基于RFID和磁導航的AGV小車S7-1200PLC控制系統設計

晏華成 宋國翠 蔡文鑫

摘? 要：該項目利用S7-1200PLC作為AGV主控制器，采取驅動輪差速進行轉向控制，采用磁導航傳感器和RFID標簽傳感器實現循跡和定位功能，實現AGV小車在立體倉庫、VMC850數控加工中心、CK40S數控車床、RB20工業機器人、裝配單元之間產品的搬運功能。

關鍵詞：AGV；S7-1200PLC；驅動輪差速控制；磁導航傳感器；RFID標簽傳感器

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0034-04

Abstract： The project uses S7-1200PLC as the AGV main controller， adopts drive wheel differential to control steering， uses magnetic navigation sensor and RFID tag sensor to realize tracking and positioning functions， and realizes the product handling function of AGVs in three-dimensional warehouse， VMC850 NC machining center， CK40S NC lathe， RB20 industrial robot and assembly unit.

Keywords： AGV; S7-1200 PLC; drive wheel differential control; magnetic navigation sensor; RFID tag sensor

AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引車），是一種能夠在工業環境中自主導航、感知周圍環境并執行物料搬運或其他任務的機動車輛。通過自動化、智能化和自主導航的特征，AGV能夠減少人工操作，提高生產效率、降低勞動強度，同時提高工作安全性和品質穩定性，因此在智能產線物料搬運、倉儲物料搬運、智能物流運輸和自動分送藥品等行業中得到越來越廣泛的應用。

AGV采用可編程邏輯控制器（PLC）控制具有可靠性高、靈活性強、集成性好、實時性強和可擴展性好的優點。這些優點使PLC成為控制AGV小車的理想選擇，可以實現高效的自動控制和運行。由于PLC可擴展性好，可添加多種功能模塊，因此易于擴展AGV功能，同時PLC有多種通信方式，易于實現人機交互和系統集成[1]。

本項目為四齒魔方智能制造產線，主要包括主控單元、立體倉庫、VMC850數控加工中心、CK40S數控車床、RB20工業機器人、裝配單元、AGV小車。AGV小車用于各單元間物料的搬運，AGV采用S7-1200PLC進行控制。

1? AGV控制系統總體方案設計

AGV控制系統主要由S7-1214C DC/DC/DC控制器、傳感器、觸摸屏、電動機驅動器、電源和報警器等部分組成，控制系統的組成如圖1所示。上位機控制器采用S7-1511型PLC，AGV控制器采用TL-CPE300D工業級雙頻無線客戶端模塊，實現與上位機的S7無線通信。上位機將任務類型、目標工位、任務號、充電控制和移栽控制等控制信號發送給AGV控制器；AGV控制器將小車工作模式、小車工作狀態、小車行走方向、小車當前速度、小車充電狀態和小車電池電量等信號發送至上位機。

2? AGV循跡與定位方案設計

本項目中AGV驅動輪采用4輪結構，這種結構相對于其他結構，如2輪或3輪結構，具有穩定性更好、載荷能力更高、轉彎半徑更小、操控性更強的優點[2]。本項目AGV底部結構如圖2所示，采取驅動輪差速進行轉向控制，采用磁導航傳感器和射頻識別（RFID）標簽傳感器實現循跡和定位功能。

2.1? AGV差速轉向原理

AGV差速轉向是指通過分別控制左右兩側驅動輪的轉速來實現轉向操作的一種原理。設某一時刻如圖3所示，O為AGV的瞬間轉動中心點，ω為轉角速度，VL為左驅動輪速度， VR為右驅動輪速度，V為輪中心速度，D為輪距，R為轉向半徑，則當AGV轉向運動時，左右驅動輪運動軌跡為一段圓弧，依據左右兩驅動輪角速度相等得出式（1）[3]。

從上面的等式可以得知：當AGV左驅動輪速度等于右驅動輪速度時，AGV會直行；當AGV左驅動輪速度大于右驅動輪速度時，AGV會向右轉；當右驅動輪速度的轉速大于左驅動輪速度時，AGV會向左轉。因此通過調節控制左右2個驅動輪的轉速，即可實現AGV車體的直線行駛、左右轉向行駛等不同的運動。

2.2? 磁導航傳感器

磁導航傳感器具有一到多組微型磁場探測器，且每個磁場探測器對應一個探測點，可探測地面行進路線上預先鋪設的磁條、磁道釘或者電纜等，從而引導AGV沿預設的軌跡運行[4]。本項目選用的磁導航傳感器配置了16個探測點，每一個探測點都有一路信號對應輸出，當相應的微型磁場探測器檢測到信號時，該探測點輸出高電平，反之則為低電平，并通過CAN總線將16點信號進行輸出。CAN總線通過GCAN-202模塊實現CAN總線轉以太網，AGV控制器PLC通過開放式通信（OUC）發送相應的指令來獲取磁導航傳感器的檢測數據。

2.3? 糾偏算法

AGV在自主導航行駛過程中，由于轉彎等原因，無法保證AGV車身全程不偏離預定路徑，在測算得出AGV對固定磁條的偏差量，AGV控制器需要根據自身算法計算出偏差量，用合適的糾偏算法來控制AGV兩驅動輪的速度，使AGV與引導磁條的偏移量始終處于合理或者逐漸減小的狀態。本項目采用電機速度差糾偏算法，該算法通過控制AGV左右兩側驅動輪的轉速差異來實現糾偏。當AGV偏離左側時，控制器便會把偏差信息通過計算，反向推導糾偏所需速度差，通過加速右側驅動輪或減速左側驅動輪的速度，使AGV產生一個向左的轉向力矩，將AGV糾正回路徑上。

2.4? RFID標簽傳感器

AGV在運行到不同的站點時需要執行不同的指令，如停止、加速、減速、左轉以及右轉等。本項目事先在AGV的行走路線上安裝RFID標簽地標點。當AGV工作在自動模式時，AGV通過無線通信接收來自上位機的一系列目標站點信息后，通過安裝在AGV上的RFID讀寫器讀取當前站點信息，并以當前站點為起始站點開始判斷并搜索合適的路徑，得到合適路徑后AGV開始運行并不斷檢測站點信息，直至到達目標站點。

3? AGV控制系統硬件設計

AGV控制控制器采用S7-1214C DC/DC/DC控制器PLC，其硬件組態如圖4所示，其中通信模塊CM1241（RS232）用于同安裝在AGV上的RFID讀寫器通過點到點的方式進行通信，讀取RFID標簽數據；DI 16×24VDC/DQ 16×Relay模塊用于擴展PLC的輸入輸出點數；AQ 2×14BIT用于AGV左右驅動輪調速控制。

AGV常用電機有直流有刷電機、直流無刷電機、步進電機、交流伺服電機等，直流無刷電機因其機械特性好、調速范圍廣、壽命長、起動轉矩大、容易控制而被廣泛應用于驅動AGV的輪子或其他機械動力部件，以提供高效和可靠的運動[5]。本項目中AGV左右驅動輪選用無刷直流電機進行控制，AGV控制器PLC通過使能和方向信號控制驅動輪的啟動和方向，通過模擬量輸出進行調速，控制系統I/O地址分配表見表1。

4? AGV控制系統程序設計

PLC控制程序采用模塊化編程，其思路是將控制程序拆分為具有多個特定功能的子模塊，每個子模塊由相應的程序塊來實現，程序塊之間可以調用，最后通過主程序進行程序塊的調用來組織程序。模塊化編程有以下幾個主要優勢： 可重用性、增加可維護性、提高開發效率、提升代碼質量。本項目根據功能主要有以下子程序：S7通信、RFID讀寫程序、路徑選擇、路徑設置讀寫、讀磁導航傳感器子程序、糾偏計算、速度控制、驅動輪驅動、運動方向控制、移栽控制和I/O鏈接等，在主程序中調用這些子程序，如圖5所示。

5? 結束語

開發的AGV小車實物和現場運行畫面如圖6、圖7所示。

并且經過2年多的現場實踐的應用，AGV很好地實現了在立體倉庫、VMC850數控加工中心、CK40S數控車床、RB20工業機器人、裝配單元之間產品的搬運功能，AGV運行平穩，尋跡準確，抗干擾能力強，得到了預期的結果。

參考文獻：

[1] 朱方園，楊丹，戴昊，等.基于西門子S7-1200 PLC的AGV小車設計[J].信息化研究，2020（4）：60-63.

[2] 牟勝輝，王有亮，張成，等.應用于智能倉儲的AGV貨架搬運機器人[J].機電工程技術，2021（7）：56-59.

[3] 呂紅衛，王新榮，李華.基于西門子S7-1500F PLC的AGV控制系統設計與實現[J].汽車實用技術，2021（22）：100-104.

[4] 孫宜敬.磁導航AGV車載控制系統的設計與應用[J].現代制造技術與裝備，2022（2）：190-193.

[5] 吳世杰.基于PLC的雙驅AGV系統設計與實現[J].機械裝備研發，2020，51（2）：143-145，148.