基于PLC的AGV小車設(shè)計與實現(xiàn)

王逞　魏菡

摘 要：自動化運輸是在組裝、生產(chǎn)以及貨運部門中優(yōu)化物流組織中的關(guān)鍵點之一，它能夠提供一個非常方便的條件以便于完成這項繁瑣的任務(wù)，機械與電子技術(shù)之間的共同作用結(jié)合產(chǎn)生了AGV多功能多價值的產(chǎn)物。其包含了自動控制、信息處理及驅(qū)動技術(shù)等，能夠在各種領(lǐng)域中尤其是物流業(yè)得到了許多認可與應(yīng)用。本文結(jié)合以往學(xué)者的研究及相關(guān)資料查閱，提出了一種新的PLC控制AGV小車的方案設(shè)計與實現(xiàn)，能夠較好地運用到生活中去，同時也為以后學(xué)者的研究提供了參考價值。

關(guān)鍵詞：PLC;AVG;自動化

0 引言

根據(jù)我國現(xiàn)今企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)水平在不斷提升，對各種技術(shù)的要求也不斷嚴(yán)格，即技術(shù)水平需盡快跟進生產(chǎn)需求，而且對目前流行的自動化技術(shù)同時需不斷加深。AGV能夠更好地實現(xiàn)生產(chǎn)需求，幫助物流自動化運輸，是達成一條穩(wěn)定的流水線的關(guān)鍵技術(shù)。AGV在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它可以將零件和各種原材料按照計劃路線運輸?shù)叫枰牡胤?，不需要司機。目前，世界上每個制造大國都在不斷改革物流結(jié)構(gòu)，降低物流成本。AGV幾乎可以應(yīng)用于任何工廠環(huán)境，可以說它在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

在制造業(yè)領(lǐng)域，就亞洲范圍來說，日本和韓國還是較為發(fā)達的國家，AGV作為一種先進的生產(chǎn)技術(shù)，其發(fā)展速度也是驚人的。此后，日本各大廠商意識到AGV技術(shù)的巨大生產(chǎn)潛力，都十分重視AGV技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，發(fā)展初期每年有數(shù)十臺新的AGV機組投入使用。而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日本的AGV在產(chǎn)品規(guī)格、AGV型號、技術(shù)水平和自動化程度等方面都得到了完善。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本設(shè)計對AGV的相關(guān)技術(shù)和控制原理進行了充分地研究和分析，總結(jié)了幾種主要的AGV導(dǎo)航方式和驅(qū)動方案，并詳細、全面地比較了各自的優(yōu)缺點。結(jié)合實際需求，選擇最佳方案。系統(tǒng)設(shè)計主要工作有：

以確?？刂品桨笧榛A(chǔ)，選擇主要的避障模塊、驅(qū)動單元、導(dǎo)航儀與PLC作為本次AGV小車硬件的主要設(shè)計。設(shè)計AGV的供電電路，安裝安全裝置。設(shè)計AGV的控制運算方案，通過運用STEP7來進行編寫AGV的控制程序。

在前期工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計完成了AGV小車的安裝和制造。車身制造完成后，將PLC連接到計算機上，將之前編寫的控制程序下載到PLC上。對軟件和硬件進行了全面的調(diào)試，對調(diào)試中出現(xiàn)的所有問題逐一分析解決，直到AGV能夠按照設(shè)計要求穩(wěn)定運行。

2 設(shè)計方案

2.1 控制系統(tǒng)及導(dǎo)引方式選擇

AGV作為控制系統(tǒng)的“心臟”，承擔(dān)著極其重要的任務(wù)，包括處理與信息的采集收集過程。它能夠?qū)︱?qū)動系統(tǒng)單元發(fā)出信號從而控制汽車的運行動態(tài)，并通過向驅(qū)動單元發(fā)出指令來控制汽車的運行狀態(tài)，做出前進、停車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等步進動作。所以需要根據(jù)預(yù)期的I/O點數(shù)、控制內(nèi)容、指標(biāo)等來選擇合適類型的PLC控制器和相應(yīng)的擴展模塊。

AGV需要配備很好地實現(xiàn)自主導(dǎo)航，故其導(dǎo)航模式是必不可少的。AGV導(dǎo)航裝置主要是由導(dǎo)航與其他傳感器共同構(gòu)成的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)將路面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量或者數(shù)字量。當(dāng)前較為成熟的AGV導(dǎo)航技術(shù)包括磁帶導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等等，在這些導(dǎo)航當(dāng)中，磁帶導(dǎo)航是目前運用最廣泛最為成熟的技術(shù)，即本設(shè)計中也同樣使用磁帶導(dǎo)航。

磁帶引導(dǎo)是指在預(yù)驅(qū)動路徑上直接鋪設(shè)一條寬約50 mm、

厚約1 mm3 mm的磁帶。磁帶周圍會形成一個固定的磁場。通過磁傳感器采集磁場強度信號，實現(xiàn)汽車姿態(tài)的校正和汽車在預(yù)駕駛路徑上的自引導(dǎo)功能。磁條可分為表面粘結(jié)磁條和埋置磁條兩種，表面粘結(jié)磁條和埋置磁條都是由鐵氧體粉末和合成橡膠復(fù)合材料粘結(jié)在一起，然后將這兩種材料復(fù)合成新材料，通過擠出成型等一系列復(fù)雜工藝制成。這些磁條是柔軟的彈性磁條，并且磁條有兩個極性，相同的磁場和相反的磁場，因為在運行過程中需要分別使用相同的磁場和相反的磁場。

通過地面上的磁條由相應(yīng)的磁導(dǎo)設(shè)備實時監(jiān)測。如果AGV運行在正確的軌道上，磁導(dǎo)設(shè)備中的感應(yīng)信號應(yīng)向中間的幾個信號發(fā)出信息。當(dāng)AGV發(fā)生偏差時，磁導(dǎo)設(shè)備的感應(yīng)信號也會發(fā)生偏差。AGV通過實時接收信號來判斷AGV是否偏離路徑。如果有偏差，AGV通過轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)來引導(dǎo)。

2.2 差速驅(qū)動模塊

AGV的差動驅(qū)動模塊由兩部分組成：彈簧懸掛機構(gòu)和驅(qū)動模塊底盤。當(dāng)差動驅(qū)動模塊位于磁道上方時，磁導(dǎo)航傳感器會通過差動驅(qū)動模塊檢測到3～5個數(shù)字信號。通過其內(nèi)部獨立的數(shù)字信號通道，數(shù)字信號將被發(fā)送到PLC，由PLC對接收到的數(shù)字信號進行處理，分析和判斷當(dāng)前車身相對于磁軌的位置。如果磁道不在車身中間，則PLC將向差動驅(qū)動模塊發(fā)送信號。該信號會不斷調(diào)整兩個驅(qū)動輪的速度，使兩個輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而使車身隨時可調(diào)，直到磁道位于中央的行進方向。而一旦磁道到達車體中心，PLC就會加速。驅(qū)動模塊發(fā)送信號，使兩個驅(qū)動輪以相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且AGV沿著指定的軌道運行。AGV差動驅(qū)動模塊本身作為標(biāo)準(zhǔn)化的機械機構(gòu)，不能獨立運行。這種差異速度驅(qū)動模塊通常安裝在四輪車的底盤下方，具有更強的穩(wěn)定性和承載能力。AGV的底盤通過彈簧懸掛機構(gòu)連接到驅(qū)動單元的底盤。通過彈簧懸掛機構(gòu)的伸縮功能可以微調(diào)驅(qū)動輪的高度，此功能可保證兩個驅(qū)動輪始終接觸地面。因此磁性導(dǎo)航傳感器可以隨時收集磁道信號，同時它還可以始終控制AG的方向。差動驅(qū)動模塊的安裝和維護非常簡單，另外，其操作可靠性仍然很高，并且轉(zhuǎn)向速度快速且靈活。普通物料車經(jīng)過簡單修改后，增加了該驅(qū)動程序模塊的安裝也可以成為AGV。

2.3 驅(qū)動方案及供電系統(tǒng)設(shè)計

大多數(shù)采用雙驅(qū)動模式的AGV都是四輪車型。AGV有兩個驅(qū)動輪，兩個驅(qū)動輪兼作方向盤。兩個輪子都配備了電機，以提供動力輸出，并可以自由轉(zhuǎn)向，兩個驅(qū)動自由輪保持平衡。這類AGV可以實現(xiàn)向前逃生、向后和全方位駕駛等功能，其最突出的特點是在駕駛過程中可以根據(jù)要求自由控制自己的身體姿勢，可以實現(xiàn)直線、斜線運行。因此，它可用于狹窄的人行橫道或運動方向非常明確的環(huán)境中。雙驅(qū)動AGV的缺點與差速驅(qū)動的四輪AGV相似。它對地面的平整度有非常嚴(yán)格的要求。由于某些地面有突出物，很容易造成其中一個車輪懸空，使導(dǎo)航儀無法檢測到磁導(dǎo)，影響導(dǎo)航，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。另外，雙驅(qū)動機床的結(jié)構(gòu)比單驅(qū)動和差速驅(qū)動更復(fù)雜，因此生產(chǎn)成本更高。

本次設(shè)計的AGV差速驅(qū)動是位于磁軌道的上方，能夠?qū)Ш絺鞲衅鞑z測出的數(shù)字信號發(fā)送到PLC中去，繼而PLC又將數(shù)字信號經(jīng)過一系列的處理與分析小車與軌道之間的相對位置，PLC可以給差速驅(qū)動不斷發(fā)送信號，從而不斷調(diào)整小車的前進方向，使得AGV是沿著軌道正常行駛。

供電系統(tǒng)是整個AGV的電源保障，一般由蓄電池、充電裝置和安全裝置組成。AGV的整體電源是基于多對象的，可根據(jù)不同對象的電源需求提供電源。

本文設(shè)計中AGV小車采用了鋰電池作為電源。選取鋰電池有以下幾個原因：（1）鋰電池的儲存能量高，可達到450 Wh/kg～600 Wh/kg。（2）鋰電池使用的壽命較長，減少更換時的成本費用。（3）鋰電池具有很好的溫度適應(yīng)性，能夠承受的溫度達到60℃以下正常工作。（4）鋰電池充電速度較快。

2.4 避讓方法設(shè)計

AGV小車的設(shè)計中包含設(shè)計了避讓模塊，它也是在小車行駛過程中一個必要的組成部分。當(dāng)AGV小車在道路中行駛遇到一些障礙物時，其內(nèi)部的避讓模塊會檢測出障礙物的存在，并立刻發(fā)送信號到控制模塊中，經(jīng)過控制模塊的分析，電機將立刻采取剎車，避免小車的碰撞從而造成不必要的損失。

本文設(shè)計采用了PX-2松下障礙物傳感器檢測系統(tǒng)，其具有檢測距離長、防干擾功能、睡眠模式及體積小的優(yōu)點。

2.5 PLC信息處理

PLC通過I/O口獲取磁導(dǎo)航傳感器的信號。16個數(shù)字代表16個磁探頭的輸出信號。一般采集到的磁信號為高電平，未采集到的磁信號為低電平。PLC同時采集15個輸入信號的電平值，通過識別哪些磁探頭檢測到磁信號，進而判斷其是否偏離。如果出現(xiàn)偏差，多個端口的電平信號也可以判斷AGV是向右移動還是向右移動。向左偏移，依次進行相應(yīng)的處理。

由于磁導(dǎo)的制導(dǎo)過程是按照固定的軌道進行的，所以修整和矯直過程是在不偏離磁條的前提下，在磁導(dǎo)系統(tǒng)液位控制器中檢測到的，確定了AGV的電流方向和偏離程度，如果右側(cè)的磁導(dǎo)航傳感器信號為高電平，則AGV應(yīng)向右轉(zhuǎn)，直到磁導(dǎo)向系統(tǒng)的電平信號返回至頭部的中部為高電平為止，表示AGV的路徑軌跡與建立后，當(dāng)前向前移動，AGV必須向左移動，為了恢復(fù)AGV狀態(tài)，應(yīng)轉(zhuǎn)向左側(cè)，直到AGV返回給定的軌跡，因此AGV的磁導(dǎo)過程是不斷調(diào)整的過程車身。從微觀上看，AGV一直在做本地工作。

3 實驗運行

3.1 測試環(huán)境

本次項目所測試的AGV小車在一個鋪設(shè)封閉環(huán)境下軌道50 m，拐彎處半徑為0.6 m的圓弧型狀，其主要目的是測試小車在運行過程中的方位引導(dǎo)能力、避讓方式以及其小車供電運行速度是否達到設(shè)計參數(shù)的指標(biāo)。

3.2 引導(dǎo)能力測試

方法：關(guān)閉AGV，用手撥動小車使其重心線脫離軌道行駛，待小車完全偏離軌道時啟動AGV，觀察小車是否能夠回到運行軌道中。

結(jié)果：在啟動AGV后小車的路徑感應(yīng)器接收到信號，小車能夠在較短的時間內(nèi)回到運行軌道中，但其歸回過程比較曲折。

3.3 避讓方法測試

方法：小車在運行的軌道中任意放置一定的障礙物（板磚、行人、鐵桶），將小車AGV啟動并運行，觀測小車的在運行軌道上當(dāng)遇到障礙物時是否及時停止，觀測小車上報警器是否報警，并測量出小車在遇到障礙物停止時距離障礙物的距離長度。

結(jié)果：AGV小車在運行過程中并不區(qū)分板磚、行人及鐵桶，在距離各類障礙物5 m左右時開始減速并報警器開始報警，當(dāng)距離障礙物2 m左右時停止運行，即小車滿足避讓障礙物的要求。

3.4 小車供電運行速度測試

方法：小車在運行軌道中正常運行，在蓄電池充滿電情況下，每隔1小時測一次小車的運行速度，直至鋰電池消耗完畢，記錄出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

結(jié)果：小車鋰電池共供電18.6 h電池消耗完畢，滿足鋰電池的性能要求。小車的運行速度在前14 h運行速度基本保持不變，當(dāng)超過14 h后，隨著鋰電池的消耗，電壓不足使得小車在軌道中運行速度減慢，即小車在運行過程中超過一定的時間時應(yīng)更換電池。

4 結(jié)語

本設(shè)計是在前人工作的基礎(chǔ)上，對磁帶導(dǎo)引AGV小車的控制方式進行了系統(tǒng)而全面地闡述?？筛鶕?jù)車體與磁道的相對位置進行換車，保證磁道位于車的中心位置。該車響應(yīng)速度快，實時性好，在試運行過程中，AGV具有良好的可控性和較高的性價比，可為今后的研發(fā)提供一定的參考價值。

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