呂紅衛(wèi)，王新榮，李華

基于西門子S7-1500 F PLC的AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂紅衛(wèi)，王新榮，李華

（陜西重型汽車有限公司 越野車裝配廠，陜西 西安 710022）

文章主要講述了以西門子S7-1500F PLC作為AGV運(yùn)動(dòng)控制器，利用磁導(dǎo)航傳感器對地面鋪設(shè)磁條路徑尋跡，通過RFID對站點(diǎn)位置進(jìn)行定位，MES系統(tǒng)與 PLC數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)AGV位置自動(dòng)調(diào)整，利用地面非接觸供電給AGV提供動(dòng)力電源，激光防碰撞傳感器（PLS）技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)AGV的安全停車。同時(shí)以西門子觸摸屏作為車體人機(jī)交互界面，開發(fā)建立了AGV控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了AGV的直行、轉(zhuǎn)向、自動(dòng)運(yùn)行、調(diào)速及站點(diǎn)停車等功能。

AGV；PLC；磁導(dǎo)航；非接觸供電；差速驅(qū)動(dòng)

前言

隨著“中國制造2025”的高速發(fā)展，更多的移動(dòng)機(jī)器人參與工業(yè)制造、物料運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌鹘y(tǒng)的汽車制造行業(yè)也迎來了快速發(fā)展，一種自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車式的移動(dòng)機(jī)器人（auto- mated guided vehicle）被引入汽車制造行業(yè)。AGV是裝備有磁導(dǎo)航或激光導(dǎo)航等導(dǎo)引裝置，能夠沿著規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。

西門子公司S7-1500F PLC是一款帶有安全自動(dòng)化系統(tǒng)的大型PLC，集成有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口PROFINET，可以簡單實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)制造的通訊發(fā)展需求，基于西門子S7-1500F PLC硬件基礎(chǔ)上開發(fā)AGV控制系統(tǒng)，對于重卡汽車生產(chǎn)線智能化、數(shù)字化、信息化、柔性化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的研究和發(fā)展具有重要意義。

1 AGV方案設(shè)計(jì)思路

1.1 AGV結(jié)構(gòu)組成

AGV車體框架采用鋼板及型材焊接，主要承重部位采取了高強(qiáng)材料及加固設(shè)計(jì)，保證AGV的載荷。車體主要艙體有前、后輪驅(qū)動(dòng)艙、伺服艙、UPS/電池艙、電氣艙和液壓艙。車輪包括前驅(qū)動(dòng)輪、后驅(qū)動(dòng)輪、隨動(dòng)輪等。

圖1 AGV整體結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，前輪驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)設(shè)備，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、拾電器、轉(zhuǎn)換板、磁導(dǎo)航傳感器等電氣設(shè)備；電氣艙安裝有PLC模塊組、伺服控制器等電氣核心部件；UPS/電池艙安裝有AGV供電的鉛酸蓄電池和UPS設(shè)備；液壓艙是為了滿足重卡汽車輪胎安裝等特殊要求；出于安全考慮，在AGV車頭安裝有激光防碰撞傳感器（PLS）。

1.2 AGV控制系統(tǒng)簡介

如圖2所示，AGV車體控制系統(tǒng)主要有AGV控制單元、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、動(dòng)力供電系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)等組成。

圖2 AGV車體控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

AGV舵輪采用差動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，差速輪由兩臺交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過差速實(shí)現(xiàn)AGV轉(zhuǎn)向。差速尋跡信號由車體前后兩套磁導(dǎo)航傳感器提供，并配有舵編碼器及限位開關(guān)控制轉(zhuǎn)舵角度；舵輪底部安裝拾取電結(jié)構(gòu)，主要由拾電器、轉(zhuǎn)換板等組成，實(shí)現(xiàn)非接觸無線供電；RFID可對站點(diǎn)地址標(biāo)簽讀取，同時(shí)結(jié)合地標(biāo)傳感器實(shí)現(xiàn)AGV精準(zhǔn)停車；AGV車頭安裝有激光防碰撞傳感器（PLS），用于安全防護(hù)，確保AGV工作中保護(hù)人員及車體自身的安全。

AGV車體的控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500F PLC，外圍按鈕、旋鈕等采集信號以及觸摸屏上軟信號，經(jīng)過軟件控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)處理后輸出信號給驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使AGV做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)AGV直行、轉(zhuǎn)向、站點(diǎn)停車、故障報(bào)警及雙車體聯(lián)動(dòng)控制等復(fù)雜的工作以及最大限度地避免車體的不安全狀態(tài)保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和人身安全。

1.3 AGV非接觸供電系統(tǒng)

非接觸供電技術(shù)是結(jié)合電力技術(shù)與電磁感應(yīng)耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸進(jìn)行電能傳輸，其實(shí)質(zhì)是一種分離式的變壓器。在非接觸條件下通過原、副邊線圈的耦合實(shí)現(xiàn)電能量傳遞，克服傳統(tǒng)供電方式存在的缺點(diǎn)和不足[1]，從而確保電能量在傳輸過程中安全與可靠。

AGV非接觸供電應(yīng)用示意圖如圖3所示。原邊側(cè)電磁發(fā)射部分由原邊變電柜和原邊電纜組成，副邊側(cè)接收部分，置于AGV舵輪底部，通過耦合感應(yīng)獲得電能后存于AGV車體的電池中。

圖3 AGV非接觸供電應(yīng)用示意圖

圖4 原邊側(cè)電纜鋪設(shè)橫切面示意圖

非接觸供電系統(tǒng)原邊側(cè)電纜的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)如圖4所示?？梢钥闯?，原邊側(cè)電纜的鋪設(shè)對AGV的正常工作不會(huì)產(chǎn)生任何阻礙，在給AGV提供電能動(dòng)力的同時(shí)，不給AGV的運(yùn)行帶來任何影響。

在非接觸供電系統(tǒng)應(yīng)用過程中，只要保證拾電器的位置精度，就能保證AGV正常取電，為AGV耗電部件提供穩(wěn)定的電力輸出。消除AGV的離線過程，大大提高了AGV的使用效率。

2 AGV尋跡方案

AGV是通過車體左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差來改變車體的運(yùn)動(dòng)方向。在地面路徑檢測反饋的信息與引導(dǎo)基準(zhǔn)之間的差作為控制器的輸入量，以AGV驅(qū)動(dòng)部件的左右輪差速比作為依據(jù)，通過PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)位置式PID糾偏算法，從而得到AGV驅(qū)動(dòng)輪的速度控制。

2.1 差速轉(zhuǎn)向理論簡介

設(shè)某一時(shí)刻如圖5所示，O為AGV的瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)，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)左右兩輪角速度（ω）相等得出：

上式中：v為左輪速，v為右輪速，v為中心輪速，為輪距，為轉(zhuǎn)向半徑，為轉(zhuǎn)角速度。

若兩輪距和左右輪速v、v已知，則有：

由上面的等式得知： AGV左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪給定不同的速度，AGV就能得出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)v?v=0，且v≠0時(shí)，則有v=v=v，AGV直線運(yùn)行；當(dāng)v?v<0時(shí)，則有v>v>v，AGV右向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)v?v>0時(shí)，v>v>v，AGV左向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)v+v=0時(shí)，v=? v，R=0，AGV原地轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

圖5 AGV差速轉(zhuǎn)動(dòng)簡圖

通過上述差速轉(zhuǎn)動(dòng)解析得出：通過調(diào)節(jié)控制左右兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的輪速，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 AGV磁導(dǎo)航引導(dǎo)方式

AGV采用磁導(dǎo)航引導(dǎo)方式，沿著指定磁條導(dǎo)引路線行駛。磁導(dǎo)航傳感器檢測偏移距離和偏移角度示意圖如下圖6所示，為了實(shí)現(xiàn)AGV糾偏控制，在AGV前后部分別安裝有磁導(dǎo)航傳感器，根據(jù)前后磁導(dǎo)航傳感器輸出信息，可以計(jì)算出AGV縱向中心線與磁條導(dǎo)引路線的偏移距離及AGV與磁條導(dǎo)引路線的偏移角度，采用AGV糾偏控制實(shí)現(xiàn)了AGV沿著指定磁條導(dǎo)引路線行駛[3]。

圖6 磁導(dǎo)航傳感器檢測示意圖

初始位置時(shí)，AGV處于磁條正上方，即前后磁導(dǎo)航傳感器中心線與磁條中心線重合，偏移角度為零。當(dāng)AGV車體偏移磁條時(shí)，偏移角度會(huì)發(fā)生變化，從而能夠計(jì)算出AGV與磁條的偏移量，AGV差速輪根據(jù)偏移量給定值通過算法調(diào)節(jié)自動(dòng)尋找磁條，實(shí)現(xiàn)沿著鋪設(shè)的磁條行駛。

2.3 位置式PID糾偏算法

經(jīng)過多年運(yùn)動(dòng)控制理論的研究發(fā)展，AGV運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)從簡單控制轉(zhuǎn)向控制算法，研究發(fā)現(xiàn)AGV糾偏控制算法大多采用的算法是比較成熟的PID控制算法。只需要調(diào)整比例、積分和微分這3個(gè)參數(shù)就可以了，比例系數(shù)的作用是當(dāng)偏差出現(xiàn)時(shí)使得控制量的變化方向朝著減小偏差的方向發(fā)展；積分的作用是消除靜差；微分的作用是減小系統(tǒng)超調(diào)量，克服系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.4 電子糾偏PLC調(diào)速程序?qū)崿F(xiàn)方法

選用PLC作為AGV核心控制單元，交流伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速AGV運(yùn)行PLC調(diào)速程序框圖如圖7所示。

在圖7中，PLC接收到磁導(dǎo)航傳感器檢測的磁條位置信號，計(jì)算偏移角度，并判斷偏移方向。以偏移角度作為PID算法的輸入，計(jì)算求出兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓差，PLC通過PROFINET通訊協(xié)議直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)兩臺驅(qū)動(dòng)輪輪速，實(shí)現(xiàn)糾偏控制。加上站點(diǎn)位置RFID信號的準(zhǔn)確定位，保證了AGV能在設(shè)定位置上停車。

圖7 PLC調(diào)速程序框圖

3 AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 AGV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

AGV控制器采用西門子S7-1500 F系統(tǒng)的PLC。這是一款故障安全型自動(dòng)化系統(tǒng)（F系統(tǒng)），除了擁有S7-1500 PLC所有特點(diǎn)外，還具有較高安全性的系統(tǒng)，能確保系統(tǒng)中斷后這些過程可立即處于安全狀態(tài)，不會(huì)危害人身或環(huán)境。另外其將安全技術(shù)輕松地和標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化無縫集成在一起，可在同一中央處理器上同時(shí)處理標(biāo)準(zhǔn)程序和安全程序，在博圖編程軟件中，使用相同的編輯器編輯安全程序和邏輯程序，這樣就能向評估用戶程序那樣評估安全數(shù)據(jù)，并在自身或外圍元件出現(xiàn)故障時(shí)，依然能正確響應(yīng)并及時(shí)切斷輸出。同時(shí)支持一個(gè)集成的PROFINET接口模塊，用于網(wǎng)絡(luò)隔離PROFINET設(shè)備或高速通信設(shè)備。擴(kuò)展模塊采用8入8出的數(shù)字量輸入輸出模塊[4]，安全模塊選擇F-DI/F-DQ的模塊，可以實(shí)現(xiàn)不安全狀態(tài)保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和人身安全。AGV網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和I/O地址分配表如圖8、圖9所示：

圖8 AGV網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 I/O地址分配表

地址功能地址功能 %I0.0啟動(dòng)按鈕%Q0.0報(bào)警燈/音樂1 %I0.1停止按鈕%Q0.1報(bào)警燈/音樂2 %I0.2地標(biāo)檢測信號%Q0.2報(bào)警燈/音樂3 %I0.3PLS警告區(qū)1%Q0.3PLS區(qū)域1 %I0.4PLS警告區(qū)2%Q0.4PLS區(qū)域2 %I0.5PLS警告區(qū)3%Q0.5PLS區(qū)域3 %I0.6急停按鈕%Q0.6左輪電機(jī)抱閘 %I0.7左側(cè)舵限位開關(guān)%Q0.7右輪電機(jī)抱閘 %I1.0復(fù)位按鈕%Q1.0伺服復(fù)位 %I1.1右側(cè)舵限位開關(guān)%Q1.1輪系安全停止繼電器 %IW500左輪伺服狀態(tài)字%QW500左輪伺服控制字 %IW502左輪電機(jī)碼盤位置%QW502左輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW504左輪電機(jī)碼盤位置%QW504左輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW506左輪電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速%QW506左輪速度給定 %IW508左輪伺服故障代碼%QW508左輪加減速時(shí)間 %IW510左輪電機(jī)實(shí)際電流%QW510左輪速度補(bǔ)償 %IW600右輪伺服狀態(tài)字%QW600右輪伺服控制字 %IW602右輪電機(jī)碼盤位置%QW602右輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW604右輪電機(jī)碼盤位置%QW604右輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW606右輪電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速%QW606右輪速度給定 %IW608右輪伺服故障代碼%IW608右輪加減速時(shí)間 %IW610右輪電機(jī)實(shí)際電流%IW610右輪速度補(bǔ)償

3.2 AGV控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

依據(jù)AGV車體現(xiàn)場運(yùn)行功能需求，在博圖軟件程序塊中采用模塊化的結(jié)構(gòu)。其基本思路是：將位置傳感器采集的路徑信息和激光防碰撞傳感器檢測到的障礙物信息經(jīng)PLC處理后，通過主程序調(diào)用各個(gè)函數(shù)塊來實(shí)現(xiàn)AGV的直行、轉(zhuǎn)向以及安全避讓停車。PLC的總程序流程[5]見圖9所示。

圖9 PLC控制流程圖

3.3 AGV監(jiān)控觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏人機(jī)界面使用西門子觸摸屏設(shè)計(jì)界面。觸摸屏通過以太網(wǎng)與S7-1500F PLC進(jìn)行通訊，組態(tài)畫面主要設(shè)計(jì)了AGV運(yùn)行界面（自動(dòng)、手動(dòng)）數(shù)據(jù)設(shè)置界面和系統(tǒng)故障顯示及報(bào)警界面。自動(dòng)界面主要用于AGV運(yùn)行時(shí)的控制和狀態(tài)監(jiān)控，手動(dòng)界面主要是電動(dòng)機(jī)單步操作；報(bào)警界面主要是當(dāng)AGV故障時(shí)系統(tǒng)故障顯示及報(bào)警界面就會(huì)顯示故障原因和報(bào)警消息，如圖10所示。

圖10 AGV監(jiān)控觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行界面

4 AGV調(diào)試和方案的實(shí)現(xiàn)

圖11 AGV車體電氣部件裝配樣機(jī)

圖12 AGV運(yùn)行效果圖

開發(fā)的AGV樣機(jī)和現(xiàn)場運(yùn)行效果如圖11、圖12所示，在調(diào)試運(yùn)行過程中首要檢查電源接線和AGV輸入、輸出連接線等。在測量設(shè)備硬件連接無誤后通電上線試運(yùn)行，并根據(jù)實(shí)際需求，對硬件系統(tǒng)及控制程序進(jìn)行修改驗(yàn)證，通過對硬件和軟件的調(diào)試最終滿足控制方案中各項(xiàng)要求，很好地實(shí)現(xiàn)了AGV直線、轉(zhuǎn)向和指定站點(diǎn)停車等功能。并且經(jīng)過兩年多的現(xiàn)場實(shí)踐的應(yīng)用，AGV運(yùn)行平穩(wěn)，尋跡準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，得到了預(yù)期結(jié)果。

5 結(jié)束語

AGV已成為現(xiàn)代自動(dòng)化物流輸送中重要組成部分。本文應(yīng)用基于S7-1500F PLC制作的AGV控制系統(tǒng)，通過近兩年實(shí)踐應(yīng)用表明：

（1）利用S7-1500F PLC作為AGV控制載體可方便實(shí)現(xiàn)對外部信號采集以及實(shí)現(xiàn)對外驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制。操作界面簡便，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好。

（2）利用S7-1500F PLC的安全特性，有效消除了設(shè)備和人身安全隱患，比起S7-1200系列PLC為載體的AGV有了明顯的安全效應(yīng)。

（3）PLC自帶以太網(wǎng)通訊接口，擴(kuò)展性好，可與無線路由器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)AGV信息的交換，并構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠級AGV物流自動(dòng)化系統(tǒng)的需求[6]。

（4）通過磁地標(biāo)傳感器配合RFID讀寫器實(shí)現(xiàn)對站點(diǎn)磁地標(biāo)的讀取以及指定站定停車，提高了站點(diǎn)停車的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 徐凱.應(yīng)用于AGV的非接觸供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

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Design and Implementation of AGV Control System Based on Siemens S7-1500F PLC

LV Hongwei, WANG Xinrong, LI Hua

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Off-road Vehicle Assembly Factory, Shaanxi Xi'an 710022 )

This article mainly tells the story of Siemens S7-1500F PLC as AGV motion controller, using magnetic navigation path tracing for ground laid magnetic stripe, through the RFID reading the site location, ground non-contact power supply to provide power supply, PLC interactions with the data of the MES system has realized the AGV car body position automatic adjustment, the application of laser crash-proof technology (PLS). At the same time, the touch screen is used as the man-machine interaction interface, and the AGV control system is developed and established, and the AGV functions such as straight line, steering, automatic operation, speed regulation and stop are realized.

AGV;PLC;Magnetic navigation;Non-contact power supply;Differential drive

A

1671-7988(2021)22-100-05

TP242.2

A

1671-7988(2021)22-100-05

CLC NO.:TP242.2

呂紅衛(wèi)（1978—），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司越野車裝配廠，研究方向：電氣自動(dòng)化設(shè)備維修。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.026