初稿-N04140508-09 基于三菱PLC的AGV控制系统设计

原创 2020-02-01 06:19  阅读

  目录目录-------------------------------------------------------------------- 1.1AGV小车概述 1.2国内外研究现状 1.3国内常见AGV 小车的类型 2AGV小车控制系统的组成及总体设计 2.1AGV小车的结构及控制系统关键技术 2.2拟定总体设计方案 133.1 拟定PLC 输入/输出接口 133.2 绘制输入输出接线PLC 控制程序的设计 17总结------------------------------------------------------------------- 19 参考文献--------------------------------------------------------------- 20 摘要 自动导引车(AGV 小车)是典型的机电一体化产品,它是一种高速行驶、重复操作 和精度较高的仿人操作自动化设备,其综合了精密机械设计与生产、微电子与计算机 技术、自动控制与驱动技术、传感与信息处理技术、人工智能与仿生学等多种学科的 多种研究成果,是跨学科的综合性技术,得到了广泛的运用。 本文根据设计任务需求,查阅了大量的AGV 小车的相关文献的基础上,开发了基 于PLC 和触摸屏为核心的AGV 小车控制系统的解决方案,本控制系统的硬件结构是以 三菱PLC 为核心,使用了模块化设计思想。在过去自动引导车的基础上,结合研究对 象的特点设计的整体方案,选择使用直流无刷电机作为小车的动力系统。系统使用传 感器来获取路面信息,通过边缘检测方式提取了导轨信息,求出小车与导轨线之间的 位置偏差,使用双驱动差速控制的策略使AGV 小车转向。 研究内容主要包括以下几个方面:首先设计并开发了系统硬件结构。将系统根据 功能模块化,该系统的功能模块主要包括控制核心(PLC)模块、电源管理模块、途径 识别的传感器模块、控制输入模块、电机驱动模块组成。其次设计并开发了系统的软 件单元,实现了对小车自动控制的功能需求。具有电机控制机制、用户可编程、扩展 能力强、功能强大等特点。同时实现了工业自动化教学任务的需求。该控制系统在我 校工业自动化教学中得到成功运用,取得了明显教学效果。 本文使用三菱公司FX2N 系列PLC 作为车载控制器,同时配合研华工控机和MCGS 上位组态组成AGV 小车控制系统。车载控制系统使用PLC 编程的方式对车体驱动电机 单元进行控制,来实现AGV 小车单车的运动控制。AGV 小车的主要功能表现为能在计 算机监控下,按途径规划和作业需求,使小车较为准确地行走并停靠到指定地点,完 成一系列移载、搬运等作业功能。通过系统整体调试及测试数据分析表明,该设计可 实现对自动导航机器人小车的控制,满足系统可靠性、稳定性、快速性的控制需求。 关键字:AGV 小车;控制;搬运 绪论1.1AGV 小车概述 AGV 小车是Auto mated Guided Vehicle 的简写,即自动导引小车。根据美国物 流协会的定义,AGV 小车是指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿着规定的导 引途径行驶,具有安全防护以及各种移载功能的运输小车。根据日本JISD6801 义,AGV小车是以电池为动力源的一种自动操作行驶的工业车辆。它的主要特征表现 为具有小车编程及系统控制管理功能,能在计算机的监控下,按指令自主驾驶,自动 沿着规定的途径行驶,到达指定地点,完成一系列作业任务。它除了在柔性生产系统 和自动化生产企业中用来组成高效,快捷的物流系统外,AGV 小车还广泛运用于普通 生产企业进行货物转运,尤其适用于人员不宜进入的生产车间。AGV 小车的运用可极 大的提高生产自动化程度和生产效率。 AGV 小车集环境感知,规划决策等功能于一体,属于智能车辆的范畴。它综合运 用了传感器、信号处理、计算机、自动控制、通讯和机械等多个学科的技术。AGV 车与其它物流搬运系统相比具有以下优点:(1)行驶途径和目的地可由管理程序控制,机动能力强。而且某些导向方式的线 路变更十分方便灵活、设置价格低; (2)工位识别能力和定位精度高,具有与各种加工设备协调工作的能力。在通讯 系统的支持和管理系统的调度下,可实现物流的柔性控制; (3)载物平台可以使用不同的安装结构和装卸方式,能满足不同产品运送和加工 的需要。所以,物流系统的适应能力强; (4)可装备多种声光报警系统,能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍物之前自 动停车。当其列队行驶或在某一区域交叉行驶时,具有避免相互碰撞的自能力,不存 在人为差错。所以,AGV 小车系统比其他物料搬运系统更加安全。 (5)AGV 小车组成的物流系统不是永久性的,而是在给定的区域内设置。与传统物 料输送系统在车间内固定设置且不易变更相比,该物流系统的设置柔性强,并可以充 分利用人行通道和叉车通道,从而改善车间的地面利用率; (6)与其他物料输送方式相比,初期投资大,但行驶费用大幅度降低,在产品类 型和工位较多时这种优势体现得尤其明显; (7)使用直流电源装置,低噪音、无污染、改善作业环境; 一般而言,AGV 小车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的需求,构成 自动导引车辆系统的AGV 小车S 才能真正发挥出其强大的优势。AGV 小车S 是以自主 导引的AGV 小车为运载主体并由自动导引系统,自动装卸系统,通讯系统,安全系统 和管理系统等构成的复杂系统。一般一个AGV 小车S 包含多台AGV 小车设备,系统中 各台AGV 小车在主控计算机的统一管理下有条不紊的完成物料搬运任务。 自动引导小车分为有轨和无轨两种。 有轨小车是指有地面或空间的机械式导向导轨。地面有轨小车结构牢固,承载力 大,造价低廉,技术成熟,可靠性好,定位精度高。地面有轨小车多使用直线或环线 双向行驶,广泛运用于中小规模的箱体类工件FMS 中。高架有轨小车(空间导轨)相 对于地面有轨小车,车间利用率高,结构紧凑,速率高,有利于把人和输送装置的活 动范围分开,安全性好,但承载力小。高架有轨小车较多地用于回转体工件或刀具的 输送,以及有人工介入的工件安装和产品装配的输送系统中。有轨小车由于需要机械 式导轨,其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。 无轨小车是一种利用微机控制的,能根据一定的程序自动沿规定的引导途径行 驶,并具有停车选择装置、安全防护装置以及各种移载装置的输送小车。无轨小车根 据引导方式和控制方式的分为有径引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导是指 在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的途径,小车通过电磁信号或光信号检测 出自己的所在位置,通过自动修正而保证沿指定途径行驶。无径引导自主导向方式中, 地图导向方式是在无轨小车的计算机中预存距离表(地图),通过与测距法所得的方 位信息比较,小车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非 常灵活,但精度低。 AGV 小车的特性 1)自动性:AGV 小车以轮式移动为特征,较之步行,爬行或其它非轮式的移动机 器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。 2)柔性:与物料输送中常用的堆垛机、单轨小车、传送带、传送链、传送导轨 和固定式机器人相比,AGV 小车的活动区域无需铺设导轨、支座架等固定装置,不受 场地、道路和空间的限制。所以,在自动化物流系统中,最能充分地体现其自动性和 柔性,实现高效、经济、灵活的无人化生产。 3)先进性:AGV 小车集光、机、电、计算机为一体,综合了当今科技领域先进的 理论和运用技术。导引能力强,定位精度高,自动驾驶作业性能好。 4)灵活性:能够很快捷地与各类RS/AS 入/出口、生产线、装配线、输送线、站 台、货架、作业点等有机结合。能最大限度地缩短物流周转周期,降低物料的周转消 耗,实现来料与加工、物流与生产、成品与销售等的柔性衔接,最大限度地提高生产 系统的工作效率。 5)可靠性:在AGV 小车系统的工作过程中,每一步都是一系列数据和信息的通 讯交换过程,后台有强大的数据库支持,消除了人为因素,充分地保证AGV 小车作业 过程的可靠性,完成任务的及时性,数据信息的准确性。 6)安全性:AGV 小车作为无人驾驶的自动车辆,具有较完善的安全防护能力。有 智能化的交通管理,安全避碰,多级警示,紧急制动,故障报告等。能够在许多不适 宜人类工作的场合发挥独特作用。 1.2 国内外研究现状 AGV 小车是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成生产系统、自动化 立体仓库而产生并发展起来的。70 年代,欧洲约装备了520 个AGV 小车系统,共有 4800 台导引车,1985 年发展到一万台左右,数量高于美、日,为全球之首。其运用 领域分布为:汽车工业(57%),柔性生产系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(35%)。 80 年代,美国公司在欧洲技术的基础上将AGV 小车发展到更为先进的水平,使用先进 的计算机控制系统,运输量更大,移载时间更短,具有在线 小时 行驶,小车和控制器可靠性更高。日本在60 年代引进了AGV 小车技术,其第一家AGV 小车生产企业于1966 年由一家运输设备供应厂与美国的Webb 公司合资开设。至80 年代中期,日本的AGV 小车生产公司已达20 多家,累计安装了2300 多个AGV 小车系 统,拥有5000 多台AGV 小车。日本的AGV 小车技术日趋成熟先进,生产规模也越来 越大。至1988 年,日本AGV 小车生产公司己达20 多家,如大福、Fanuc、Murata(村 田)公司等。 我国在70 年代中后期引进了自动导引车技术,虽然起步较晚,但是对其的研究 发展相当迅速。1975 年北京起重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的 AGV 小车,1989 年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线通信的AGV 小车, 该院在90 年代已经进行AGV 小车的批量生产,截至19%年已生产和正在生产的AGV 小车达23 台。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6 台AGV 小车,用于装配线的 运输配送,是汽车工业中较成功的AGV 小车运用,成都卷烟厂采取AGV 小车用于仓库 运输;沈阳新松公司研制的AGV 小车己经通过了1509001 国际质量认证;安徽合力股 份有限公司生产的AGV 小车目前在市场上占有很大份额。 以上投入实际运用的AGV 小车大多为固定途径导引方式,而清华大学独立研制的 “自由途径自动导向AGV 小车”属于无固定途径导引的类型,在途径跟踪研究方向具 有较高的水平。另外香港城市大学智能设计自动化及生产研究中心研制的自动导航车 和服务机器人,中国科学院沈阳自动化研究所的AGV 小车,中国科学院自动化所自行 设计生产的全方位移动式机器人视觉导航系统等产品都是自动导引车领域较为先进 的研究成果。 当前我国越来越多的生产企业、科研机构使用AGV 小车为汽车装配、飞机生产、 烟草、家用电器行业以及邮政报刊分拣输送、大型仓库、自动化仓储系统服务。如上 海金山化生产企业、华宝空调器厂、哈尔滨飞机生产厂、上海新车站邮政枢纽等。随 着经济的发展,AGV 小车在我国的运用领域和需求量将会快速增长,市场前景广阔。 目前我国在自动导引车领域的研究和生产技术水平与发达国家存在不小的差距, 但总体发展速率很快,其关键技术正从低水平、满足功能型向高水平、经济实用型过 渡,研发方式从仿制向自主开发过渡。各大科研院所和单元高校都在不断加大技术投 入,从不同的技术路线入手,在关键技术上有所创新和突破,形成了良性的导引车技 术开发环境。中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、北京起重运输机械研 究所、清华大学、国防科技大学、西安理工大学机械自动化研究所等科研院所都在进 行不同类型AGV 小车的研制并小批量投入生产。 1.3 国内常见AGV 小车的类型 目前常见的AGV 小车,根据其自动行驶过程中的导引方式的不同,主要分为以下 三种:电磁感应引导式AGV 小车,激光引导式AGV 小车,视觉引导式AGV 小车,以下 小车的设计思路和方案及特性的简单介绍。1)电磁感应引导式AGV 小车 电磁感应式引导是最早成功运用十无轨AGV 小车的导引方式,也是目前无轨AGV 小车主要使用的导引方式。该方式需要在预先设定的行驶途径上埋设专门的电缆线, 当高频电流流经导线时,导线周围产生电磁场,此时安装在AGV 小车车体两端的电磁 传感器通过电磁感应原理产生感应信号。由十根据传感器偏离轨迹的远近程度可产生 强度不同的电磁信号,所以系统可以通过采样传感器的电磁信号,从而软件调节驱动 机构,实现引导。 该方式可靠性高,经济实用,主要问题是:AGV 小车的行驶途径改变非常困难, 而且埋线对地面需求较高,一旦电缆出现问题,维护非常困难,同时,该方式实现的 价格也很高。 2)激光引导式AGV 小车 这种方式是在AGV 小车上安装有可旋转的激光扫描器,在行驶途径沿途的特定位 置处安装高反光性的反射镜面,AGV 小车在行驶途中,不断用激光扫描器发射的激光 束照射这些镜面,利用入射光束与反射光束供应的火角信息、入射光束与反射光束的 时间差信息等,根据数学模型计算出AGV 小车当前的位置以及运动的方向,通过和内 置的数字地图进行对比来校正方位,从而实现导引。 这种导引方式的特点是当供应了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后,AGV 小车 导引与定位精度十分高,且供应了任意途径行走和规划的可能性。但是该方式价格昂 贵,传感器电路、反射装置的安装都十分复杂,而且算法也很复杂。 3)视觉引导式AGV 小车 视觉引导方式是一种正在快速发展和成熟的AGV 小车导引方式,这种方式在AGV 小车上装备CCD 摄像机和传感器,在AGV 小车行驶线路上建立色标,在主控芯片中存 储有AGV 小车欲行驶途径周围环境的图像数据库。在AGV 小车行驶过程中,摄像机动 态的获取车辆周围环境图像信息,利用图像处理技术进行特征识别,并与图像数据库 进行比较,从而确定当前位置,并对下一步行驶做出决策。 这种AGV 小车由十不需求人为设置任何物理途径,所以具有最佳的引导柔性,适 应性非常强。但是该方式对照明和色标清洁度有一定需求,而且这类AGV 小车造价非 常昂贵,同时由十CCD 传感器开发非常困难,算法复杂度高,一般的8 位,16 位MCU 都无法进行开发。 4)惯性导引式AGV 小车 此方式利用车载陀螺仪检测导引车的方位角,并通过光电编码器计算航程,行驶 中检测途径区域安装参考定位块或辅助地图信息,通过对车体转向角速率、行走航程 的计算,并与定位块信号进行比较修正,能够确定导引车的实时位姿并实现导航。其 优势是定位的准确性较高,途径的组合灵活性较强;其不足在于实际运用中会产生行 走误差累积。 5)光学控制带导引式AGV 小车 通过在工作区域地面铺设特定形状和颜色的途径标线,运用车载光电探测传感器 等设备,通过红外光或可见光等光电反射检测方式确定途径标线的位置及机器人相对 途径的偏移量,以控制车辆沿轨迹自动导引。光学导引的途径变更灵活,价格费用较 低,适合路线改动较为频繁的运用情况。不过在实际运用中,它对行驶环境的需求相 对较高,需要较为清洁的行驶地表,导引线路也需要很好的防护,保持路线的清晰和 良好的对比度。 6)GPS 导引式AGV 小车 GPS(全球定位系统)以距离作为基本的观测量,通过卫星进行伪距离测量计算 出导引车的位置,通过安装卫星信号接收装置,导引车可以在室内或室外实现自身定 2AGV小车控制系统的组成及总体设计 2.1AGV 小车的结构及控制系统关键技术 一台自动引导小车AGV 小车,可以在水平面上根据预先设定的轨迹行驶。本设计 使用AT89C51 单片机作为控制系统来控制小车的行驶,从而实现小车的左、右转弯、 直行、倒退、停止功能。 其设计参数如下:应达到的技术需求如下: 自动引导小车的长度:500mm 负载35KG 自动引导小车的宽度:300mm 小车转弯半径71CM 自动引导小车的行驶速率:100mm/s 小车最大速率10m/s 完全实用的导引车系统,必须具有准确的导航和感知能力以及可靠的运动系统, 并具有理想的安全性与交互性。导引车主要的智能目标为自主性、适应性和交互性。 自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况,自动确定工作步骤和工作方式。 适应性是指机器人通过学习得到适应复杂工作环境的能力,不仅能识别和测量周围的 物体,并能通过分析行驶环境和所要执行的任务,做出正确的判断及相应的行驶操作。 交互包括机器人与环境、机器人之间以及人机交互三种,涉及信息的获取与处理,是 智能产生的基础。在自动导引车的研究中,关键技术在于以下几个方面: 1)传感技术 为使导引车正常工作,必须对其位置、姿态、速率和系统状态等进行监控,同时 还要感知其所处工作环境的静态和动态信息,使得工作顺序和操作内容能够自动适应 工作环境的变化。有效地获取内部和外部信息,对导引车提高工作效率、节省能源和 防止意外事故都是非常重要的,而这些信息需要利用各种传感器来获取。传感器的选 择主要考虑导引车所处的环境以及信息获取的类型(二维信息、三维信息、距离信息 或图像信息等。 单一的传感器只能保证导引车基本行驶功能的实现,而多传感器信息融合技术是 自动导引车在现实行驶环境中实现高度灵活性和鲁棒性的关键。使用多个传感器的系 统优势明显:多传感器可供应同一环境特征的冗余信息和环境中有关特征的互补信 息,可利用多个信息并行快速地分析当前的场景。多传感器具备的高鲁棒性可改善完 成特定工作的目标,并在某个传感器发生故障的情况下使系统快速重新投入工作。多 传感器数据融合包含广泛的运用,涉及传感器,信号处理,控制理论等多方面的知识, 是系统信息融合的基础。 2)导引跟踪与定位技术 跟踪控制是导引车运动控制的重要问题,它分为轨迹跟踪控制和途径跟踪控制两 种。在轨迹跟踪控制中,导引车跟踪的期望轨迹是以时间关系曲线图给出的,而在途 径跟踪控制中,期望轨迹是由几何参数(如转弯半径、弧长等)来描述的。当需求导引 车在特定时间内行驶至特定地点时,需要使用轨迹跟踪控制;当需求以期望的速率跟 踪一条几何参数己给出的路线时,需要使用途径跟踪控制。己有的轨迹跟踪方式在数 学分析上较为理想,得到了许多有意义的结果,但对于实际设计跟踪控制器来说,还 有许多跟踪实现的问题有待解决。当前的研究主要考虑在引进非完全约束和机器人动 力学的情况下,导引车如何实现有效的跟踪。 定位是自动导引车运动的基本环节,即为确定导引车在二维工作环境中相对于全 局坐标的位姿。通常根据工作环境的复杂性,对导引车配备合适的传感器(如光电编 码器、里程计、陀螺仪等)进行行驶位移和方向角的测量,以此实现定位目标。 3)途径规划 途径规划是根据某一性能目标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最 优的无碰途径。导引车的途径规划就是给定导引车的工作环境信息,根据某种优化目 标,寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人途径规划的 研究始于20 世纪70 年代,目前对这一问题的研究仍十分活跃,许多学者做了大量的 工作。其主要研究内容按导引车工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境 和动态不确定环境,按获取环境信息方式的不同可分为基于模型的途径规划和基于传 感器的途径规划。 运动途径规划是自动导引车的一个重要问题,由于自动导引车的运动受到非完全 性约束,其可行的途径并不是任意的途径,在复杂动态的环境中,需要考虑运动中的 避障问题。所以,在运动规划方面还有许多问题有待研究。 4)智能控制技术 机器智能行为包括知识感觉、理解、推理、归纳、计划、反应、学习和问题求解 等。涉及的领域包括图像、语音和文字符号的处理与知识的获取、表达,以及智能运 动。对于移动机器人来说,关键的智能技术是自动规划技术和基于传感的智能技术。 智能控制是具有智能信息处理、智能反馈和智能控制决策的控制方式,是控制理 论发展的高级阶段,主要用来处理传统方式难以解决的复杂系统的控制问题,智能控 制研究对象的主要特点是具有不确定的数学模型、高度的非线性和复杂的任务需求。 实用的控制方式有多级递阶智能控制、基于知识的智能控制、模糊控制、神经网络控 制、基于规则的仿人智能控制、基于模式识别的智能控制和混沌控制等。而目前在移 动式服务机器人控制中运用较多的智能控制方式是模糊控制和神经网络控制。 2.2 拟定总体设计方案 AGV 小车车体是输送的最终执行设备,它的机械和电气性能直接关系到AGV 小车 输送系统的最终性能;同时性能优秀的AGV 小车车体将最大限度的降低日常维护的工 作量、增设AGV 小车系统的使用寿命。所以本文选择富士康本体车、日产驱动设备作 为车体集成单元。 车体驱动装置使用明电舍单驱动型驱动装置,依据两个驱动轮的速率差进行驱动 行走、转弯。若两轮同一速率行走的话可以直线前进,若两轮有速率差的话才可以边 驱动边转弯。小车行走是根据驱动单元中安装的导航传感器检测到N 极磁条(宽30mm) 后,顺其行走。磁条设置在两轮驱动轮中间的通道。 AGV 小车控制系统是AGV 小车输送系统的核心。它用来完成AGV 小车系统的途径 规划设计、调度AGV 小车执行输送任务、实时监控AGV 小车系统行驶、控制AGV 小车 自动充电、AGV 小车系统的故障诊断以及对外数据交互功能等。 AGV 小车控制系统有车体单元、供电单元(铅酸蓄电池)、引导单元(光电传感器)、 主控单元(PLC)、驱动单元(电机驱动器)、执行单元(直流无刷电机)、安全与辅助 单元(避障传感器)、扩展单元(EM232)、通讯单元(CP243)、控制面板单元(触摸 屏)组成 1)车体单元 轮车的驱动机构和运动单元基本上与三轮车相同。图2-2 所示是两轮独立驱动, 前轮(万向轮)带有辅助轮的方式。当旋转半径为0 的时候,由于能绕车体中心旋转, 所以有利于在狭窄场所改变方向 2)引导单元 1)底部轨迹传感器 方案一:使用红外数字量传感器,将两传感器处于在反光胶带上方两侧位置,当 小车偏离导轨,就会导致至少一个传感器失去信号,这样就可以将小车偏离导轨的信 息传送到PLC,PLC 通过调整两电机的转速使小车回到原导轨上来。 方案二:使用红外模拟量传感器,根据接收到反射光线V 模拟量 信号,根据电压大小可以判断小车偏离导轨的距离,通过直流电机控制器改变电机速 率,调整小车方向。 方案一设计简单,价格较低。但是由于使用的是数字量传感器,不能检测到小车 偏离导轨的实际距离,电机只能通过事先设定好的速率调速,容易使小车走S 型路线, 尤其是在转弯处,会产生轻微的摆动。也可以通过改进减轻摆动,增设底部传感器数 量,使其成为一个传感器网络,将小车的偏移量分成若干个点,用PLC 根据每个点设 定不同的电机转速差。但增设传感器就意味着增设PLC 的输入点,将大幅增设价格, 且只能起到减轻小车摆动的作用,并不能完全解决此问题[20]。方案二价格较高,但 模拟量传感器可以通过检测到小车偏离方向的距离,输出0-5V 的模拟量电压,可以 对电机进行无极调速,使小车行驶更平稳、更快捷,故使用方案二。 检测距离:10-80cm 输出电压:0-5V;0-10V 输出电流:4-20mA 2)障碍检测传感器 方案一:使用光纤传感器检测,光纤传感器检测精度高、动作稳定,并可设定检 测距离,可靠性高。方案二:使用红外线传感器,价格较低,受外界环境干扰较小, 安装使用方便,可以达到400mm 以上的检测距离。两种方案都能达到所需要的效果, 但方案一的光纤传感器价格昂贵,红外传感器虽达不到前者的精度,但也可实现检测 障碍物的目的,且价格较实惠。故在此使用方案二的红外线)主控单元 方案一:使用单片机控制,单片机价格较低,但实现较困难,印制电板、电路图 较复杂,且稳定性不好,容易磨损,检修、维护复杂,重要的是单片机不容易升级改 进,无法对其功能重新设定。 方案二:使用PLC 控制,PLC 价格高,但使用简单,容易实现控制功能,可靠性 高,抗干扰能力强。PLC 由于使用严格的生产工艺,生产使用现代大规模集成电路技 术,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。从PLC 的机外电路来说, 使用PLC 构成控制系统,和同等规模的接触器继电器系统相比,故障率也就很小。 此外,PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在运 用软件中,运用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC 以外的电 路及设备也获得故障自诊断防护[22]。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪 虽然方案一单片机价格低,但使用单片机需要寻求专业的供应商印制电板,也就增设了很高的一笔费用。所以综上所述使用方案二PLC 控制。 4)驱动系统 方案一:使用步进电机,步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或角位移的开环 控制驱动单元。在额定工作的情况下,电机的停止的位置、转速只取决于脉冲信号的 脉冲数和频率,而不受负载变化的干扰,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个 步距角。这是一个线性关系。步进电机无累积误差而只有周期性的误差等特点,使得 在位置、速率等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。我们可以直接用PLC 部的PWM指令对步进电机调速。但这样就需要PLC 对底部轨迹传感器检测到的模拟量 信号进行处理,也就需要增设一个昂贵的模拟量模块虽然步进电机已被广泛地运用到 各个领域,但步进电机的使用并不像普通的直流电机、交流电机在常规下直接使用。 它必须由功率驱动电路、脉冲信号等组成控制系统方可使用。所以用好步进电机却非 简单,它涉及到电机、机械、计算机及电子等许多专业知识。同时,其功率较小,负 载能力受到限制。 方案二:使用交流电机,交流电机与直流电机相比,由于没有换向器,所以结构 简单,生产方便,比较牢固,容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交 流电机功率的覆盖范围很大,从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。交流电机的转 速都受电源频率的制约。所以,交流电机的调速比较困难,最好的方法是改变电源的频 率,所以在使用中需要增设两个变频器,而且小车使用的是24V 直流电,所以还需要 用到震荡电路。和方案一一样也需要PLC 对底部轨迹传感器检测到的模拟量信号进行 处理,需要增设一个昂贵的模拟量模块。 方案三:使用直流电机,直流电机调速性能好,调速范围宽(0~40000rpm)。所 谓“调速性能”,是指电机在一定的负载下,根据生产的需要,人为地改变电机的转 速。直流电机可以在重负载条件下,实现平滑、均匀的无级调速,而且起动力矩大, 调速范围较宽。如大型电力机车、可逆轧钢机、电车、卷扬机等,都用直流电机拖动。 这里我们可以使用直流电机调速器来对电机进行调速,直流电机调速器可直接通 过底部轨迹传感器检测到的模拟量来控制电机的转速。 总体来看这三个方案,方案三相对于方案一、方案二来说不仅价格低,而且可实 现无级调速,使小车行驶平稳。 5)其他单元 电源模块为系统其他各个模块供应可靠的工作电压,设计中,需要考虑电压范围 和电流容量、电源转换效率等基本参数。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠行 驶的基础。全部硬件电路的电源是由48V,60Ah 的铅酸电池供应。电机以及驱动器直 接从电池获得48V 电压,传感器通过从电池的分压24V 获得。在此基础上,需要设计 一个供应稳压以及电源管理模块。HRI 控制面板,使用5 寸台达触摸屏,不但能对AGV 小车进行输入控制命令,减少控制按钮,提高系统的整体稳定性,也能实时监控系统 的行驶状态。扩展单元,要实现传感器、电机等的输入输出模拟量数字量的转换问题。 同时供应扩展接口,对AGV 小车实施功能扩展供应接口。 控制系统设计3.1 拟定PLC 输入/输出接口 AGV 小车硬件电路设计是智能小车各个目标实现的基础,其对软件系统的设计也 具有决定性的作用。为了使智能车能够快速稳定行驶,途径判断迅速、转向敏捷,PLC 必须把直流驱动电机的控制与途径识别精密地结合在一起。 小车控制系统主要由控制器、传感器、控制面板(按钮触摸屏)、电机驱动器、 电源、报警器等五个单元组成,见图3-1。小车前端安装有三个红外线传感器,用于 检测前方障碍物,当任前方传感器有信号,小车就会停止前进、报警灯闪烁、蜂鸣器 鸣笛,障碍物移开后,小车继续前进。在小车底部装有两个模拟量传感器和三个数字 量红外线传感器;模拟量传感器输出0-10V 电压,用于检测小车行进过程中是否偏离 反光胶带,当小车左右偏移导轨时,两传感器所接收到反光胶带反射回来的红外线强 度产生变化,继而输出电压也随着改变;两个数字量传感器接收左转、右转信号;另 一个数字量传感器用于检测小车旋转信号。 信息处理单元的核心为PLC,PLC 将传感器检测到的信息根据程序进行处理后输 出,控制小车的前进、矫正、拐弯、旋转、止、报警等,实现小车的智能化,本控制 系统使用的是三菱FX2N 系列PLC。小车前轮使用万向轮,后轮采两轮驱动,使用两直 流无刷电机分别驱动,每个直流电机由单独的控制器控制。见第二章图2-2 所示. 直流电机调速性能好,在一定负载的条件下,根据需要可以人为地改变电机的转 速;直流电机可以在重负载条件下,实现均匀、平滑的无级调速,而且调速范围较宽。 同时,为确保小车在行驶过程中各部件均能正常工作且相互之间不受干扰,我们使用 了两个电源为两个主要模块供应电压。 小车设有四个按钮和一个带蜂鸣器的“红-黄-绿”警示灯。四个按钮分别为:急 停按钮、启动按钮(带灯)、停止按钮(带灯)、复位按钮(带灯);按下启动按钮, 在安全状态下小车会自动沿着反光胶带前进,按下停止按钮或到达终点小车停止,按 下复位按钮小车回到初始位置。警示灯有三种颜色(红-黄-绿),同时兼有一个报警 用的蜂鸣器。 本系统的输入信号、输出信号与PLC 的连接关系如下: 3.2 绘制输入输出接线图 根据输入/输出分配表和循迹小车的控制需求,给出PLC的输入/输出端子接线图 传感器系统使用漫反射性光电传感器E3F系列传感器。其中导轨检测传感器型号 为E3F--DS30B1,避障传感器型号为E3F—DS70B1。均为PNP型常开传感器。导轨检测 传感器的有效检测距离为30cm,避障传感器检测的有效距离为70cm.顺调变大。直流 PNP型常开传感器的接线图如下: 根据直流无刷电机及控制器厂家资料,将电机与控制器连接,参见图3-6所示(一 个电机示意)。在设计中要注意控制器的控制信号电压最大为直流5V,所以,从PLC 输出5V的控制信号必须经12V直流电源进行转换, 各个部件、电气元件的正常工作电压需要采取降压、稳压电路方式来实现。稳压 芯片的选择要考虑电流和电压等参数,同时,也要考虑稳压芯片的工作余量。 其中,输出的5V电源必须进行稳压处理,主要为信号调理电路以及单元接口电路 供应电源,电压需求稳定、噪声小,电流容量大于500mA对车上的后轮直流电机进行 驱动,直流电机的驱动控制效果不好,也会造成直线路段速率上不去,弯曲路段入弯 速率过快等问题。 3.2 触摸屏的设置 触摸屏人机画面编辑软件使用EasyBuilder 软件,功能强大、使用方便、可靠性 高、寿命长、性价比高。该软件支持市场上大单元PLC,也可根据PLC 类型自动设定 通讯参数;供应功能强大的对象编辑,供应丰富的图库并支持GIF 图形显示,也可以 自行建立图库,可以轻松的编辑对象,同时自动检查使用者编辑的画面资料是否有存 在错误。 MT-510T 是10.4彩色TFT 液晶触摸屏,640480 点像素,有2MBFlashROM 4MBDRAM。通信口COM1有一个用于PC 的RS-232 口和一个用于PLC 的RS-485/422 COM2是用于PLC 的RS-232 口。它还有一个标准的并行打印机接口[33]。电源电压为 DC24V,430mA。 在本系统中,主要设计了小车的初始界面、行驶界面(自动、手动模式)、数据 设置界面和系统故障显示及报警界面。初始界面主要包含一些按钮,可以调用其他界 面;手动模式界面主要用于电机的调试和单步操作;自动界面主要用于小车行驶时的 控制和状态监控;数据设置界面主要用于调整电机的速率参数;当小车出现故障时, 系统故障显示及报警界面就会显示故障原因和处理建议。 设计流程如图 通信电缆的接线。触摸屏背面的PC&PLC通信端口是连接PC机的编程口和连接 RS-485/422外部设备的通信口。 触摸屏变量相当于PLC中的输入、输出或其他电气元件,对这些变量进行操作, 可以直接控制小车的行驶。定义变量时,要注意“读取的设备和地址”、“输出的设 备和地址”必须与所使用的PLC的地址类型一致。 3.3PLC 控制程序的设计 根据设计的需求,PLC 的程序框图如下: 总结 AGV 小车是一种物料搬运设备,是能在某一位置自动进行货物的装载,自动行走 到另一位置,自动完成货物的卸载的全自动运输装置;AGV 小车系统结构一般由机构 单元、传感器组、控制单元以及信息处理单元构成。通过设计,实现了小车自动按预 先设定的轨迹行走,从而在柔性生产系统中自动运送工件。 本文参考了国内外大量文献资料,论述了光导式AGV 小车控制系统的设计过程, 达到了预期的目标。使用PLC 和触摸屏设计的循迹小车控制系统,可以在小车行驶过 程中随时调整行驶速率,操作便利,实时性好;另外,PLC 的抗干扰性也较好,能适 应企业生产车间的恶劣环境,经济效益显著。 本文主要完成了以下几方面的工作: 1)小车的总体机械结构、控制系统的设计; 2)设计了以三菱PLC 为核心的控制系统,传感器电路; 3)用FX2N 软件编写了系统程序; 通过设计得出以下结论。 1)利用PLC 和触摸屏设计的AGV 小车控制系统,可以在AGV 小车行驶过程中随时 调整行驶速率,操作便利,实时性好;另外,PLC 的抗干扰性也比较好,适合于生产企 业环境。预留的扩展接口便于功能扩展。 2)使用模拟量与数字量的传感器进行AGV 小车途径跟踪的光学引导,价格低,调 整简洁方便。当生产工序改变时,无需重新铺设铁轨,只要改变粘贴导轨纸就可以改 变运输车的行驶轨迹。此方式简单,导向可靠,变轨价格低。 3)驱动设计使用轴承连接电机与车轮,避免了电机的轴承长时间受压力压弯变 形,本设计传动性能更稳定,电机的使用寿命加长。 4)使用“一”字形传感器组布局检测路面踪迹,避免了AGV 小车蛇形行驶。 随着技术的发展,自动导引车作为一种智能化的货物搬运工具,已逐渐运用于工 矿企业生产中,AGV 小车具有搞灵活性、高效性和柔性在车间物流系统中成为实现敏 捷物料处理的重要工具。本文在对自动导引车控制系统的设计和研究过程中,完成了 控制系统硬件及软件的设计工作,将模块化的设计思路引进到硬件开发当中,通过功 能的不同对硬件结构进行划分,并分别实现其具体电路的设计。软件设计中使用面向 智能体的编程方式,使得系统的软件具有很好的结构性、层次性、可移植性,同时也 简化了开发的难度,通过软件的后期优化,提高了系统行驶的速率,降低了微控制器 资源的占用率。 参考文献 [1]徐清.自动导引小车系统的设计与实现[D].江苏:苏州大学硕士论文,2006. 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