18_Bereska.pdf

Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe

(23) nr 1, 2008

Damian BERESKA

Radosław BALCEWICZ

Maciej GARCZYŃSKI

IMPLEMENTACJA MAGISTRALI CAN

I PROTOKOŁU CANOPEN W ROBOCIE EDUKACYJNYM

Stre sz cze nie : W artykule przedstawiono implementację magistrali CAN i protokołu CANope n w

układzie sterowania robota edukacyjnego o sześciu stopniach swobody, będącego na w yposażeniu laboratorium

robotów przemysłowych Za kładu Sterowania i Robotyki Politechniki Śląskiej. Opisywany układ sterowania

został zaprojektowany z uwzględnieniem szczególnych wymagań stawianych stanowiskom dydaktycznym. Cała

logika robota została skupiona w sterowniku PLC programowanym zgodnie z normą IEC 61131, wyposażonym

w interfejs CAN oraz protokół CANopen. Dla potrzeb robota zostały zaprojektowane moduły we/wy CANopen

z enkoderów inkrementalnych, oraz moduły CANopen do sterowania silnikami krokowymi z rozbudowaną

kontrolą wyłączników krańcowych. W pracy przedstawione zostały: architektura sprzętowa, opis

oprogramowania, a także aspekty dydaktyczne zastosowanego rozwiązania. Wnioski końcowe zawierają

podsumowanie wdrożenia projektu, analizę kosztów przyjęte go rozwiązania oraz ocenę wartości dydaktycznej

na podstawie przeprowadzonych zajęć laboratoryjnych.

Słowa kluczowe: magistrala CAN, s terownik P LC, układ sterowania robota.

1. WPRO WADZENIE

Przedmiotem artykułu jest opis prac, jakie zrealizowano przy przebudowie

stanowiska robota L1, będącego na wyposażeniu laboratorium podstaw robotyki Instytutu

Automatyki Politechniki Śląskie j. Celem tych działań była modernizacja stanowiska

i podniesienie jego możliwości edukacyjnych.

Robot edukacyjno-przemysłowy L1 jest wyposażony w manipulator o sześciu

stopniach swobody. Trzy pierwsze człony manipulatora są członami przesuwnymi,

skonfigurowanymi w układ kartezjański, a trzy kolejne stopniami obrotowymi tworzącymi

kiść robota zakończoną chwytakiem. Manipulator podczas pracy przemieszcza się nad stołem

roboczym, który stanowi jednocześnie podstawę części mechanicznej robota (rys.1).

Rys.1. Widok zmodernizowanego stanowiska robota L1

Dr inż. Damian BERESKA – Instytut Automatyki, Politechnika Śląska, Gliwice

mgr i nż. Radosław BALCEWICZ , mgr inż. Maciej GARCZYŃSKI – CLANET, Gliwice

Damian BERESKA, Radosław BALCEWICZ, Maciej GARCZYŃSKI

Ur ządzenie napędzane jest silnikami krokowymi. Specyfika pracy takich silników umożliwia

zastosowanie prostego sterowania w torze otwartym. Fakt ten został wykorzystany

w pierwotnie zastosowanym układzie sterowania robota.

Omawiany układ sterowania robota L1 składał się z dwóch części: komputera

sterującego klasy PC oraz kasety sterującej, w której znajdowały się moduły zadajników oraz

wzmacniacze mocy. Komputer sterujący miał zainstalowane oprogramowanie pracujące pod

kontrolą systemu MS-DOS, z zaimplementowanym interpreterem specyficznego języka,

podobnego składnią do LOGO. Wyposażony był także w dwa porty szeregowe RS-232 do

komunikacji z zadajnikami silników [1] oraz przejściówkę podłączaną do portu LPT

zapewniającą kontrolę nad chwytakiem. Oprogramowanie generowało odpowiednie komendy

dla zadajników, z których każdy kontrolował ruch trzech osi manipulatora. Zadajniki

przetwarzały komendy na sygnały dla sześciu wzmacniaczy końcowych, zadaniem których

było wysterowanie uzwojeń silników krokowych. W ten sposób komenda sterująca

zamieniana była na ruch odpowiedniego członu robota.

2. MODYFIKACJA STANOWISKA DYDAKTYCZNEGO

Jak zaznaczono we wstępie, oryginalna konstrukcja układu sterowania robota nie

przewidywała wykorzystania sprzężenia zwrotnego od położenia osi silników napędowych.

Z tego powodu nawet chwilowe zablokowanie zdolności ruchu ramienia (np. w wyniku

zacięcia narzędzia lub błędu w programie) skutkowało przejściem do stanu nieustalonego,

który wymagał ponownego pozycjonowania ramienia oraz uruchomienia wykonywanego

programu od początku. Jedynym zabezpieczeniem poprawnego działania maszyny był ciągły

nadzór operatora. Jego ewentualna reakcja w sytuacji awaryjnej często sprowadzała się do

odcięcia źródła zasilania.

wyniku

przeprowadzonych

konsultacji

podjęta

została

decyzja

o unowocześnieniu stanowiska, z określeniem następujących wymogów i założeń:

¾ ingerencja w część mechaniczną robota powinna być minimalna,

¾ należy wykorzystać istnie jące wzmacniacze końcowe silników,

¾ sterowanie ma zostać oparte o nowoczesny sterownik przemysłowy PLC,

¾ środowisko programistyczne sterownika musi umożliwiać prowadzenie zajęć

dydaktycznych,

¾ wprowadzone zmiany muszą uwzględniać specyficzne wymagania stawiane

urządzeniom, z którymi pracują ludzie niedoświadczeni,

¾ system powinien umożliwiać rozbudowę o dodatkowe komponenty.

Dodatkowo modernizacja stanowiska musi poprawić poziom bezpieczeństwa

obsługi oraz ograniczyć lub wyeliminować sytuacje, w których nieprawidłowe wysterowanie

mogłoby doprowadzić do uszkodzenia. Ponadto musi swoją konstrukcją nawiązywać do

rozwiązań stosowanych w układach automatyki przemysłowej – tak, aby zdobyte przez

studentów doświadczenie mogło być w przyszłości wykorzystane w pracy zawodowej.

3. REALIZACJA ZADANIA

Po uwzględnieniu wszystkich stawianych wymagań oraz mając na uwadze

ograniczony budżet projektu, jako rozwiązanie docelowe wybrano układ sterowania, którego

elementy komunikują się ze sobą poprzez magistralę CAN.

Implementacja magistrali CAN i protokołu CANopen w robocie edukacyjnym

Zaproponowano następujące elementy składowe zrealizowanego układu sterowania:

¾ sterownik przemysłowy XC-100 firmy Moeller,

¾ zintegrowane środowisko programistyczne Xsoft,

¾ biblioteki obsługi robota z otwartym kodem źródłowym,

¾ szyna danych CAN łącząca sterownik z częścią wykonawczą,

z zastosowaniem CANopen jako warstwy spinającej komponenty stanowiska.

Przewidziano

także następujące modyfikacje poszerzające funkcjonalność

stanowiska robota L1:

¾ uzupełnienie mechanicznej części robota o enkodery na osiach silników,

¾ zabudowa elementów systemu sterowania na standardowym stojaku

przemysłowym,

¾ sprzętowe zabezpieczenie przed próbami przesunięcia manipulatora poza

obszar pracy.

Rys.2. Schemat logiczny stanowiska robota L1

3.1. Komponenty systemu

¾ moduł enkoderów - realizuje funkcje sześciu urządzeń logicznych,

widocznych dla sterownika PLC jako niezależne porty I/O. W celu

zredukowania okablowania, które musi podążać za ramieniem, zastosowano

centralkę zbierającą sygnały z enkoderów i wyłączników krańcowych. Sam

moduł został zamontowany na podstawie robota, natomiast zasilanie

komponentu jest zrealizowane przez wolne żyły kabla magistrali CAN.

¾ moduły zadajników - podobnie jak w rozwiązaniu przed modernizacją

zastosowano dwa zadajniki, przy czym każdy z nich realizuje funkcje trzech

urządzeń logicznych. Takie rozwiązanie pozwoliło na zabudowę zadajników

w kasecie wzmacniaczy i ograniczyło ingerencję w je j układ elektryczny do

minimum. Zasilanie zapewniają same wzmacniacze, przystosowane

do współpracy z cyfrowymi systemami sterowania. Wiązki przewodów

silników robota pozostały niezmienione, wykorzystano jedynie pozostałe

wolne pary do podłączenia dodatkowych wyłączników krańcowych.

Okablowanie to jest niezależne od magistrali CAN.

Damian BERESKA, Radosław BALCEWICZ, Maciej GARCZYŃSKI

Rys.3. Struktura i rozmieszczenie modułów układu sterowania robota L1

¾ sterownik PLC - sterownik XC-100 jest przymocowany do listwy

montażowej na stojaku. Takie rozwiązanie umożliwia łatwy dostęp do złącz

i wyłączników na jego obudowie. Podyktowane jest także koniecznością

podłączenia do sterownika magistrali CAN, zasilania oraz kabla

umożliwiającego modyfikowanie programu PLC ze środowiska

uruchomieniowego. Dodatkowym osprzętem sterownika są dwa przekaźniki,

sterowane bezpośrednio z wyjść na jego płycie czołowej, służące do obsługi

chwytaka zamocowanego na ramieniu robota. Chwytak jest elementem

opcjonalnym i wymaga osobnego źródła zasilania.

¾ zasilacze i przekaźniki - główna listwa 220V wraz z zasilaczami

niskonapięciowymi oraz przekaźniki chwytaka są umiejscowione na stojaku w

okolicy sterownika.

¾ pulpit sterujący, wyłącznik bezpieczeństwa - pulpit jest osobnym modułem

podpiętym do magistrali CAN. Wyposażony został w zestaw przełączników

i la mpek sygna lizacyjnych, zaś je go oprogramowanie leży w gestii

programisty piszącego aplikację PLC. Przykładowo pulpit można wykorzystać

jako kontroler w trybie pracy ręcznej manipulatora.

Wyłącznik bezpieczeństwa jest także elementem logicznym. By uniknąć

sytuacji, gdzie brak jego obsługi byłby zagrożeniem dla operatora lub sprzętu,

wciśnięcie przycisku jest także interpretowane przez zadajniki silników, które

są w stanie natychmiast przerwać pracę i zatrzymać robota.

¾ komputer PC - komputer z zainstalowanym oprogramowaniem XSoft,

pozwalającym w łatwy sposób zaprojektować aplikacje dla sterownika PLC.

XSoft - dedykowana wersja oprogramowania CodeSys - zapewnia pełną

kontrolę nad procesem wdrażania oprogramowania, dzięki zintegrowanemu

edytorowi i debuggerowi ze zdolnością śledzenia stanu sterownika w czasie

rzeczywistym [2]. Komputer może być także wykorzystany jako platforma do

wizualizacji realizowanego procesu.

Taka koncepcja umieszczenia komponentów oraz sposób ich zasilania, pozwoliła na

połączenie części mechanicznej i sterującej robota pojedynczą wiązką przewodów.

Implementacja magistrali CAN i protokołu CANopen w robocie edukacyjnym

Wykorzystano do tego celu kabel ekranowany z żyłami o grubości gwarantującej poprawną

transmisję i zapewniającej pomijalny spadek napięcia na liniach zasilających. Zakończenia

kabla są wykonane zgodnie z przyjętymi standardami transmisji CAN w oparciu o złącza

D-SUB, mocowane śrubami do gniazd [3]. Wybór medium jest o tyle istotny, że

w warunkach zajęć laboratoryjnych połączenia te są narażone na przypadkowe szarpnięcia

czy przygniecenia ze strony niedoświadczonej obsługi stanowiska.

3.2. Struktura logiczna

Komunikacja między sterownikiem XC-100 i elementami systemu została

zrealizowana w oparciu o protokół CANopen [4]. Z punktu widzenia PLC zewnętrzne

moduły są widoczne jako wirtualne porty I/O, z których korzysta się w ten sam sposób co z

portów fizycznych. Wymianę danych zapewnia cykliczny obieg pakietów CAN, odbywający

się bez udziału i ingerencji aplikacji użytkownika. Przygotowanie systemu do pracy ogranicza

się do wczytania odpowiedniego pliku konfiguracyjnego dla każdego logicznego elementu,

z którego programista zamierza skorzystać – wymagana jest jedynie znajomość ich adresów,

które dla uproszczenia są powiązane z numeracją silników robota.

Aby umożliwić szybkie i sprawne prowadzenie zajęć z grupami studentów o różnym

stopniu zaawansowania, powstała biblioteka procedur dla PLC przyspieszająca tworzenie

aplikacji sterującej. Ponieważ ćwiczenia z robotem edukacyjnym są też często pierwszym

kontaktem ze sterownikiem przemysłowym, procedury zostały podzielone na nisko-

i wysokopoziomowe. Dzięki tym pierwszym można logicznie połączyć sterowanie silnika

z odczytem enkodera, zaś te drugie emulują funkcjonalność języka sterującego ruchem

robota, który był stosowany w oryginalnym rozwiązaniu. Należy tu podkreślić iż obie

warstwy są oparte o ten sam kod co główna aplikacja PLC i mogą być dowolnie

modyfikowane, w zależności od potrzeb, także przez studentów w ramach zajęć. Jest to więc

połączenie trzech elementów dydaktycznych w jednym projekcie: kontroli nad robotem,

sterownika PLC, oraz protokołu CANopen i magistrali CAN – z których każde może być

przedmiotem zajęć i wymaga jedynie minimalnego przygotowania teoretycznego.

Zakładając wykorzystanie bibliotek, do dyspozycji programisty są następujące

struktury i sygnały sterujące:

enkoder

¾ odczyt pozycji względnej,

¾ lic znik położenia bezwzględnego,

¾ sygnał zerowania licznika,

silnik

¾ wybór kierunku ruchu,

¾ zadanie prędkości ruchu,

¾ sygnał ograniczenia prądu uzwojeń,

¾ odczyt stanu wyłączników krańcowych,

chwytak

¾ sygnał otwarcia/zamknięcia,

¾ potwierdzenie wykonania.

Dzięki wbudowanym w CANopen mechanizmom ochrony, przypadkowe odłączenie

któregoś z elementów systemu jest natychmiast wykrywane i sygnalizowane. Już sam ten fakt

stanowi o znaczącej poprawie parametrów stanowiska w stosunku do jego pierwotnej wersji.

Rozwiązanie polegające na zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego między silnikiem

a czujnikiem pozycji przez program PLC nie jest często spotykane, ale stanowi doskonałe

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: