллера может быть критичным. Размер контроллера двигателя обычно связан с максимальным током, который он может обеспечить. Увеличенный ток также означает необходимость использования проводов большего диаметра.

Типы контроллеров электромоторов

Существует несколько типов исполнительных механизмов (шаг 3). Следовательно, существует несколько типов контроллеров двигателей.

• Машинные контроллеры двигателя постоянного тока. Они используются с шестерёнчатыми двигателями постоянного тока, постоянного тока и многими линейными приводами.
• Бесщеточные контроллеры двигателя постоянного тока. Используются с бесщеточными двигателями постоянного тока.
• Сервомоторы: используются для хобби сервомоторов.
• Контроллеры шагового двигателя. Используются с однополярными или биполярными шаговыми двигателями в зависимости от их типа.

Выбор контроллера мотора

Контроллеры двигателей можно выбрать только после того, как вы выбрали свои двигатели, приводы. Кроме того, номинальный ток двигателя связан с крутящим моментом, который он может обеспечить. Так как маленький двигатель постоянного тока не потребляет много тока, но не может обеспечить большой крутящий момент. Тогда как большой двигатель может обеспечить более высокий крутящий момент, но для этого потребуется более высокий ток.

Управление двигателем постоянного тока

Первое соображение — это номинальное напряжение двигателя. Устройства управления электродвигателями постоянного тока обычно предлагают диапазон напряжения. Например, ваш двигатель работает с номиналом 3 В. Следовательно вам не следует выбирать контроллер двигателя, который может управлять двигателем только между 6 и 9 В. Это поможет вам исключить некоторые контроллеры двигателя из списка.

Итак, вы нашли ряд контроллеров, которые могут приводить в действие двигатель с соответствующим напряжением. Следующим соображением будет постоянный ток, который контроллер должен будет подавать. Вам нужно найти контроллер двигателя, который будет обеспечивать ток, равный или превышающий номинальный ток, потребляемый двигателем.

Если вы выберете контроллер двигателя 5А для двигателя 3A, то двигатели будут потреблять столько тока, сколько потребуется. С другой стороны, двигатель на 5А, скорее всего, выведет контроллер на 3A. Многие производители двигателей обеспечивают ток выключения двигателя постоянного тока. В результате это не дает вам четкого представления о контроллере двигателя, который вам понадобится. То есть вы не можете найти постоянный рабочий ток двигателя. В этом случае простым правилом является оценка постоянного тока двигателя примерно на 20-25% меньше тока останова.

Все контроллеры двигателя постоянного тока обеспечивают максимальный ток. Убедитесь, что этот показатель примерно в два раза выше, чем номинальный ток двигателя. Обратите внимание, что, когда двигателю требуется больше крутящего момента (например, движение вверх по склону), он требует большего тока. Выбор контроллера двигателя со встроенным охлаждением и тепловой защитой — очень хороший выбор. Еще одним важным соображением является метод управления.

ШИМ управление моторами

Устройства управления электродвигателями используют следующие методы:

• аналоговое напряжение
• I2C (интерфейсная шина IIC )
• PWM (широтно-импульсная модуляция — ШИМ)
• R / C (Radio Control, радиоуправление)
• UART (универсальный асинхронный приемопередатчик)

Если вы используете микроконтроллер, проверьте, какие типы соединений у вас имеются, и какие двигатели являются совместимыми для вас. Если ваш микроконтроллер имеет последовательные контакты, вы можете выбрать контроллер последовательного двигателя. Для PWM вам, вероятно, потребуется один канал PWM на двигатель.

Методы контроля

На практике остается выбрать какой контроллер двигателя нужен — одиночный или двойной. Двойной контроллер постоянного тока может управлять скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока независимо. Наконец часто экономит ваши деньги (и время).

Двигатели не обязательно должны быть идентичными. Хотя для мобильного робота приводные двигатели должны быть в большинстве случаев одинаковыми. Вам нужно выбирать двойной контроллер двигателя на основе более мощного двигателя постоянного тока.

Обратите внимание, что контроллеры двух двигателей имеют только одну входную мощность. Потому что если вы хотите контролировать один двигатель на 6 В, а другой на 12 В, это будет невозможно. Обратите внимание, что действующее напряжение всегда поддерживается на каждом канале. Стандартные сервомоторы предназначены для использования определенных напряжений для максимальной эффективности. Большинство из них работают от 4,8 В до 6 В, а их потребление тока аналогично, шаги для выбора несколько упрощены.

Тем не менее вы можете найти сервомотор, который работает при напряжении 12 В. При этом важно, чтобы были дополнительные сведения о контроллере, если ваш сервомотор не считается «стандартным». Также большинство хобби-сервомоторов используют стандартный сервопривод R / C. Это три провода, которые являются землей, напряжением и сигналом.

Теперь нужно выбрать метод управления. Некоторые контроллеры сервомоторов позволяют вам управлять положением сервопривода вручную с помощью набора кнопок / переключателей. Другие — с помощью команд UART (последовательных) или других средств. Определите количество сервоприводов, которые нужно контролировать.

Контроллеры могут управлять многими сервоприводами (обычно 8, 16, 32, 64 и выше). Вы, конечно же, можете выбрать контроллер серводвигателя, способный управлять большим количеством сервомеханизмов, чем вам потребуется. Как и контроллеры двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.

Управление шаговым двигателем

Какой вы выбрали двигатель — однополюсный или двухполюсный? Выберите тип контроллера шагового двигателя соответственно, хотя почти все устройства управления электродвигателями могут управлять обоими типами. Количество проводов обычно помогает определить тип двигателя. Если двигатель имеет 4 провода, то он является двухполюсным. Если он имеет 6 или более контактов, то он является однополюсным. Выберите диапазон напряжения контроллера двигателя, чтобы он соответствовал номинальному напряжению вашего двигателя.

шаговый двигатель

Определите, сколько тока требуется для каждого мотора, и узнайте, сколько тока (на катушку) контроллер шагового двигателя может обеспечить. Если вы не можете найти ток катушки, то большинство производителей указывает сопротивление катушки, R. Используя Закон Ома (V = IR), вы можете рассчитать ток (I). Как и для контроллера двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.

Управление линейным приводом

Линейные приводы имеют три основных метода управления: DC, R / C или обратная связь. Большинство линейных приводов постоянного тока используют редукторный двигатель постоянного тока. Поэтому обычно необходим контроллер постоянного тока.

Однако некоторые линейные приводы принимают сервопривод R / C, поэтому вы выбираете контроллер серводвигателя. Если управляемый R / C линейный привод работает с более высоким напряжением, чем диапазон контроллера, привод может включать в себя отдельные провода для более высокого требуемого напряжения питания.

линейный привод

Другие приводы — это многочисленные электромеханические устройства. Например, искусственные мышцы из проволоки или соленоиды также должны управляться с помощью контроллеров двигателей. Ниже приведены некоторые вопросы для того, чтобы определить, нужен ли вашему приводу контроллер двигателя.

• Более высокие требования к току: любое устройство, требующее более 0,1A, обычно нуждается в собственном контроллере.
• Более высокие требования к напряжению: если привод работает выше напряжения микроконтроллера (обычно 5 В или 3,3 В) он обычно не может быть напрямую подключен к микроконтроллеру.

Большой мотор LEGO MINDSTORMS Education EV3

На шаге 3 мы выбрали большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3. Для этого мотора не требуется отдельного контроллера двигателя.

большой двигатель Lego EV3

Он подключается напрямую к выходному порту микроконтроллера EV3. В результате полностью соответствует нашей цели – созданию роботизированной платформы.

Как устроены роботы?

Мы часто пишем о роботах. Их делают во всем мире. Иногда они совершенно не похожи на людей, иногда наоборот. Тем не менее многие из нас не имеют ни малейшего представления о том, как их делают, из чего, с какими проблемами сталкиваются инженеры и как их преодолеть. В этой статье мы подробно разберем, как устроены роботы и как они работают.

На самом базовом уровне люди состоят из пяти основных компонентов:

• структура тела;
• система мышц, которая движет телом;
• система органов чувств, которая получает информацию о теле и окружающей среде;
• источник энергии, питающий мышцы и органы чувств;
• мозговая система, которая обрабатывает информацию от органов чувств и дающая указания мышцам.

Конечно, у нас есть ряд нематериальных атрибутов вроде интеллекта и морали, но на чисто физическом уровне список выше включает это.

Роботы делаются из аналогичных компонентов. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы — это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных.

Джозеф Энгельбергер, пионер промышленной робототехники, однажды заметил: «Я не могу дать определение роботу, но я точно узнаю его, когда увижу». Если вы задумаетесь обо всех возможных машинах, которые люди называют роботами, вы поймете, что невозможно придумать всеобъемлющее определение. У каждого есть свое представление о том, что представляют собой роботы.

• R2D2 и C-3PO: умные говорящие роботы с ярко выраженной индивидуальностью из фильмов серии «Звездные войны»
• AIBO от Sony: собака-робот, которая обучается в процессе взаимодействия с людьми
• ASIMO от Honda: робот, который может ходить на двух ногах
• Промышленные роботы: автоматизированные машины, работающие на сборочных конвейерах
• Дейта: почти человекоподобный андроид из «Звездного пути»
• Роботы-саперы
• Марсоходы NASA
• HAL: бортовой компьютер из «Космической Одиссеи 2001 года» Стэнли Кубрика
• MindStorm: популярный роботизированный комплект от LEGO

Все вышеперечисленное можно назвать роботами. Роботом, как правило, называется то, что люди считают роботом. Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) использует более точное определение. Они указывают, что роботы обладают перепрограммируемым мозгом (компьютером), который движет тело.

Согласно этому определению, роботы отличаются от других подвижных машин вроде автомобилей, поскольку у них есть компьютерный элемент. У большинства новых автомобилей есть бортовой компьютер, но в него можно внести не так много нового. Вы управляете большинством элементов в автомобиле непосредственно при помощи механических устройств разного рода. Роботы отличаются от обычных компьютеров по своей физической природе — у обычных компьютеров нет физического тела, они могут существовать и без него.

Основы роботов

Колеса робота и поворотные суставные сегменты активизируются при помощи приводов разного рода. Некоторые роботы используют электродвигатели и соленоиды в качестве актуаторов (приводов); некоторые используют гидравлическую систему; некоторые — пневматическую систему (на основе сжатых газов). Роботы могут использовать все эти типы приводов.

Робот нуждается в источнике питания, чтобы управлять этими приводами. Большинство роботов либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Гидравлическим роботам нужен насос для создания давления в гидравлической системе, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или баллоны со сжатым воздухом.

Все приводы подключаются к электрической цепи. Цепь напрямую питает электродвигатели и соленоиды, что активизирует гидравлическую систему при помощи электрических клапанов. Клапаны направляют сжатую жидкость через машину. Для перемещения гидравлической ноги, например, оператор робота должен открыть клапан, ведущий от жидкостного насоса к поршневому цилиндру, закрепленному на ноге. Жидкость под давлением будет двигать поршень, толкая ногу вперед. Чтобы двигать конечностями в обоих направлениях, роботы используют поршни, которые могут толкаться в обе стороны.

Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов можно перепрограммировать, чтобы изменить поведение — достаточно просто ввести новую программу в компьютер.

Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Стандартная конструкция использует колеса с щелью в суставах робота. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

Роботизированный манипулятор

Наиболее распространенный вид робота — это роботизированный манипулятор. Типичный манипулятор состоит из семи металлических сегментов, соединенных шестью суставами. Компьютер управляет роботом, вращая отдельные шаговые двигатели, подключенные к каждому суставу (некоторые крупные манипуляторы используют гидравлику или пневматику). В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели двигаются точными шажками. Это позволяет роботу перемещать руку очень точно, в точности повторяя одно и то же движение снова и снова. Робот использует датчики движения, чтобы убедиться, что совершает движения правильно.

Промышленный робот с шестью суставами напоминает человеческую руку — у него есть подобия плечу, локтю и запястью. Как правило, плечо установлено на неподвижной базовой структуре, а не на подвижном теле. У такого типа робота есть шесть степеней свободы, то есть он может поворачиваться в шести разных направлениях. Для сравнения, человеческая рука имеет семь степеней свободы.

Задача вашей руки — перемещаться с места на место. Аналогичным образом, задача манипулятора — перемещать концевой эффектор с места на место. Вы можете оснастить манипулятор разными концевыми эффекторами, предназначенными для конкретных задач. Один из распространенных эффекторов — упрощенная версия руки, которая может хватать и переносить разные объекты. Манипуляторы часто обладают встроенными датчиками давления, которые предписывают компьютеру, с какой силой захватывать конкретный объект. Это позволяет роботу не ломать все, что он хватает. Другие конечные эффекторы включают паяльные лампы, дрели и распылители порошка или краски.

Промышленные роботы предназначены для того, чтобы делать одни и те же вещи, в контролируемой среде, снова и снова. Например, робот может закручивать колпачки на тюбиках с зубной пастой. Чтобы научить робота делать это, программист описывает порядок движения, используя ручной контроллер. Робот записывает последовательность движений в память и делает это снова и снова, когда новый продукт поступает на конвейер.

Большинство промышленных роботов работает на конвейерах, собирая автомобили. Роботы делают это более эффективно, чем люди, поскольку более точны. Они всегда сверлят в одном и том же месте, затягивают болты с одной и той же силой, независимо от того, сколько часов проработали. Сборочные роботы также важны для компьютерной отрасли. Весьма сложно точно собрать крошечный микрочип силами человека.

Мобильные роботы

Первое препятствие заключается в том, чтобы дать роботу рабочую систему передвижения. Если робот будет двигаться только по гладкой земле, колеса или гусеницы будут лучшим вариантом. Колеса или гусеницы также могут работать на грубой земле, если будут достаточно большими. Но чаще всего робототехники задумываются о ногах, поскольку их легче адаптировать. Строительство роботов с ногами также помогает ученым понимать естественное движение — полезное упражнение для биологов.

Как правило, гидравлические или пневматические поршни перемещают ноги робота вперед и назад. Поршни крепятся к разным сегментам ног так же, как мышцы крепятся к разным костям. Но заставить все эти поршни работать должным образом — сложная задача. Когда вы были ребенком, ваш мозг пытался выяснить, как нужно точно двигать мышцами, чтобы стоять на двух ногах и не падать. Аналогичным образом, конструктор робота должен определить правильную комбинацию поршневых движений, участвующих в ходьбе и запрограммировать эту информацию в компьютер робота. Многие мобильные роботы оснащены встроенной системой баланса (набором гироскопов, например), которая подсказывает компьютеру, когда нужно исправить движение.

Прямохождение (ходьба на двух ногах) — довольно нестабильно, поэтому ему сложно научить роботов. Чтобы создать стабильного робота-ходока, конструкторы часто наблюдают за миром животных, особенно насекомых. Шестиногие насекомые обладают невероятно хорошим балансом и адаптируются к широкому набору местностей.

Некоторые мобильные роботы управляются дистанционно — человек говорит им, что делать и когда. Дистанционное управление может осуществляться с помощью провода, радио или инфракрасных сигналов. Роботы с удаленным управлением часто называются кукольными роботами, и они полезны для работы в опасных или труднодоступных условиях — например, в глубокой воде или в жерле вулкана. Некоторые роботы управляются дистанционно лишь отчасти. Например, оператор может отправить робота в определенное место, а обратно робот уже сам найдет дорогу.

Введение в ПЛК: что такое программируемый логический контроллер

Программируемым логическим контроллерам уже 50 лет, но без них и сейчас невозможно представить автоматизированное производство. Начинаем публиковать цикл статей о ПЛК и об электронных компонентах, производимых компанией Texas Instruments для создания современных ПЛК.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) широко применяются в сфере промышленной автоматизации разнообразных технологических процессов на больших и малых предприятиях. Популярность контроллеров легко объяснима. Их применение значительно упрощает создание и эксплуатацию как сложных автоматизированных систем, так и отдельных устройств, в том числе — бытового назначения. ПЛК позволяет сократить этап разработки, упрощает процесс монтажа и отладки за счет стандартизации отдельных аппаратных и программных компонентов, а также обеспечивает повышенную надежность в процессе эксплуатации, удобный ремонт и модернизацию при необходимости.

Принято считать, что задача создания прообраза современного ПЛК возникла в конце 60-х годов прошлого столетия. В частности, в 1968 году она была сформулирована руководящими специалистами General Motors. Тогда эта компания пыталась найти замену для сложной релейной системы управления. Согласно полученному заданию на проектирование, новая система управления должна была отвечать таким критериям как:

• простое и удобное создание технологических программ;
• возможность изменения рабочей управляющей программы без вмешательства в саму систему;
• простое и недорогое обслуживание;
• повышенная надежность при сниженной стоимости, в сравнении с подобными релейными системами.

Последующие разработки в General Motors, Allen-Bradley и других компаниях привели к созданию системы управления на базе микроконтроллеров, которая анализировала входные сигналы от технологических датчиков и управляла электроприводами исполнительных устройств.

Термин ПЛК (Programmable Logic Controller, PLC) впоследствии был определен в стандартах EN 61131 (МЭК 61131). ПЛК – это унифицированная цифровая управляющая электронная система, специально разработанная для использования в производственных условиях. ПЛК постоянно контролирует состояние устройств ввода и принимает решения на основе пользовательской программы для управления состоянием выходных устройств.

Упрощенное представление состава и принципа действия ПЛК хорошо демонстрирует рисунок 1. Из него видно, что ПЛК имеет три основные секции:

• входную;
• выходную;
• центральную.

Рис. 1. Состав и принцип действия ПЛК

Имеется еще источник питания. Возможно подключение к ПЛК внешнего ПК для программирования и отладки.

Центральная секция содержит центральный процессор (ЦП), память и систему коммуникаций. Она выполняет обработку данных, принимаемых от входной секции данных, и передает результаты обработки в выходную секцию. Следует сразу отметить, что в больших ПЛК, кроме ЦП, действующего в режиме «ведущий», могут быть дополнительные «ведомые» ПЛК со своими ЦП. В качестве ЦП небольшого ПЛК используются стандартные микропроцессоры (МП). Обычно 8- и 16-разрядные МП вполне справляются со всеми стандартными задачами. Но, как отмечено в МЭК 61131, выбор конкретного МП все же зависит от задач, возлагаемых на данный тип ПЛК.

Для передачи данных другому ПЛК или для подключения к сетям передачи данных PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface в распределенных системах управления сегодня используются коммуникационные процессоры, такие как DP83867IR производства Texas Instruments (TI).

Входная секция ПЛК обеспечивает ввод в центральную секцию состояния переключателей, датчиков и смарт-устройств. Через выходную секцию ЦП управляет внешними исполнительными устройствами, среди которых могут быть электромагнитные пускатели моторов, источники света, клапаны и смарт-устройства.

Типы ПЛК

Современные ПЛК, использующие инновационные технологии, далеко ушли от первых упрощенных реализаций промышленного контроллера, но заложенные в систему управления универсальные принципы были стандартизированы и успешно развиваются уже на базе новейших технологий.

Крупнейшими мировыми производителями ПЛК сегодня являются компании Siemens AG, Allen-Bradley, Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron. Кроме них ПЛК выпускают и многие другие производители, включая российские компании ООО КОНТАР, Овен, Сегнетикс, Fastwel Групп, группа компаний Текон и другие.

Рис. 2. Моноблочные программируемые логические контроллеры

По конструктивному исполнению ПЛК делят на моноблочные (рисунок 2) и модульные. В корпусе моноблочного ПЛК наряду с ЦП, памятью и блоком питания размещается фиксированный набор входов/выходов. В модульных ПЛК используют отдельно устанавливаемые модули входов/выходов. Согласно требованиям МЭК 61131, их тип и количество могут меняться в зависимости от поставленной задачи и обновляться с течением времени. ПЛК подобной концепции представлены на рисунке 3. Подобные ПЛК могут действовать в режиме «ведущего» и расширяться «ведомыми» ПЛК через интерфейс Ethernet.

Рис. 3. Программируемые логические контроллеры с расширенными возможностями

Моноблочные функционально завершенные ПЛК могут включать в себя небольшой дисплей и кнопки управления. Дисплей предназначен для отображения текущих рабочих параметров и вводимых с помощью кнопок команд рабочих программ и технологических установок. Более сложные ПЛК комбинируются из отдельных функциональных модулей, совместно закрепляемых на стандартной монтажной рейке. В зависимости от количества обслуживаемых входов и выходов, устанавливается необходимое количество модулей ввода и вывода.

Источник питания может быть встроенным в основной блок ПЛК, но чаще выполнен в виде отдельного блока питания (БП), закрепляемого рядом на стандартной рейке. Блок питания небольшой мощности представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Блок питания для ПЛК

Первичным источником для БП чаще всего служит промышленная сеть 24/48/110/220/400 В, 50 Гц. Другие модели БП могут использовать в качестве первичного источник постоянного напряжения на 24/48/125 В. Стандартными для промышленного оборудования и ПЛК являются выходные напряжения БП: 12, 24 и 48 В. В системах повышенной надежности возможна установка двух специальных резервированных БП для дублирования электропитания.

Для сохранения информации при аварийных отключениях сети электропитания в ПЛК используют дополнительную батарею.

Как известно, первоначальная концепция программируемого логического контроллера сформировалась во времена перехода с релейно-транзисторных систем управления промышленным оборудованием на появившиеся тогда микроконтроллеры. Подобные ПЛК с 8- и 16-разрядными МП ограниченной производительности до сих пор успешно эксплуатируются и находят новые сферы применения.

Огромный прогресс в развитии микроэлектроники затронул всю элементную базу ПЛК. У них значительно расширился диапазон функциональных возможностей. Несколько лет назад немыслимы были аналоговая обработка, визуализация технологических процессов или даже раздельное использование ресурсов ЦП в качестве непосредственного управляющего устройства. В настоящее время поддержка этих функций входит в базовую версию многих ПЛК.

Примером подобного подхода является отдельное направление в линейке продукции компании Texas Instruments. Как известно, TI не входит в число производителей ПЛК, но выпускает для них специализированные ЦП и сетевые процессоры, компоненты для создания периферийных цифровых и аналоговых модулей, контроллеры температуры, смешанные модули цифровых и аналоговых входов/выходов.

Блок схема процессора TI Sitara AM570x на рисунке 5 позволяет судить об огромной функциональной оснащенности этого ARM-процессора, работающего на частоте до 1 ГГц, поддерживающего интерфейсы CAN, I²C, McASP, McSPI, SPI, UART, USB и способного работать в диапазоне температур 0…90°С.

Рис. 5. Блок-схема процессора TI Sitara AM570x

Требования, ограничения и проблемы при проектировании и производстве ПЛК

Таким образом, становится понятно, что ПЛК — это просто особым образом спроектированная цифровая система управления на основе процессоров разной мощности и с различной функциональной оснащенностью, в зависимости от предназначения. Такую систему можно также считать специализированным мини-компьютером. Причем она изначально ориентирована на эксплуатацию в цехах промышленных предприятий, где имеется множество источников электромагнитных помех, а температура может быть как положительной, так и отрицательной. Дополнительно к минимизации воздействия вышеуказанных факторов необходимо предусмотреть и защиту от агрессивной внешней среды, включающей пыль, брызги технологических жидкостей и паровоздушные взвеси. В таких случаях предусмотрена установка ПЛК в защитные шкафы или в удаленных помещениях. Отдельные модули могут размещаться на удалении до сотен метров от основного комплекта ПЛК и эксплуатироваться при экстремальных внешних температурах. Согласно МЭК 61131, для ПЛК с наружной установкой допустима температура 5…55°C. Для устанавливаемого в закрытых шкафах ПЛК необходимо обеспечить рабочий диапазон 5…40°C при относительной влажности 10…95% (без образования конденсата).

Тип ПЛК выбирается при проектировании системы управления и зависит от поставленных задач и условий производства. В отдельных случаях это может быть моноблочный ПЛК с ограниченными функциями, имеющий достаточное количество входов и выходов. В других условиях потребуются ПЛК с расширенными возможностями, позволяющими использовать распределенную конфигурацию с удаленными модулями входа/выхода и с удаленными пультами управления технологическим процессом.

Связь между удаленными блоками и основным ядром ПЛК осуществляется через помехозащищенные полевые шины по медным кабелям и оптическим линиям связи. В отдельных случаях, например, для связи с подвижными объектами, применяют беспроводные технологии, чаще всего это сети и каналы Wi-Fi. Для взаимодействия с другими ПЛК могут применяться как широко известные интерфейсы RS-232 и RS-485, так и более помехозащищенные промышленные варианты типа Profibus и CAN.

Особенности работы и программирования ПЛК

Теперь, когда стали более понятными основные возможности ПЛК, следует выяснить способы их применения.

Система программирования является одной из примечательных и полезных особенностей ПЛК, она обеспечивает упрощенный подход к разработке управляющих программ для специалистов различного профиля.

Именно в ПЛК впервые появилась удобная возможность программирования контроллеров путем составления на экране компьютера визуальных цепей из релейных контактов для описания операторов программы (рисунок 6). Таким образом, даже весьма далекие от программирования инженеры-технологи быстро осваивают новую для себя профессию. Подобное программирование называют языком релейной логики или Ladder Diagram (LD или LAD). Задачи, решаемые при этом ПЛК, значительно расширяются за счет применения в программе функций счетчиков, таймеров и других логических блоков.

Рис. 6. Пример программной реализации электрической цепи

Задача программирования ПЛК еще более упрощается благодаря наличию пяти языков, стандартизованных для всех платформ ПЛК. Три графических и два текстовых языка программирования взаимно совместимы. При этом одна часть программы может создаваться на одном языке, а другая — на другом, более удобном для нее.

К графическим средствам программирования ПЛК относятся язык последовательных функциональных блоков (Sequential Function Chart, SFC) и язык функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram, FBD), более понятные для технологов. Для программистов более привычными являются язык структурированного текста (Statement List, STL), напоминающий Паскаль, и язык инструкций (Instruction List, IL), похожий на типичный Ассемблер.

Конечно, простота программирования ПЛК является относительной. Если с программированием небольшого устройства может после обучения справиться практически любой инженер, знакомый с элементарной логикой, то создание сложных программ потребует знания основ профессии программиста и специальных познаний в программировании ПЛК.

Упростить создание программного обеспечения для современных ПЛК позволяют специальные комплексы, такие как

(рисунок 7), ISaGRAF, OpenPCS и другие инструменты, не привязанные к какой-либо аппаратной платформе ПЛК и содержащие все необходимое для автоматизации труда программиста. Для отладки сложных проектов на основе компонентов TI компания предлагает специальные отладочные комплекты и необходимое программное обеспечение.

Рис. 7. Рабочий экран программирования в среде CoDeSys

Перед началом работы ПЛК выполняет первичное тестирование оборудования и загрузку в ОЗУ и ПЗУ операционной системы и рабочей программы пользователя. Стандартный ПЛК кроме рабочего режима имеет режим отладки с пошаговым выполнением программы, с возможностью просмотра и редактирования значений переменных.

Рабочий режим ПЛК состоит из повторяющихся однотипных циклов, каждый из них включает три этапа:

• опрос всех датчиков с регистрацией их состояния в оперативной памяти;
• последовательный анализ рабочей программы с использованием данных о текущем состоянии датчиков и с формированием управляющих воздействий, которые записываются в буферные регистры;
• одновременное обновление контроллером состояния всех своих выходов и начало очередного этапа опроса датчиков.

Процесс исполнения программы ПЛК можно контролировать на экране подключенного компьютера с отображением состояния отдельных параметров. Например, процедуры включения и выключения насоса могут меняться в зависимости от требуемой задержки, значение которой задается специальной переменной.

При необходимости можно остановить выполнение программы и перевести ПЛК в режим программирования, затем на экране компьютера изменить ход выполнения программы или отдельные параметры и снова записать их в память ПЛК.

Заключение

Современный ПЛК стал чрезвычайно востребованным универсальным рабочим инструментом в системах автоматизации производственных процессов, а также для управления отдельными устройствами различного назначения. Это особый тип программируемых логических автоматов, отличающийся повышенной надежностью, легко встраиваемый и модернизируемый, способный длительное время работать практически без обслуживания.

Робот на дистанционном управлении: 7 интересных фактов, которые нужно знать

Тема обсуждения: Дистанционное управление роботом и его характеристики.

• Что такое робот с дистанционным управлением?
• Телеоперация
• Типы роботов с дистанционным управлением
• Каковы важнейшие компоненты робота с дистанционным управлением?
• Как мы можем построить робота с дистанционным управлением?
• Какие технологии используются в роботах с дистанционным управлением?
• Каковыприложения робота с дистанционным управлением?
• Робот с дистанционным управлением отличается от автономных систем?

Что такое робот с дистанционным управлением?

Телеоперация

Все мы помним, как в детстве играли с машиной с дистанционным управлением и участвовали в гонках с друзьями. Эти резкие маневры и повороты сделали наше детство потрясающим. Что ж, будьте готовы узнать, что это был первый робот с дистанционным управлением, который у нас был в руки. Теперь пришло время ограничить наше мышление и понять великолепие инженерного ума, который вошел в разработку концепции робота с дистанционным управлением. Простыми словами это можно определить так:

Робот с дистанционным управлением попадает в категорию полуавтономных роботов благодаря совместному управлению человеком и машиной. Основным способом взаимодействия в нем является дистанционное управление, которое происходит через систему передатчика и приемника и непосредственно в природе. Люди управляют машиной, посылая сигналы, которые передаются через пульт.

Виды роботов с дистанционным управлением

Две широкие классификации роботов с дистанционным управлением основаны на использовании проводных и не проводных систем:

Проводное дистанционное управление роботом:

Корпус робота соединяется с пультом управления проводами или кабелями. Это концепция привязки, которая обеспечивает минимальную мобильность робота; следовательно, он обычно используется в стационарной системе. Но кабели создают множество проблем в области применения мобильного робота, потому что провода могут легко блокировать движение робота и становиться помехой на пути его работы.

Робот с беспроводным дистанционным управлением:

Отсутствие привязки тела робота к контроллеру обеспечивает неограниченную мобильность и в наши дни является более популярным выбором для передовых исследований.

Существует еще один тип роботов с дистанционным управлением, которым в определенной степени помогает оператор. В этих типах уровни сложности задач довольно обширны и варьируются. Хотя то, как робот выполняет задачи и получает результат, полностью зависит от робота, и оператор ни в коем случае не участвует.

Каковы важнейшие компоненты робота с дистанционным управлением?

Важнейшие компоненты, из которых состоит робот:

Тело | Рамка:

Каркас корпуса робота — это шасси, выступающее в качестве основы. Он берет на себя нагрузку всей системы и определяет манипулируемость и движение ее различных частей. Форма и размер каркаса кузова в зависимости от функция, которую мы хотим, чтобы робот выполнять. Другими словами, каркас тела является структурой или скелетом робота и обычно не подлежит эстетике.

Система управления:

Система управления роботом — это то, чем является центральная нервная система для человека, и все аспекты робота контролируются и координируются ею. Датчики отвечают за генерацию сигнала обратной связи на основе окружения робота или среды робота, направляемого в центральный процессор (ЦП) для дальнейшей обработки и принятия решений в соответствии с программой. Это может потребовать помощи с помощью различных вводов, инструкций или ручных команд.

Эти датчики устанавливаются на электронный компонент, называемый микроконтроллером.

Микроконтроллер — это электронное вычислительное устройство, способное выполнять программу через массив инструкций, подаваемых ему компьютером. Его часто называют «мозгом робота» или «центром управления роботом», и он отвечает за все сложные вычисления, принятие решений, передачу сигналов и т. Д..

Микроконтроллеры

Давайте создадим робота с дистанционным управлением, чтобы разбить критические компоненты на электромеханические системы и подробно изучить их функции с помощью пошагового процесса.

Определитесь с целью построения робота:

Робота начального уровня можно построить для развлечения, в рамках школьного проекта или для обеспечения безопасности вне дома.

Решите, какую систему управления вы хотите использовать для робота:

Здесь мы сосредоточимся на концепции робота с дистанционным управлением, потому что это то, что мы пытаемся понять.

Определите привод:

Для этого мы сначала должны узнать, что такое исполнительный механизм? Итак, актуатор — это устройство, которое использует энергию для преобразования ее в физическое движение.

В основном есть два типа актуатора — для колесного робота. поворотные приводы и линейные приводы .

Интегрирующий микроконтроллер:

Как описано ранее, микроконтроллер называется «мозгом» или «центром управления» робота. И он учитывает все вычисления, принятие решений и коммуникации. Мы разберемся с функционированием микроконтроллера в другом разделе.

Выбор контроллера мотора:

Контроллер двигателя — это электромеханический прибор, который действует как посредник между микроконтроллером, источником питания и двигателем. В наши дни используются различные типы контроллеров моторов.

1. Почищенный щеткой мотор DC .

2. Бесщеточный двигатель постоянного тока .

Источник изображения: Себастьян Коппехель, Электродвигатель шпинделя дисковода для гибких дисков открыт, CC BY 3.0

3. Сервоприводы переменного тока Контроллеры используются в хобби.

4. Шаговые приводы.

Установка управляющего устройства:

Важными типами устройств управления для беспроводного функционирования дистанционно управляемого робота являются:

1. Инфракрасный порт — Они используют свет для работы и требуют прямой видимости для работы с устройством. Зеркала также могут отражать этот сигнал. В случае отсутствия прямой видимости он использует расширители.

2. Радиочастотный — Это устройство, обычно называемое радиочастотным модулем, использует радиосигналы для управления роботом на расстоянии.

3. Блютуз — Это беспроводное устройство, использующее радиоволны УВЧ для связи и работы.

4. Wi-Fi — Это также протокол беспроводной сети, который использует радиодиапазоны 2.4 гигагерца (120 мм) UHF и 60 гигагерц (XNUMX мм) SHF ISM для передачи данных и доступа в Интернет.

Применение датчика:

Зачем нужен датчик роботу? В отличие от людей, роботы чувствительны к окружающей среде за пределами зрения, звука, прикосновения, запаха и вкуса, и для этого необходимо использовать различные датчики. У исследователей есть альтернативы биологическим чувствам, потому что имитировать чувства биологического существа — сложная задача.

Получение правильных инструментов:

Роботу требуется жесткая внешняя оболочка для защиты его оборудования, в зависимости от размера и функциональности. Правильные инструменты всегда недоступны. Компоненты могут быть отлиты с нуля и имеют более простую конструкцию, или на рынке можно найти полные комплекты робототехники.

Сборка робота:

Со всеми компонентами робот готов к сборке. Онлайн-руководства доступны для справки по правильным процедурам. При подключении контроллера мотора к микроконтроллеру необходимо соблюдать особую осторожность. Однако любой неверный шаг может повредить отладочную плату, и потребуется заменить все компоненты на новые.

Программирование робота:

Это один из последних, но очень важных шагов в процессе создания робота, поскольку основная операция управления выполнялась в соответствии с этим программированием. Половина работы выполняется после выбора правильных инструментов и электромеханических компонентов для робота. Однако без программирования робот бесполезен, потому что это будет только статическая модель. Наиболее часто используемые языки программирования в робототехнике — это C ++, JAVA, Python, Basic и т. Д.

Какие технологии используются в роботах с дистанционным управлением?

Раньше телевизоры не имели пультов дистанционного управления. Различные ручки и кнопки, прикрепленные к телевизору, имели разные функции. Мы все можем связать кнопку включения системы и вращающуюся ручку регулировки громкости. Сегодня нет ничего более утомительного, чем это, благодаря развитию пультов дистанционного управления.

Один из популярных ученых Никола Тесла был первым, кто изобрел дистанционное управление без проводов в 1898 году. С развитием технологий устройство на основе дистанционного управления может почти контролировать нашу повседневную жизнь в нынешнюю эпоху.

Различные технологии дистанционного управления роботом

Сегодняшние пульты дистанционного управления в основном основаны на следующих базовых технологиях:

Инфракрасная технология

Одним из наиболее часто используемых механизмов управления, используемых в робототехнике, является инфракрасная технология или инфракрасная технология. ИК-пульт когда-то известен как ИК-передатчик и использует инфракрасный свет для отправки сигнала на приемник, встроенный в робота, и это соответствует определенному двоичному коду, который учитывает такие команды, как «увеличение громкости» и т.д. для декодирования инфракрасных импульсов света в двоичные коды для понимания команды и выполнения надлежащих действий.

Радиочастотная технология

Они используют радиоволны для передачи кода через РЧ-передатчик. Современное спутниковое телевидение с такой технологией пультов. С помощью этого пульта дистанционного управления роботами можно легко управлять с большого расстояния, которое позволяет управлять за пределами 100 футов.

Технология распознавания речи

Самый сложный для реализации, но важный актив для улучшения взаимодействия с роботами — это распознавание речи. Задача соответствует анализу фразы, произнесенной в микрофон, для преобразования в письменную форму для дальнейшего использования. Для этого доступны различные API. Модуль Say It — один из самых популярных, в котором можно использовать технологию распознавания речи.

Звуковые технологии

Хотя это отражает сходство с технологией распознавания речи, они все же очень разные. Он больше фокусируется на частоте генерируемых звуков, в то время как первый отвечает за его акустику, а звуки, генерируемые человеком, могут использоваться для программирования для запуска различных приложений.

Сетевые технологии

Как следует из названия, для работы пульта используются разные сети передачи. Он может быть проводным, или пульт дистанционного управления может быть подключен к Ethernet или без проводов, например Wi-Fi, мобильный Bluetooth или точка доступа и т. Д.

Каковы приложения дистанционного управления роботом?

• В космических аппаратах, размещенных в Солнечной системе, обычно используются сложные роботы с дистанционным управлением.
• Роботы с дистанционным управлением позволяют нам выполнять сложные задачи с точностью и точностью.
• Они заметно интегрированы в военные и боевые операции..
• Они используются в различных мерах безопасности.
• Они очень полезны в опасных средах, таких как исследования глубокого моря, космические исследования и т. Д.

Отличаются ли роботы с дистанционным управлением от автономных систем?

Роботы с дистанционным управлением — это автоматические роботы, которые требуют вмешательства человека через систему передатчика и приемника, чтобы заставить их выполнять желаемую функцию. Это сильно зависит от команд хозяина, в данном случае человека, через проводную или не проводную систему.

С другой стороны, автономные системы требуют минимального вмешательства человека. Можно просто включать и выключать его по желанию. Следовательно, мы можем сказать, что дистанционно управляемые роботы являются полусавтономными, но полностью автономный робот все еще является надуманной идеей для этой идеи.

Чтобы узнать больше об автономных системах, НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ