◎國正

本文設(shè)計了一款以西門子S7-1200為控制核心的工廠自動上料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AGV移動至生產(chǎn)線指定位置，然后采用自動伸縮設(shè)備將物料運送至生產(chǎn)區(qū)域。

一、引言

在自動化生產(chǎn)現(xiàn)場，常需要運送體積或質(zhì)量較大的工件，傳統(tǒng)的運送方式是以電動機(jī)傳送帶的方式，但在實踐中該種方式缺乏一定的靈活性。AGV（Automated Guided Vehicle），即自動引導(dǎo)運輸車，是移動機(jī)器人種類之一，能夠完成將物料按照預(yù)定軌跡搬運至指定位置的功能。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、運輸效率高、靈活性強(qiáng)等特點，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

AGV在運行過程中首先要考慮的是裝載和移動。由于AGV負(fù)有載重運輸?shù)穆氊?zé)，所以承重能力和動力是AGV設(shè)計的重點。本設(shè)計中，AGV車體采用厚質(zhì)鋁合金作為車身主材料，以4個直流減速電機(jī)作為運動執(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)計由西門子S7-1200型號的PLC作為系統(tǒng)控制核心，負(fù)責(zé)接收各路傳感器信號，并驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)移動功能、驅(qū)動升降機(jī)實現(xiàn)自動上料功能。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，以實現(xiàn)路徑的識別和關(guān)鍵位置點的偵測。超聲傳感器是檢測AGV周圍障礙情況的傳感器，實現(xiàn)避障功能。AGV由4個電機(jī)驅(qū)動，以增強(qiáng)帶載能力，每個電機(jī)對應(yīng)單獨的電機(jī)驅(qū)動，以保障AGV能夠有效運行。每個電機(jī)齒輪傳動處，分別安裝1個旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的信號與S7-1200的高速計數(shù)器模塊相連，實現(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

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

1.多路電源模塊設(shè)計。

電源模塊是電子系統(tǒng)中提供能量的模塊，本設(shè)計主要包括對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、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)動和升降機(jī)采用72V供電，再根據(jù)實際運行功率，采用模擬量控制電壓輸出。

2.傳感器信號電路設(shè)計。

傳感器信號電路的設(shè)計主要是保證5V信號轉(zhuǎn)換為24V后輸入至PLC，以電平信號的方式完成路徑識別。本設(shè)計采用光電耦合電路，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)動模塊中，采用成型的驅(qū)動能夠減少電路設(shè)計和焊接的工作量，且選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的驅(qū)動，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

對比常規(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)運行軌跡，通過電磁傳感器對鋪設(shè)好的電磁線路進(jìn)行檢測，當(dāng)反饋路徑信息后，完成運行決策的判斷和執(zhí)行，再控制直流減速電機(jī)運動，使AGV實現(xiàn)各個方向的運動。超聲傳感器在AGV運行時，隨時檢查運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將物料運送至目的地，完成對物料的運輸任務(wù)。

對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，以實現(xiàn)對4個直流減速電機(jī)的精準(zhǔn)控制。對于P、I、D三個參數(shù)的調(diào)節(jié)，要根據(jù)經(jīng)驗法進(jìn)行試調(diào)，值得注意的是，在調(diào)試時要盡量根據(jù)AGV在工廠實際運行地面的材質(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為控制核心的自動上料AGV的系統(tǒng)設(shè)計。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)合運作，大大提升生產(chǎn)效率。