基于RFID和磁導(dǎo)航的AGV小車S7-1200PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏華成 宋國(guó)翠 蔡文鑫

摘? 要：該項(xiàng)目利用S7-1200PLC作為AGV主控制器，采取驅(qū)動(dòng)輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，采用磁導(dǎo)航傳感器和RFID標(biāo)簽傳感器實(shí)現(xiàn)循跡和定位功能，實(shí)現(xiàn)AGV小車在立體倉(cāng)庫(kù)、VMC850數(shù)控加工中心、CK40S數(shù)控車床、RB20工業(yè)機(jī)器人、裝配單元之間產(chǎn)品的搬運(yùn)功能。

關(guān)鍵詞：AGV；S7-1200PLC；驅(qū)動(dòng)輪差速控制；磁導(dǎo)航傳感器；RFID標(biāo)簽傳感器

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0034-04

Abstract： The project uses S7-1200PLC as the AGV main controller， adopts drive wheel differential to control steering， uses magnetic navigation sensor and RFID tag sensor to realize tracking and positioning functions， and realizes the product handling function of AGVs in three-dimensional warehouse， VMC850 NC machining center， CK40S NC lathe， RB20 industrial robot and assembly unit.

Keywords： AGV; S7-1200 PLC; drive wheel differential control; magnetic navigation sensor; RFID tag sensor

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車），是一種能夠在工業(yè)環(huán)境中自主導(dǎo)航、感知周圍環(huán)境并執(zhí)行物料搬運(yùn)或其他任務(wù)的機(jī)動(dòng)車輛。通過(guò)自動(dòng)化、智能化和自主導(dǎo)航的特征，AGV能夠減少人工操作，提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高工作安全性和品質(zhì)穩(wěn)定性，因此在智能產(chǎn)線物料搬運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)物料搬運(yùn)、智能物流運(yùn)輸和自動(dòng)分送藥品等行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

AGV采用可編程邏輯控制器（PLC）控制具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、集成性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使PLC成為控制AGV小車的理想選擇，可以實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)控制和運(yùn)行。由于PLC可擴(kuò)展性好，可添加多種功能模塊，因此易于擴(kuò)展AGV功能，同時(shí)PLC有多種通信方式，易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和系統(tǒng)集成[1]。

本項(xiàng)目為四齒魔方智能制造產(chǎn)線，主要包括主控單元、立體倉(cāng)庫(kù)、VMC850數(shù)控加工中心、CK40S數(shù)控車床、RB20工業(yè)機(jī)器人、裝配單元、AGV小車。AGV小車用于各單元間物料的搬運(yùn)，AGV采用S7-1200PLC進(jìn)行控制。

1? AGV控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

AGV控制系統(tǒng)主要由S7-1214C DC/DC/DC控制器、傳感器、觸摸屏、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源和報(bào)警器等部分組成，控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。上位機(jī)控制器采用S7-1511型PLC，AGV控制器采用TL-CPE300D工業(yè)級(jí)雙頻無(wú)線客戶端模塊，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的S7無(wú)線通信。上位機(jī)將任務(wù)類型、目標(biāo)工位、任務(wù)號(hào)、充電控制和移栽控制等控制信號(hào)發(fā)送給AGV控制器；AGV控制器將小車工作模式、小車工作狀態(tài)、小車行走方向、小車當(dāng)前速度、小車充電狀態(tài)和小車電池電量等信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)。

2? AGV循跡與定位方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中AGV驅(qū)動(dòng)輪采用4輪結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，如2輪或3輪結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定性更好、載荷能力更高、轉(zhuǎn)彎半徑更小、操控性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。本項(xiàng)目AGV底部結(jié)構(gòu)如圖2所示，采取驅(qū)動(dòng)輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，采用磁導(dǎo)航傳感器和射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽傳感器實(shí)現(xiàn)循跡和定位功能。

2.1? AGV差速轉(zhuǎn)向原理

AGV差速轉(zhuǎn)向是指通過(guò)分別控制左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作的一種原理。設(shè)某一時(shí)刻如圖3所示，O為AGV的瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)，ω為轉(zhuǎn)角速度，VL為左驅(qū)動(dòng)輪速度， VR為右驅(qū)動(dòng)輪速度，V為輪中心速度，D為輪距，R為轉(zhuǎn)向半徑，則當(dāng)AGV轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)軌跡為一段圓弧，依據(jù)左右兩驅(qū)動(dòng)輪角速度相等得出式（1）[3]。

從上面的等式可以得知：當(dāng)AGV左驅(qū)動(dòng)輪速度等于右驅(qū)動(dòng)輪速度時(shí)，AGV會(huì)直行；當(dāng)AGV左驅(qū)動(dòng)輪速度大于右驅(qū)動(dòng)輪速度時(shí)，AGV會(huì)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)右驅(qū)動(dòng)輪速度的轉(zhuǎn)速大于左驅(qū)動(dòng)輪速度時(shí)，AGV會(huì)向左轉(zhuǎn)。因此通過(guò)調(diào)節(jié)控制左右2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)AGV車體的直線行駛、左右轉(zhuǎn)向行駛等不同的運(yùn)動(dòng)。

2.2? 磁導(dǎo)航傳感器

磁導(dǎo)航傳感器具有一到多組微型磁場(chǎng)探測(cè)器，且每個(gè)磁場(chǎng)探測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，可探測(cè)地面行進(jìn)路線上預(yù)先鋪設(shè)的磁條、磁道釘或者電纜等，從而引導(dǎo)AGV沿預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)行[4]。本項(xiàng)目選用的磁導(dǎo)航傳感器配置了16個(gè)探測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)都有一路信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出，當(dāng)相應(yīng)的微型磁場(chǎng)探測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，該探測(cè)點(diǎn)輸出高電平，反之則為低電平，并通過(guò)CAN總線將16點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行輸出。CAN總線通過(guò)GCAN-202模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，AGV控制器PLC通過(guò)開放式通信（OUC）發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)獲取磁導(dǎo)航傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3? 糾偏算法

AGV在自主導(dǎo)航行駛過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)彎等原因，無(wú)法保證AGV車身全程不偏離預(yù)定路徑，在測(cè)算得出AGV對(duì)固定磁條的偏差量，AGV控制器需要根據(jù)自身算法計(jì)算出偏差量，用合適的糾偏算法來(lái)控制AGV兩驅(qū)動(dòng)輪的速度，使AGV與引導(dǎo)磁條的偏移量始終處于合理或者逐漸減小的狀態(tài)。本項(xiàng)目采用電機(jī)速度差糾偏算法，該算法通過(guò)控制AGV左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差異來(lái)實(shí)現(xiàn)糾偏。當(dāng)AGV偏離左側(cè)時(shí)，控制器便會(huì)把偏差信息通過(guò)計(jì)算，反向推導(dǎo)糾偏所需速度差，通過(guò)加速右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪或減速左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，使AGV產(chǎn)生一個(gè)向左的轉(zhuǎn)向力矩，將AGV糾正回路徑上。

2.4? RFID標(biāo)簽傳感器

AGV在運(yùn)行到不同的站點(diǎn)時(shí)需要執(zhí)行不同的指令，如停止、加速、減速、左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)等。本項(xiàng)目事先在AGV的行走路線上安裝RFID標(biāo)簽地標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)AGV工作在自動(dòng)模式時(shí)，AGV通過(guò)無(wú)線通信接收來(lái)自上位機(jī)的一系列目標(biāo)站點(diǎn)信息后，通過(guò)安裝在AGV上的RFID讀寫器讀取當(dāng)前站點(diǎn)信息，并以當(dāng)前站點(diǎn)為起始站點(diǎn)開始判斷并搜索合適的路徑，得到合適路徑后AGV開始運(yùn)行并不斷檢測(cè)站點(diǎn)信息，直至到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)。

3? AGV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

AGV控制控制器采用S7-1214C DC/DC/DC控制器PLC，其硬件組態(tài)如圖4所示，其中通信模塊CM1241（RS232）用于同安裝在AGV上的RFID讀寫器通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的方式進(jìn)行通信，讀取RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)；DI 16×24VDC/DQ 16×Relay模塊用于擴(kuò)展PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)；AQ 2×14BIT用于AGV左右驅(qū)動(dòng)輪調(diào)速控制。

AGV常用電機(jī)有直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)等，直流無(wú)刷電機(jī)因其機(jī)械特性好、調(diào)速范圍廣、壽命長(zhǎng)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、容易控制而被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)AGV的輪子或其他機(jī)械動(dòng)力部件，以提供高效和可靠的運(yùn)動(dòng)[5]。本項(xiàng)目中AGV左右驅(qū)動(dòng)輪選用無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，AGV控制器PLC通過(guò)使能和方向信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)輪的啟動(dòng)和方向，通過(guò)模擬量輸出進(jìn)行調(diào)速，控制系統(tǒng)I/O地址分配表見表1。

4? AGV控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用模塊化編程，其思路是將控制程序拆分為具有多個(gè)特定功能的子模塊，每個(gè)子模塊由相應(yīng)的程序塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序塊之間可以調(diào)用，最后通過(guò)主程序進(jìn)行程序塊的調(diào)用來(lái)組織程序。模塊化編程有以下幾個(gè)主要優(yōu)勢(shì)： 可重用性、增加可維護(hù)性、提高開發(fā)效率、提升代碼質(zhì)量。本項(xiàng)目根據(jù)功能主要有以下子程序：S7通信、RFID讀寫程序、路徑選擇、路徑設(shè)置讀寫、讀磁導(dǎo)航傳感器子程序、糾偏計(jì)算、速度控制、驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向控制、移栽控制和I/O鏈接等，在主程序中調(diào)用這些子程序，如圖5所示。

5? 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)的AGV小車實(shí)物和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行畫面如圖6、圖7所示。

并且經(jīng)過(guò)2年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的應(yīng)用，AGV很好地實(shí)現(xiàn)了在立體倉(cāng)庫(kù)、VMC850數(shù)控加工中心、CK40S數(shù)控車床、RB20工業(yè)機(jī)器人、裝配單元之間產(chǎn)品的搬運(yùn)功能，AGV運(yùn)行平穩(wěn)，尋跡準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，得到了預(yù)期的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱方園，楊丹，戴昊，等.基于西門子S7-1200 PLC的AGV小車設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2020（4）：60-63.

[2] 牟勝輝，王有亮，張成，等.應(yīng)用于智能倉(cāng)儲(chǔ)的AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021（7）：56-59.

[3] 呂紅衛(wèi)，王新榮，李華.基于西門子S7-1500F PLC的AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021（22）：100-104.

[4] 孫宜敬.磁導(dǎo)航AGV車載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022（2）：190-193.

[5] 吳世杰.基于PLC的雙驅(qū)AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械裝備研發(fā)，2020，51（2）：143-145，148.