基于西門(mén)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

基于西門(mén)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(chē)有限公司 越野車(chē)裝配廠，陜西 西安 710022）

文章主要講述了以西門(mén)子S7-1500F PLC作為AGV運(yùn)動(dòng)控制器，利用磁導(dǎo)航傳感器對(duì)地面鋪設(shè)磁條路徑尋跡，通過(guò)RFID對(duì)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(chē)。同時(shí)以西門(mén)子觸摸屏作為車(chē)體人機(jī)交互界面，開(kāi)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(chē)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(guó)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(chē)制造行業(yè)也迎來(lái)了快速發(fā)展，一種自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)式的移動(dòng)機(jī)器人（auto- mated guided vehicle）被引入汽車(chē)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(chē)。

西門(mén)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(jiǎn)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(mén)子S7-1500F PLC硬件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)AGV控制系統(tǒng)，對(duì)于重卡汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輪胎安裝等特殊要求；出于安全考慮，在AGV車(chē)頭安裝有激光防碰撞傳感器（PLS）。

1.2 AGV控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖2所示，AGV車(chē)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(cè)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(chē)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(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)AGV轉(zhuǎn)向。差速尋跡信號(hào)由車(chē)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(kāi)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(wú)線供電；RFID可對(duì)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(chē)；AGV車(chē)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(chē)體自身的安全。

AGV車(chē)體的控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1500F PLC，外圍按鈕、旋鈕等采集信號(hào)以及觸摸屏上軟信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)處理后輸出信號(hào)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(chē)、故障報(bào)警及雙車(chē)體聯(lián)動(dòng)控制等復(fù)雜的工作以及最大限度地避免車(chē)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(guò)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(guò)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(guò)耦合感應(yīng)獲得電能后存于AGV車(chē)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。可以看出，原邊側(cè)電纜的鋪設(shè)對(duì)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(lái)任何影響。

在非接觸供電系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)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(guò)程，大大提高了AGV的使用效率。

2 AGV尋跡方案

AGV是通過(guò)車(chē)體左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差來(lái)改變車(chē)體的運(yùn)動(dòng)方向。在地面路徑檢測(cè)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)圖

通過(guò)上述差速轉(zhuǎn)動(dòng)解析得出：通過(guò)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(chē)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(cè)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(cè)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(chē)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(cè)的磁條位置信號(hào)，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(guò)PROFINET通訊協(xié)議直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)兩臺(tái)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(hào)的準(zhǔn)確定位，保證了AGV能在設(shè)定位置上停車(chē)。

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(mén)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(guò)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(wú)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(píng)估用戶程序那樣評(píng)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(lè)1 %I0.1停止按鈕%Q0.1報(bào)警燈/音樂(lè)2 %I0.2地標(biāo)檢測(cè)信號(hào)%Q0.2報(bào)警燈/音樂(lè)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(kāi)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(kāi)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(pán)位置%QW502左輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW504左輪電機(jī)碼盤(pán)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(pán)位置%QW602右輪電機(jī)目標(biāo)位置 %IW604右輪電機(jī)碼盤(pán)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(chē)體現(xiàn)場(chǎng)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(cè)到的障礙物信息經(jīng)PLC處理后，通過(guò)主程序調(diào)用各個(gè)函數(shù)塊來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV的直行、轉(zhuǎn)向以及安全避讓停車(chē)。PLC的總程序流程[5]見(jiàn)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(mén)子觸摸屏設(shè)計(jì)界面。觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)與S7-1500F PLC進(jìn)行通訊，組態(tài)畫(huà)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(chē)體電氣部件裝配樣機(jī)

圖12 AGV運(yùn)行效果圖

開(kāi)發(fā)的AGV樣機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果如圖11、圖12所示，在調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中首要檢查電源接線和AGV輸入、輸出連接線等。在測(cè)量設(shè)備硬件連接無(wú)誤后通電上線試運(yùn)行，并根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)硬件系統(tǒng)及控制程序進(jìn)行修改驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)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(chē)等功能。并且經(jīng)過(guò)兩年多的現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

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(guò)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(duì)外部信號(hào)采集以及實(shí)現(xiàn)對(duì)外驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制。操作界面簡(jiǎn)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(wú)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(jí)AGV物流自動(dòng)化系統(tǒng)的需求[6]。

（4）通過(guò)磁地標(biāo)傳感器配合RFID讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)對(duì)站點(diǎn)磁地標(biāo)的讀取以及指定站定停車(chē)，提高了站點(diǎn)停車(chē)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.

[2] 呼玉東,文嘯,張楚.基于S7-1200 PLC的AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)于實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓,2018(3):16-20+63.

[3] 楊前明,王俊基,崔克克.重載復(fù)合機(jī)器人自導(dǎo)引糾偏PID算法與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)電工程,2017,34(10)：1208-1213.

[4] 向曉漢,李潤(rùn)海.西門(mén)子S7-1200/1500PLC學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2018.

[5] 吳衛(wèi)榮.PLC和觸摸屏在AGV控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2012(12):115-119.

[6] 王璐歡,蘇衍宇.智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用初級(jí)教程（博眾）[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2020.

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(chē)有限公司越野車(chē)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