基于PLC的AGV小車設計與實現(xiàn)

王逞　魏菡

摘 要：自動化運輸是在組裝、生產(chǎn)以及貨運部門中優(yōu)化物流組織中的關鍵點之一，它能夠提供一個非常方便的條件以便于完成這項繁瑣的任務，機械與電子技術之間的共同作用結合產(chǎn)生了AGV多功能多價值的產(chǎn)物。其包含了自動控制、信息處理及驅動技術等，能夠在各種領域中尤其是物流業(yè)得到了許多認可與應用。本文結合以往學者的研究及相關資料查閱，提出了一種新的PLC控制AGV小車的方案設計與實現(xiàn)，能夠較好地運用到生活中去，同時也為以后學者的研究提供了參考價值。

關鍵詞：PLC;AVG;自動化

0 引言

根據(jù)我國現(xiàn)今企業(yè)生產(chǎn)技術的發(fā)展，相關技術水平在不斷提升，對各種技術的要求也不斷嚴格，即技術水平需盡快跟進生產(chǎn)需求，而且對目前流行的自動化技術同時需不斷加深。AGV能夠更好地實現(xiàn)生產(chǎn)需求，幫助物流自動化運輸，是達成一條穩(wěn)定的流水線的關鍵技術。AGV在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它可以將零件和各種原材料按照計劃路線運輸?shù)叫枰牡胤剑恍枰緳C。目前，世界上每個制造大國都在不斷改革物流結構，降低物流成本。AGV幾乎可以應用于任何工廠環(huán)境，可以說它在制造業(yè)中得到了廣泛應用。

在制造業(yè)領域，就亞洲范圍來說，日本和韓國還是較為發(fā)達的國家，AGV作為一種先進的生產(chǎn)技術，其發(fā)展速度也是驚人的。此后，日本各大廠商意識到AGV技術的巨大生產(chǎn)潛力，都十分重視AGV技術的開發(fā)和應用，發(fā)展初期每年有數(shù)十臺新的AGV機組投入使用。而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日本的AGV在產(chǎn)品規(guī)格、AGV型號、技術水平和自動化程度等方面都得到了完善。

1 系統(tǒng)設計思路

本設計對AGV的相關技術和控制原理進行了充分地研究和分析，總結了幾種主要的AGV導航方式和驅動方案，并詳細、全面地比較了各自的優(yōu)缺點。結合實際需求，選擇最佳方案。系統(tǒng)設計主要工作有：

以確保控制方案為基礎，選擇主要的避障模塊、驅動單元、導航儀與PLC作為本次AGV小車硬件的主要設計。設計AGV的供電電路，安裝安全裝置。設計AGV的控制運算方案，通過運用STEP7來進行編寫AGV的控制程序。

在前期工作的基礎上，根據(jù)設計完成了AGV小車的安裝和制造。車身制造完成后，將PLC連接到計算機上，將之前編寫的控制程序下載到PLC上。對軟件和硬件進行了全面的調試，對調試中出現(xiàn)的所有問題逐一分析解決，直到AGV能夠按照設計要求穩(wěn)定運行。

2 設計方案

2.1 控制系統(tǒng)及導引方式選擇

AGV作為控制系統(tǒng)的“心臟”，承擔著極其重要的任務，包括處理與信息的采集收集過程。它能夠對驅動系統(tǒng)單元發(fā)出信號從而控制汽車的運行動態(tài)，并通過向驅動單元發(fā)出指令來控制汽車的運行狀態(tài)，做出前進、停車、左轉、右轉等步進動作。所以需要根據(jù)預期的I/O點數(shù)、控制內容、指標等來選擇合適類型的PLC控制器和相應的擴展模塊。

AGV需要配備很好地實現(xiàn)自主導航，故其導航模式是必不可少的。AGV導航裝置主要是由導航與其他傳感器共同構成的，并且能夠實現(xiàn)將路面數(shù)據(jù)轉換為模擬量或者數(shù)字量。當前較為成熟的AGV導航技術包括磁帶導航、GPS導航、電磁導航、激光導航等等，在這些導航當中，磁帶導航是目前運用最廣泛最為成熟的技術，即本設計中也同樣使用磁帶導航。

磁帶引導是指在預驅動路徑上直接鋪設一條寬約50 mm、

厚約1 mm3 mm的磁帶。磁帶周圍會形成一個固定的磁場。通過磁傳感器采集磁場強度信號，實現(xiàn)汽車姿態(tài)的校正和汽車在預駕駛路徑上的自引導功能。磁條可分為表面粘結磁條和埋置磁條兩種，表面粘結磁條和埋置磁條都是由鐵氧體粉末和合成橡膠復合材料粘結在一起，然后將這兩種材料復合成新材料，通過擠出成型等一系列復雜工藝制成。這些磁條是柔軟的彈性磁條，并且磁條有兩個極性，相同的磁場和相反的磁場，因為在運行過程中需要分別使用相同的磁場和相反的磁場。

通過地面上的磁條由相應的磁導設備實時監(jiān)測。如果AGV運行在正確的軌道上，磁導設備中的感應信號應向中間的幾個信號發(fā)出信息。當AGV發(fā)生偏差時，磁導設備的感應信號也會發(fā)生偏差。AGV通過實時接收信號來判斷AGV是否偏離路徑。如果有偏差，AGV通過轉向調節(jié)來引導。

2.2 差速驅動模塊

AGV的差動驅動模塊由兩部分組成：彈簧懸掛機構和驅動模塊底盤。當差動驅動模塊位于磁道上方時，磁導航傳感器會通過差動驅動模塊檢測到3～5個數(shù)字信號。通過其內部獨立的數(shù)字信號通道，數(shù)字信號將被發(fā)送到PLC，由PLC對接收到的數(shù)字信號進行處理，分析和判斷當前車身相對于磁軌的位置。如果磁道不在車身中間，則PLC將向差動驅動模塊發(fā)送信號。該信號會不斷調整兩個驅動輪的速度，使兩個輪以不同的速度旋轉，從而使車身隨時可調，直到磁道位于中央的行進方向。而一旦磁道到達車體中心，PLC就會加速。驅動模塊發(fā)送信號，使兩個驅動輪以相同的速度旋轉，并且AGV沿著指定的軌道運行。AGV差動驅動模塊本身作為標準化的機械機構，不能獨立運行。這種差異速度驅動模塊通常安裝在四輪車的底盤下方，具有更強的穩(wěn)定性和承載能力。AGV的底盤通過彈簧懸掛機構連接到驅動單元的底盤。通過彈簧懸掛機構的伸縮功能可以微調驅動輪的高度，此功能可保證兩個驅動輪始終接觸地面。因此磁性導航傳感器可以隨時收集磁道信號，同時它還可以始終控制AG的方向。差動驅動模塊的安裝和維護非常簡單，另外，其操作可靠性仍然很高，并且轉向速度快速且靈活。普通物料車經(jīng)過簡單修改后，增加了該驅動程序模塊的安裝也可以成為AGV。

2.3 驅動方案及供電系統(tǒng)設計

大多數(shù)采用雙驅動模式的AGV都是四輪車型。AGV有兩個驅動輪，兩個驅動輪兼作方向盤。兩個輪子都配備了電機，以提供動力輸出，并可以自由轉向，兩個驅動自由輪保持平衡。這類AGV可以實現(xiàn)向前逃生、向后和全方位駕駛等功能，其最突出的特點是在駕駛過程中可以根據(jù)要求自由控制自己的身體姿勢，可以實現(xiàn)直線、斜線運行。因此，它可用于狹窄的人行橫道或運動方向非常明確的環(huán)境中。雙驅動AGV的缺點與差速驅動的四輪AGV相似。它對地面的平整度有非常嚴格的要求。由于某些地面有突出物，很容易造成其中一個車輪懸空，使導航儀無法檢測到磁導，影響導航，因此其應用范圍受到一定限制。另外，雙驅動機床的結構比單驅動和差速驅動更復雜，因此生產(chǎn)成本更高。

本次設計的AGV差速驅動是位于磁軌道的上方，能夠導航傳感器并將檢測出的數(shù)字信號發(fā)送到PLC中去，繼而PLC又將數(shù)字信號經(jīng)過一系列的處理與分析小車與軌道之間的相對位置，PLC可以給差速驅動不斷發(fā)送信號，從而不斷調整小車的前進方向，使得AGV是沿著軌道正常行駛。

供電系統(tǒng)是整個AGV的電源保障，一般由蓄電池、充電裝置和安全裝置組成。AGV的整體電源是基于多對象的，可根據(jù)不同對象的電源需求提供電源。

本文設計中AGV小車采用了鋰電池作為電源。選取鋰電池有以下幾個原因：（1）鋰電池的儲存能量高，可達到450 Wh/kg～600 Wh/kg。（2）鋰電池使用的壽命較長，減少更換時的成本費用。（3）鋰電池具有很好的溫度適應性，能夠承受的溫度達到60℃以下正常工作。（4）鋰電池充電速度較快。

2.4 避讓方法設計

AGV小車的設計中包含設計了避讓模塊，它也是在小車行駛過程中一個必要的組成部分。當AGV小車在道路中行駛遇到一些障礙物時，其內部的避讓模塊會檢測出障礙物的存在，并立刻發(fā)送信號到控制模塊中，經(jīng)過控制模塊的分析，電機將立刻采取剎車，避免小車的碰撞從而造成不必要的損失。

本文設計采用了PX-2松下障礙物傳感器檢測系統(tǒng)，其具有檢測距離長、防干擾功能、睡眠模式及體積小的優(yōu)點。

2.5 PLC信息處理

PLC通過I/O口獲取磁導航傳感器的信號。16個數(shù)字代表16個磁探頭的輸出信號。一般采集到的磁信號為高電平，未采集到的磁信號為低電平。PLC同時采集15個輸入信號的電平值，通過識別哪些磁探頭檢測到磁信號，進而判斷其是否偏離。如果出現(xiàn)偏差，多個端口的電平信號也可以判斷AGV是向右移動還是向右移動。向左偏移，依次進行相應的處理。

由于磁導的制導過程是按照固定的軌道進行的，所以修整和矯直過程是在不偏離磁條的前提下，在磁導系統(tǒng)液位控制器中檢測到的，確定了AGV的電流方向和偏離程度，如果右側的磁導航傳感器信號為高電平，則AGV應向右轉，直到磁導向系統(tǒng)的電平信號返回至頭部的中部為高電平為止，表示AGV的路徑軌跡與建立后，當前向前移動，AGV必須向左移動，為了恢復AGV狀態(tài)，應轉向左側，直到AGV返回給定的軌跡，因此AGV的磁導過程是不斷調整的過程車身。從微觀上看，AGV一直在做本地工作。

3 實驗運行

3.1 測試環(huán)境

本次項目所測試的AGV小車在一個鋪設封閉環(huán)境下軌道50 m，拐彎處半徑為0.6 m的圓弧型狀，其主要目的是測試小車在運行過程中的方位引導能力、避讓方式以及其小車供電運行速度是否達到設計參數(shù)的指標。

3.2 引導能力測試

方法：關閉AGV，用手撥動小車使其重心線脫離軌道行駛，待小車完全偏離軌道時啟動AGV，觀察小車是否能夠回到運行軌道中。

結果：在啟動AGV后小車的路徑感應器接收到信號，小車能夠在較短的時間內回到運行軌道中，但其歸回過程比較曲折。

3.3 避讓方法測試

方法：小車在運行的軌道中任意放置一定的障礙物（板磚、行人、鐵桶），將小車AGV啟動并運行，觀測小車的在運行軌道上當遇到障礙物時是否及時停止，觀測小車上報警器是否報警，并測量出小車在遇到障礙物停止時距離障礙物的距離長度。

結果：AGV小車在運行過程中并不區(qū)分板磚、行人及鐵桶，在距離各類障礙物5 m左右時開始減速并報警器開始報警，當距離障礙物2 m左右時停止運行，即小車滿足避讓障礙物的要求。

3.4 小車供電運行速度測試

方法：小車在運行軌道中正常運行，在蓄電池充滿電情況下，每隔1小時測一次小車的運行速度，直至鋰電池消耗完畢，記錄出相應的數(shù)據(jù)結果。

結果：小車鋰電池共供電18.6 h電池消耗完畢，滿足鋰電池的性能要求。小車的運行速度在前14 h運行速度基本保持不變，當超過14 h后，隨著鋰電池的消耗，電壓不足使得小車在軌道中運行速度減慢，即小車在運行過程中超過一定的時間時應更換電池。

4 結語

本設計是在前人工作的基礎上，對磁帶導引AGV小車的控制方式進行了系統(tǒng)而全面地闡述。可根據(jù)車體與磁道的相對位置進行換車，保證磁道位于車的中心位置。該車響應速度快，實時性好，在試運行過程中，AGV具有良好的可控性和較高的性價比，可為今后的研發(fā)提供一定的參考價值。

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