基于PLC的自動(dòng)上料AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎國正

本文設(shè)計(jì)了一款以西門子S7-1200為控制核心的工廠自動(dòng)上料AGV系統(tǒng)，以電磁傳感器檢測路徑鋪設(shè)的電磁線，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)AGV移動(dòng)至生產(chǎn)線指定位置，然后采用自動(dòng)伸縮設(shè)備將物料運(yùn)送至生產(chǎn)區(qū)域。

一、引言

在自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)場，常需要運(yùn)送體積或質(zhì)量較大的工件，傳統(tǒng)的運(yùn)送方式是以電動(dòng)機(jī)傳送帶的方式，但在實(shí)踐中該種方式缺乏一定的靈活性。AGV（Automated Guided Vehicle），即自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車，是移動(dòng)機(jī)器人種類之一，能夠完成將物料按照預(yù)定軌跡搬運(yùn)至指定位置的功能。AGV現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，為生產(chǎn)提供物料搬運(yùn)支持，提高生產(chǎn)效率，尤其在物流產(chǎn)業(yè)中，AGV應(yīng)用越來越普遍。AGV具有可靠性高、運(yùn)輸效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，未來AGV的市場空間更不可估量。

二、AGV系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

AGV在運(yùn)行過程中首先要考慮的是裝載和移動(dòng)。由于AGV負(fù)有載重運(yùn)輸?shù)穆氊?zé)，所以承重能力和動(dòng)力是AGV設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，AGV車體采用厚質(zhì)鋁合金作為車身主材料，以4個(gè)直流減速電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以大電流輸出鋰電池作為供電手段，以達(dá)到AGV載重量不小于20kg的載重標(biāo)準(zhǔn)。

如圖所示為AGV系統(tǒng)整體方案框圖。本設(shè)計(jì)由西門子S7-1200型號(hào)的PLC作為系統(tǒng)控制核心，負(fù)責(zé)接收各路傳感器信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能、驅(qū)動(dòng)升降機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能。電磁傳感器是檢測場所內(nèi)預(yù)先布置好的電磁引導(dǎo)線，以實(shí)現(xiàn)路徑的識(shí)別和關(guān)鍵位置點(diǎn)的偵測。超聲傳感器是檢測AGV周圍障礙情況的傳感器，實(shí)現(xiàn)避障功能。AGV由4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以增強(qiáng)帶載能力，每個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以保障AGV能夠有效運(yùn)行。每個(gè)電機(jī)齒輪傳動(dòng)處，分別安裝1個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的信號(hào)與S7-1200的高速計(jì)數(shù)器模塊相連，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)反饋控制，以控制車速。多錄電源模塊是為整個(gè)AGV系統(tǒng)供電的模塊，不同模塊的供電電壓不同，通過多路電源模塊內(nèi)部的穩(wěn)壓，得到不同的電壓，為傳感器、控制器和執(zhí)行器供電，同時(shí)多路電源模塊內(nèi)包含可充電和可更換的蓄電池。

三、系統(tǒng)硬件關(guān)鍵方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括多路電源模塊、多傳感器模塊電路、電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)電路和PLC外圍電路等設(shè)計(jì)。

1.多路電源模塊設(shè)計(jì)。

電源模塊是電子系統(tǒng)中提供能量的模塊，本設(shè)計(jì)主要包括對(duì)PLC的供電、傳感器供電和執(zhí)行部件的供電。蓄電池采用+72V的鋰電池，鋰電池的特點(diǎn)是輕便、續(xù)航能力強(qiáng)，雖然瞬間帶載能力較差，但是可以通過驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路和軟件控制策略彌補(bǔ)。蓄電池容量為50000mAh。穩(wěn)壓電路電壓等級(jí)包括+24V電壓，為PLC供電；+5V電壓，為電磁傳感器、超聲傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和升降機(jī)采用72V供電，再根據(jù)實(shí)際運(yùn)行功率，采用模擬量控制電壓輸出。

2.傳感器信號(hào)電路設(shè)計(jì)。

傳感器信號(hào)電路的設(shè)計(jì)主要是保證5V信號(hào)轉(zhuǎn)換為24V后輸入至PLC，以電平信號(hào)的方式完成路徑識(shí)別。本設(shè)計(jì)采用光電耦合電路，以光電隔離的方式降低干擾。傳感器選用5V也是為了降低AGV整體功耗。光電耦合電路選用TLP-521芯片，其光電隔離效果好，抗干擾能力強(qiáng)。

3.其他硬件電路方案。

本設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)中硬件電路，優(yōu)先選擇模塊化的集成電路。例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，采用成型的驅(qū)動(dòng)能夠減少電路設(shè)計(jì)和焊接的工作量，且選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)，有利于提升AGV整體的可靠性。在維修方面，集成化的電路模塊一旦出現(xiàn)問題，即可直接更換模塊，而不必整機(jī)維修。

四、系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

對(duì)比常規(guī)以單片機(jī)為控制核心的AGV，采用PLC作為控制核心的AGV在抗干擾能力方面有所加強(qiáng)。S7-1200是目前工廠自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣的一款PLC，其抗干擾能力極強(qiáng)，且I/O點(diǎn)數(shù)較多，內(nèi)部功能模塊十分豐富。在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中，可能包含有電磁干擾、電子干擾等，如果AGV抗干能力不足，極易導(dǎo)致AGV運(yùn)行事故。

軟件方案采用PLC梯形圖控制。上電后，首先系統(tǒng)完成各個(gè)模塊的初始化任務(wù)，隨后完成AGV當(dāng)前狀態(tài)的自檢。自檢無問題后，AGV根據(jù)運(yùn)行軌跡，通過電磁傳感器對(duì)鋪設(shè)好的電磁線路進(jìn)行檢測，當(dāng)反饋路徑信息后，完成運(yùn)行決策的判斷和執(zhí)行，再控制直流減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使AGV實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。超聲傳感器在AGV運(yùn)行時(shí)，隨時(shí)檢查運(yùn)行軌跡中存在的障礙，如果遇到障礙，立即中斷并執(zhí)行避障程序，隨后進(jìn)行應(yīng)急處理，直至AGV將物料運(yùn)送至目的地，完成對(duì)物料的運(yùn)輸任務(wù)。

對(duì)于編碼器輸入捕捉程序的編寫，其目的主要是使直流減速電機(jī)運(yùn)行精準(zhǔn)，避免由于地面打滑、給定值與輸出值誤差大造成的運(yùn)行精度不高的問題。PID程序的編寫是根據(jù)編碼器傳送的信息，計(jì)算出輸出值與給定值的偏差，根據(jù)偏差進(jìn)行比例、積分和微分控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)直流減速電機(jī)的精準(zhǔn)控制。對(duì)于P、I、D三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行試調(diào)，值得注意的是，在調(diào)試時(shí)要盡量根據(jù)AGV在工廠實(shí)際運(yùn)行地面的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免摩擦系數(shù)不同，導(dǎo)致P、I、D系數(shù)的偏差，造成AGV運(yùn)行精度下降。

五、結(jié)束語

本文完成了以PLC為控制核心的自動(dòng)上料AGV的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。未來，AGV可以在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加更多的功能，包括應(yīng)用Zigbee、內(nèi)部組網(wǎng)等方式，可以使更多AGV聯(lián)合運(yùn)作，大大提升生產(chǎn)效率。