可编程控制器实现洗浴服务机器人控制系统设计.pdf

I 匐 似 可编程控制器实现洗浴服务机器人控制系统设计 Pr ogr am m abl e l ogi c cont r ol l er bat hi ng s er vi ce r obot cont r ol s ys t em desi gn 邵麦顿‘ ，姚旭东 ，葛玻’ ，张庆华 SHAO Mai． d u n ，YAO Xu ． d o n g ’ ， GE Bo ’ ， ZH ANG Qi n g ． h u a 1 ． 洛阳理工学院 电气工程与自动化系，洛阳 4 7 1 0 2 3 ；2 ． 洛阳圣瑞机电技术有限公司，洛阳 4 7 1 0 0 0 摘 要以可编程序控制器为核心，实现洗浴服务机器人工作过程的控制 ， 输入控制信号通过触摸屏控 制输出，再经扩展接口电路和光电隔离器后 ，输入可编程序控制器的输人端，通过内部控制 程序的运行输出相应的控制信号，由输出控制信号控制各路水路的电磁阀门，按照约定的洗 浴模式和洗浴过程实现相应的控制动作 ，通过程序的编制实现某一洗浴模式的单独运行和连 续运行，各种洗浴模式的控制设定及完成 ，通过触摸屏和可编程序控制器组成的控制系统运 行完成。可编程序控制器控制系统具有稳定性及抗干扰性能高等优点 ，完成控制各路阀门的 优势优为突出，整个控制系统的控制运行性能稳定、可靠，操作简单方便。 关键词可编程序控制器；洗浴机器人；控制系统 ； 设计 中图分类号T P 3 0 1 ． 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 4 下 -0 0 7 0 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 4 下 ． 2 1 0 引言 随着人 民生活水平的不断提高 ，我国已经进 入 了老龄化社会 ，未来将会有更 多的老年人进入 老年福利机构养老 。老年人往往行动不便 ，无论 在 养老院还 是在家庭 养老 ，老年人卫生护理及洗 浴都 是老年人服务 业所关心 的一个 问题 。因此 ， 开发 面向老年人 的个人卫生护理机器人 ，实现洗 浴服务过程 的 自动化 ，减轻服务人 员的劳动强度 就显得尤为重要u 。 可编程序控制器作 为 自动化控制技 术的核 心 器件之一 ，用于实现洗浴服务机器人洗浴过程 的 控 制 系统设 计 ，主 要实 现洗 浴 、洗 发 、干 身 、 按摩和康复等功能一体化 。按照人们通常的洗浴 过程分析 ，设计 出服务于老年人的洗浴服务机 器 人 ，由于洗浴过程的控制对象主要是水泵 电机 和 水路的 阀门的电磁线 圈，因可编程序控制器性能 稳定 ，运行可靠 ，抗干扰性能高等优点 ，为使整 个控制 系统的运行稳定 、可靠和更加安全 ，所以 采用可编程序控制器为核心以控制系统对象，配 以触摸屏控制 ，实现整个系统的控制 ，操作简单 方便 ，更易修改洗浴过程的程序 l 3 】 ，整个系统的 设计控制过程分析如下。 1 洗浴控制模式功能分析 整个洗浴控制模式分为四种 1 洗身 该种控 制模 式下 ，洗 浴服 务对象 仅对整个身体进行浸泡洗浴 ，进水仅下进水 口进 水 ，且洗头功能不进行 ；按照洗浴过程完成各个 动作环节 。当洗浴人进入浴舱 后，由监护人 员或 洗浴者本人关好浴缸 侧门，启动洗浴按钮 ，并通 过温度调节按钮调整合适 的水温 ，在温水注入到 合适 的水位 后， 自动停止进水 。系统进入定时浸 浴阶段 ，并按照洗浴程序进行洗浴 ，洗浴 完成后 停止。 2 喷淋 在喷 淋控 制模 式下 ，洗浴服 务对 象采取 上、下喷淋 进水方式对洗浴 者身体 喷淋 冲 洗 ，洗头部分仍不工作 ，运行喷淋 洗浴程序 ，实 现 喷淋 洗浴过程 。可先调整好水 的温 度，在喷淋 功能模 式下，系统 自动 打开浴池上 、下 方的电磁 阀 门，同时打开最下面的排水阀， 由上、下方的 喷淋 阀对 人体 进 行全 面 的喷淋 清 洗 ，清洗 干 净 后 ，打开具有一定压力的热空气阀门 ，对洗浴人 体进行热烘干 ，烘干结束后停止。 3 全洗浴 该模式是洗身模式和喷淋模式的 连续功能运行模式 ，先执行洗身浸泡模式 ，而后 继续喷淋模式洗浴，上下进水 口均进水。 4洗 头 洗头模 式下 ，控 制 系统控制 洗头 部位器件工作 ，按照确定的洗头工艺实现洗头过 收稿日舶2 0 1 2 -1 2 -1 9 基金项目国家高技术研究发展计划 “ 8 6 3 ”计划资助项 目 2 0 0 8 A A 0 4 O 2 0 8 作者简介邵麦顿 1 9 6 4一，男，河南洛阳人，副教授，硕士，主要从事 自动化控制方面的研究。 【 7 O 】 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 4 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 甸 似 程 ，洗头模式和洗身及洗浴模式可 以各 自单独工 作运行 ，由洗浴人 员选择确定 。先用调整好温度 的水湿润头发 ，再用混合有洗发液的温水冲洗头 发 ，在温水注入到设定值后 ，系统 自动关 闭进水 阀 门，启动循环水装置 ，在设定 的时 间内用混合 液体反复冲洗头发 ，洗发过程结束后 ，系统 自动 打 开排水阀 ，排掉污水 ；同时打开干净温水进行 冲洗 ，冲洗过程结束后 ，停止冲洗 ，打开热风控 制装置烘干头发，结束洗发过程。 洗浴 、喷淋和洗发模式 ，可根据 人体 需要 ， 结合所用洗浴液或洗发液的性质 ，在与水的混合 时 进 行科 学配 比，并 合理 选择 控 制水 温 、时 间 等洗浴参数 ，以达 到最佳洗浴 效果 。在整个 控制 系统 中，为安全 期间要求供应 的热水温 度不 超过 5 0 ℃，控制在安全温度范 围内。同时对于老年人 的洗浴或洗发全过程要进行实时监 测或服务 ，以 防止人身和设备发生意外 ，若 有紧急情况可发 出 呼叫报警 ，洗浴结束后需人工清理消毒浴仓。 根据 以上控制洗浴过程 的分析 ，设计整个控 制过程的控制顺序功能图如 图 1 所示口 一 。 图1 控制过程顺序功能 图 2 分析设计输入／ 输出控制信号及地 址编号 依据洗浴控制过程 的需要 和控制要求 ，分析 在各种 模式下 ，需要设定的输 入控制信号和输 出 控制信号 。输入控制信号及地址编号如表 1 所 示，输出控制信号及地址编号如表 2 所示。 表1 输入控制信号及地址编号表 输入控制动作 符号 编号 洗浴开 始 S B 0 X0 洗浴停止 S B1 X1 洗浴全程 S B 2 X2 洗身 S B 3 X3 淋浴 S B 4 X 4 洗头 S B 5 X5 确认模式 S B 6 X6 呼 叫报警 S B 7 X7 温度升高 S B 8 X1 0 温度降低 S B 9 Xl 1 洗浴 水上 限检测 S Ll X1 2 洗浴水下 限检测 S L 2 X1 3 洗头 水上 限检测 S L 3 X1 4 洗头 水下 限检测 S L 4 X1 5 表2 输出控制信号及地址编号表 输出控制动作 符号 编号 直流 电源指示灯 E L Y 0 进水混合 阀正转 Q1 Y 2 进水混合 阀反转 Q 2 Y3 洗浴水泵 电机 K M1 Y 4 洗头水泵 电机 K M2 Y 5 洗头喷水架 电机正转 KM3 Y6 洗头喷水架 电机反转 K M4 Y 7 水循环输入控 制阀 YV1 Y1 0 通气控制 阀 YV 2 Y1 1 洗浴下 喷淋 阀 YV 3 Y1 2 水循环输出控制阀 YV 4 Y1 3 洗浴 液进 入控 制阀 YV 5 Y1 4 烘干通气控制 阀 YV 6 Yl 5 洗头进水 阀 YV 7 Y1 6 洗头循环水 阀 YV 8 Yl 7 洗头排水 阀 YV 9 Y2 0 洗头液控制 阀 Y Vl 0 Y2 1‘ 洗头烘干控制 阀 Y Vl l Y2 2 洗浴排水 阀 Y V1 2 Y 2 3 洗浴进水 阀 Y V1 3 Y2 4 洗浴上喷淋进水阀 Y V1 4 Y2 5 超声波控制信号 KA Y2 6 3 控制线路原理图的设计 依据输 入控制信号和输 出控制信号及相应地 第3 5 卷第3 期2 o 1 3 0 4 下 [ 7 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 址编号 ，可编程序控制器的控制 系统工作原理 ， 设计控 制线路原理 图如图2 所示 】 。控制过程如 下 1 洗浴的热水源 由系统外管路提供 ，洗浴控 制 系统仅通过触摸屏按温度增加或减小按钮 ，调 节进水混合 电动控制 阀，由电动控制 阀旋转方 向 及角度调节混合水的 比例 ，达到调节热水的温度 目的 ，具体洗浴水温度的舒服程度 由洗浴者 自己 感觉调节。 2 按下总电源启动按钮S B0 后，方可提供直 流2 4 V和5 V电源， 控制可编程序控制器方可工作 ； 如有紧急情况 ，按下紧急红色停止按钮S B1 ，可停 止整个控制系统工作；若按下报警信号按钮S B 7 ， 系统发出报警呼叫救助 。 3 洗浴控制的控制命令信号 ，通过触摸屏控 制输 出 ，经接 口扩 展电路和光 电隔离后 ，输入可 编程 控制器输入端 ，可编程序控制器检 测到输入 信号后 ，运行程序输 出相应控制信号 ，控制输 出 对象 墙 。 4 超声波净化功能 由超声波模块电路完成， 可编程序控制器仅输出控制信号Y2 6 ，控制相应模 块 电路 。 5 为提高系统工作的可靠性和稳定性及安全 性 ，可编程序控制器单独接地 ；输 出控制的直 流 电磁 阀线圈均反向并接续流二极管u 】 。 尹 一 、 “ 。 I t ． - 1 J J 1 囊 * I j v 6 I盈 ⋯ 野 Ftn 瞳 面 I_1 。 匕I I l广 I l l l e6 {L 21e t31 , “ I I l l l l I I l L N C。M Y C oM 0 1 2 3 4 5 6 7 1 O”1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 2 0 2 3 2 4 2 5 笛2 7 F X H8 MR O 1 2 3 CO l d 2 4 5 6 7CO d 3 1 0 l |1 2“c 1 5 1 8 1 7 c伽5 ∞2 1 为 抽嚣笥打 1 巾 由 l l 坤 ⋯ I I I I I I I I 丘 I ～ 一 口 ⋯ ⋯ ． ⋯ ． 【 】 I ． II． ‘ O1 图2 控制线路原理图 1 “ 7 2 ] 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 4 下 4 控制系统程序设计 依据洗浴过程的顺序功能图和接线原理图，设 计触摸屏控制 系统的控制信号输 出程序设计依据 可编程序控制器梯形图的设计方法和设计规律，设 计系统的控制梯形图程序，并完成调试口 坷 】 。 5 结论 洗浴 服务机 器人洗浴服务控制 系统 ，采用触 摸屏和可编程序控制器 结合共 同控制 ，实现优势 互补 ，触摸屏体积下且操作 简单方便 ，可编程序 控制器抗干扰性能优越 ，特别适合于水路 电磁 阀 线 圈的控制 ，缩小 了整个控制 系统 电气线路 的体 积 ，降 低了控制成本 。整个控制 系统经过调试运 行 ，性能稳定可靠 ，调试修 改程序方便快捷 ，完 成控制要求 ，并且可 以实现与P C 机的联网，达到 既实现优化控制又提高了系统的各项性能 。 参考文献 【 I 】邵麦顿， 姚旭东， 张庆华． 单片机实现洗浴服务机器人的控 制系统设计 [ J ] ． 电子设计工程， 2 0 1 1 ， 1 9 1 1 8 5 - 8 9 ． 【 2 】裘雪红， 李伯成， 刘凯． 微型计算机原理及接口技术 第二 版【 M】 ． 西安 西安电子科技大学出版社， 2 0 0 7 2 6 0 3 1 5 ． [ 3 ]3 廖常初． 可编程序控制器应用技术[ M】 ． 重庆 重庆大学出 版社， 2 0 0 7 ． [ 4 ]廖常初 ．F X系列P L C编程及应用【 M】 ． 北京 机械工 业出版 社， 2 0 0 5 ． [ 5 】李仁． 电器控制 【 M】 ． 北京 机 械工业出版社， 1 9 9 0 ． 【 6 ]6 王整风， 陆勤， 谢云敏． 可编程控制器原理 与实践教程 【 M】 ． 上海 上海交通大 学出版社 ，2 0 0 7 ． 【 7 】黄贤武， 郑筱霞， 曲波， 等． 传感器实际应用电路设计I M] ． 成都 电子科技大学出版社， 1 9 9 7 4 4 5 ， 1 0 6 1 8 7 ． 【 8 】杭 和平． 单 片机原理与应用【 M】 ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 8 5 6 9 5 ． 【 9 ]9 韩征峰， 尚振东， 胡志刚， 周志立． 超声波技术在个人卫生 护理机器人 中的应用[ J ] ． 2 0 1 1 , 2 8 9 1 0 9 8 1 1 0 5 ． [ 1 0 】 邵麦顿． 提高可编程序控制器可靠性措施分析[ J 】 ． 工业控 制 计算机， 2 0 0 6 ， 1 9 1 7 2 7 4 ． 【 1 1 】 MI TS UBI S HI EL ECTRI C CORP C I RAT I ON ． F X S e r i e s P r o g r a m ma b l e Co n t r o l l e r s Pr o gra mmi n g M a n u a l ， 2 0 0 0 ． 【 1 2 】 C a r r e i r a J , Ma d e i r a H a n d S i l v a J G． X c e p t i o n A t e c h n i q u e f o r t h e e x p e r i me n t al e v a l u a ti o n o f d e p e n d a b i l i t y i n mo d e m c o mp u t e r s ． I E EE T r an s a c t i o n s o n S o f t wa r e En g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 2 4 2 1 2 5 1 3 6 S C HO F I E L D M． C l e a n i n g r o b o t s t h e n e e d f o r an I n d u s t r i a l c e n e d a p p r o a c h t o a u t o n o my a n d e x t e n d e d s y s t e ms t h i n g i n g [ C ] ． 2 0 0 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m