基于PLC的AGV車載控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

高平

（無錫信捷電氣股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle），即“自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車”，是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具備移載功能的運(yùn)輸車。在應(yīng)用AGV時(shí)，不需要預(yù)設(shè)運(yùn)行軌道，其對使用環(huán)境也沒有特殊要求，能夠很好地滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求。隨著工業(yè)4.0和智能制造的不斷發(fā)展，AGV已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能倉儲的物料運(yùn)輸中[1]。

1 相關(guān)技術(shù)

AGV小車主要由車體、電池和充電裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置、車載控制器、通信裝置、安全保護(hù)裝置等部分組成，其中AGV車載控制器是整個(gè)AGV的核心部分，是AGV的“大腦”，主要承擔(dān)為AGV導(dǎo)航，控制AGV上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并提供安全防護(hù)的職責(zé)[2]。

目前AGV采用的車載控制器通常分為三類：PLC、工控機(jī)、單板機(jī)。PLC（Programmable Logic Controller），即可編程控制器，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置。早期的PLC主要用來實(shí)現(xiàn)邏輯控制，但隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC不僅有邏輯運(yùn)算功能，還有算術(shù)運(yùn)算、模擬處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。為了適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)業(yè)的需求，有能力的PLC廠家，如國內(nèi)比較出名的匯川、信捷等公司，紛紛推出了自家的高速總線型產(chǎn)品，使PLC具備了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能?；赑LC的AGV車載控制系統(tǒng)，以可編程控制器為核心，通過工業(yè)通信方式與AGV調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互。PLC控制系統(tǒng)將操控指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對AGV的運(yùn)動(dòng)控制[3]。

2 基于PLC控制的AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出一種基于信捷PLC的AGV車載控制系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 基于PLC搭建的AGV車載控制系統(tǒng)

信捷XD5E系列PLC以多軸運(yùn)動(dòng)控制為亮點(diǎn)，雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)，支持現(xiàn)場總線，替代了傳統(tǒng)的Modbus通訊及自由格式通訊，使整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行速度更快，性能更可靠，穩(wěn)定性更好，同時(shí)使得復(fù)雜的配線更加簡單。搭載無線通訊模塊后，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的無線通訊。

本方案中PLC的作用主要包括三個(gè)方面：一是與上位機(jī)之間的通訊，二是與傳感器之間的通訊，三是負(fù)責(zé)順序控制和運(yùn)動(dòng)控制。

PLC：通過無線通訊模塊與上位機(jī)系統(tǒng)和觸摸屏保持通訊，接收任務(wù)指令，向上位機(jī)報(bào)告AGV小車的運(yùn)行位置和工作狀態(tài)；通過車載相機(jī)讀取地面標(biāo)識，接收位置信息；給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)AGV車體做出相應(yīng)的動(dòng)作（改變速度、轉(zhuǎn)向、定位和停車等），從而實(shí)現(xiàn)AGV系統(tǒng)調(diào)度、站點(diǎn)定位、存取貨物等功能；通過避障雷達(dá)、安全觸邊等傳感器，收集環(huán)境信息，通過繞行、減速甚至停車的方式保證AGV小車的安全運(yùn)行。

無線通訊模塊：硬件包括無線網(wǎng)卡和無線AP。無線網(wǎng)卡把AGV小車與無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，無線AP則負(fù)責(zé)將多個(gè)無線的接入?yún)R聚到有線網(wǎng)絡(luò)上。

無線觸摸屏：提供了操作者與AGV系統(tǒng)進(jìn)行友好信息交互的平臺，操作者可以從觸摸屏上看到AGV運(yùn)行狀態(tài)信息和報(bào)警信息，還可以根據(jù)需要，通過觸摸屏切換AGV小車的工作模式。

視覺傳感器：在行駛過程中持續(xù)掃描解析離散鋪設(shè)的QR二維碼，獲取實(shí)時(shí)坐標(biāo)，為系統(tǒng)引導(dǎo)AGV按規(guī)劃路線完成任務(wù)提供坐標(biāo)依據(jù)。

避障雷達(dá)：AGV是工廠中的機(jī)器人工人，其工作區(qū)域與工人的工作區(qū)域往往有重合。因此安全功能是其必不可少的功能。避障雷達(dá)在AGV行走時(shí)自動(dòng)檢測行駛方向上的障礙物，為系統(tǒng)確定減速距離和減速提供依據(jù)。當(dāng)檢測到有障礙物時(shí)，PLC控制AGV主動(dòng)減速，并在發(fā)生碰撞前啟動(dòng)安全保護(hù)模式，停止行走，避免發(fā)生碰撞。

安全觸邊：安裝在車體邊緣，當(dāng)安全觸邊的任一位置被碰撞時(shí)，PLC收到安全觸邊發(fā)出的信號，立即通過低壓伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，使AGV停止行駛，同時(shí)通過聲音、燈光發(fā)出報(bào)警，保護(hù)人員的安全，預(yù)防因?yàn)榕鲎惨鸬腁GV故障或損傷。

低壓伺服驅(qū)動(dòng)器：本方案中，AGV的驅(qū)動(dòng)方式為雙輪差速模式，PLC通過兩套低壓伺服驅(qū)動(dòng)器分別控制兩臺電機(jī)，使小車能夠按調(diào)度系統(tǒng)所發(fā)送的行走命令進(jìn)行動(dòng)作，可前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，可原地旋轉(zhuǎn)到任意角度，可通過調(diào)度系統(tǒng)或者通過按下急停按鈕等人為控制方式實(shí)現(xiàn)AGV小車本體制動(dòng)。小車可雙向行駛，可在低速前行、中速前行、高速前行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、原地轉(zhuǎn)動(dòng)、停止行駛等多種運(yùn)動(dòng)形式中自動(dòng)切換[5]。

其中，信捷PLC、低壓伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的主電路配線如圖2所示。

圖2 PLC、低壓伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的主電路配線圖

PLC通過高速總線連接低壓伺服驅(qū)動(dòng)器。低壓伺服驅(qū)動(dòng)器從PLC獲得相應(yīng)的指令控制及脈沖信號，利用變流及對應(yīng)的控制策略，向電機(jī)輸出對應(yīng)的電壓和電流；同時(shí)依據(jù)編碼器反饋的信號，測量電機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而獲得高精度的運(yùn)動(dòng)控制。

3 基于PLC控制的AGV車載控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

本文方案已成功應(yīng)用于某電子股份有限公司的智能倉儲管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、AGV和揀選工作站構(gòu)成，系統(tǒng)目前包含4個(gè)AGV，如圖3所示。

圖3 AGV實(shí)際運(yùn)用總體結(jié)構(gòu)圖

通過無線WIFI，上位機(jī)將作業(yè)計(jì)劃轉(zhuǎn)化為指令格式，向AGV、工作站發(fā)送相應(yīng)貨位的出入庫作業(yè)指令，同時(shí)也實(shí)時(shí)接收AGV和工作站的作業(yè)方式、狀態(tài)信息及報(bào)警信息，并動(dòng)態(tài)顯示于監(jiān)控界面。建立了從備料需求到領(lǐng)料出庫的全流程的物流管理，實(shí)現(xiàn)“貨到人”的揀選方式。

應(yīng)用結(jié)果表明，AGV車載控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠， 操作便捷，總體性能良好，分揀速度從人均477件/小時(shí)，上升到人均1350件/小時(shí)，作業(yè)效率得到很大提升，很好地滿足了企業(yè)實(shí)際需求。

4 結(jié)語

本文提出一種基于信捷PLC的AGV車載控制系統(tǒng)方案，并將之成功應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際的智能倉儲管理系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果表明，基于PLC開發(fā)的AGV車載控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）PLC的編程方式形象易懂，PLC廠家已經(jīng)完成了大部分底層開發(fā)，需要時(shí)直接調(diào)用即可，不需要記憶大量的指令，能夠縮短開發(fā)時(shí)間。

（2）利用PLC可方便實(shí)現(xiàn)對外部信號的采集以及對外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制，操作便捷，實(shí)時(shí)性好，且維護(hù)方便。

（3）總線型PLC自帶以太網(wǎng)通訊接口，可擴(kuò)展性好，可與無線路由器直接相連，為以后進(jìn)行AGV 數(shù)據(jù)的傳送及遠(yuǎn)程監(jiān)測控制的研究與實(shí)現(xiàn)提供了便捷。

（4）PLC抗干擾能力強(qiáng)，更適用于工業(yè)環(huán)境中的控制要求。

總之，由PLC控制的AGV車載控制系統(tǒng)總體性價(jià)比更優(yōu)，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)控制趨勢。