PLC和触摸屏在AGV控制系统中的应用.pdf

1、仪器仪表 /检测 /监控 现代制造工程 ( Modern Manufacturing Engineering) 2012 年第 12 期PLC和触摸屏在AGV控制系统中的应用*吴卫荣 ， 丁慎平 ， 邓玲黎( 苏州工业园区职业技术学院机电工程系 ， 苏州 215123)摘要 : 分析了工业环境中自动导引车 ( AGV) 的系统构成和功能 ， 提出了 AGV 控制系统设计方案 。采用可编程控制器( PLC) 作为控制核心 ， 以触摸屏作为人机对话窗口 ， 利用光电传感器对路径进行跟踪 ; 同时对控制系统的硬件和软件进行了设计 。通过实验表明 ， 样机容易控制 ， 系统界面友好 ， 操作简便 ，

2、运行平稳 ， 安全可靠 ， 能完成工业环境下进行物料运输的任务 。关键词 : 自动导引车 ; 可编程控制器 ; 触摸屏 ; 光电传感 ; 路径跟踪中图分类号 : TP273 + 文献标志码 : B 文章编号 : 16713133( 2012) 12011505Application of PLC and touch-panel in AGV control systemWu Weirong， Ding Shenping， Deng Lingli( Mechatronics Engineering Department， Suzhou Industrial Park Institute ofVo

3、cational Technology， Suzhou 215123， Jiangsu， China)Abstract: The structure and functions of AGV in the industrial environment are analyzed， and the hardware and software in AGVcontrol system are designed including Siemens PLC， human-machine interface， photoelectric sensor to trace tracking The exper

4、i-ments showed that AGV is easy to control， friendly interface， simple operation， and smooth running， safe and reliable， able to com-plete the task of material handling in industrial environmentsKey words: AGV; PLC; touch-panel; photoelectric sensor; trace track0 引言自动导引车 ( AGV) 是一种通过导引装置自动沿预定路径行驶的轮式

5、移动机器人 ， 其运动控制包括消除 AGV 位姿偏差的路径跟踪和消除驱动轮转速误差的伺服控制 1。AGV 是自动化物流运输系统和柔性生产组织系统的核心设备和关键设备 。迹线与运动载体之间的信息传感方式一般分为有线导航和无线导航 。有线导航通常以激光信息 、红外信息 、超声波信息 、电磁信息和视觉信息引导 。无线导航通常有参考位置设定引导和标志反射引导 2-3。导向控制是整个 AGV 系统能否正常运行的关键 。利用红外传感器 ， 通过识别有色条带路径实现自主导航 。传感器通过检测接收管的电流或电压的大小来识别光电传感器检测到的路径信息 ， 由此判断出 AGV的行驶方向 4-5。直流电动机采用差速

6、驱动电动机建立闭环动态模型 ， 以纠偏电压为控制量找出伺服驱动的关系 。这种引导方式路径改变简单 ， 便捷 ， 成本较其他引导方式低 ， 同时能够使 AGV 准确地检测出路径信息 ， 具有实时性好 ， 反应灵敏 ， 运行更稳定 、更平滑 、更连贯 ， 控制程序算法更简单等优点 6-7。在高温 、粉尘 、振动和强电磁等复杂工业环境下 ，AGV 控制信号容易受到干扰 。可编程控制器 ( PLC)和触摸屏在恶劣的工业环境中 ， 其稳定性及抗干扰性相对于计算机控制系统有较明显的优势 。PLC 作为工业控制器的核心 ， 具有结构灵活 、工业环境中数据传输质量高而且速度快 、带宽稳定 、编程简单 、升级快

7、速和容易维护等特点 。触摸屏以其易于操作 、坚固耐用 、反应速度快和节省空间等优点 ， 不仅省去了系统按钮开关 、指示灯所对应的 PLC 输入点数 ， 减小了PLC 系统的规模 8。触摸屏和 PLC 的联合使用 ， 简化了现场操作 ， 提高了控制程序和人机界面的灵活性 ，使系统性能更加安全可靠 9。目前在 AGV 上使用511* 江苏省教育厅资助项目 ( 2010JYT01JD046)2012 年第 12 期 现代制造工程 ( Modern Manufacturing Engineering)PLC 和触摸屏方面的研究还很少见 。1 AGV 控制系统设计方案11 AGV 控制系统组成及选型AG

8、V 控制系统主要由控制器 、传感器 、触摸屏 、电动机驱动器 、电源和报警器等部分组成 ， 其框图如图 1所示 。图 1 AGV 控制系统组成框图信息处理部分的核心为 PLC， PLC 将传感器检测到的信息根据程序进行处理后输出 ， 控制 AGV 的前进 、矫正 、拐弯 、旋转 、停止和报警等动作 ， 实现 AGV 的智能化控制 。本控制系统采用西门子 S7-200 系列的CPU224 型 PLC。AGV 前端安装有三个红外线传感器 ， 用于检测前方障碍物 ， 当前方任何一个传感器有信号时 ， 小车就会停止前进 ， 同时报警灯闪烁 ， 蜂鸣器鸣笛 ; 当障碍物移开后 ， AGV 继续前进 。在

9、 AGV 底部安装有两个模拟量传感器和三个数字量红外线传感器 ， 其中模拟量传感器输出 0 10V 电压 ， 用于检测 AGV 在行进过程中是否偏离反光胶带 ， 当 AGV 左 、右偏移轨道时 ， 两个模拟量传感器所接收到反光胶带反射回来的红外线强度发生变化 ， 继而输出电压也随着改变 ， 从而使两个电动机的转速发生改变 ; 两个数字量传感器用于接收左转 、右转信号 ; 另一个数字量传感器用于检测AGV 旋转信号 。从性价比考虑 ， 本文选用台湾 WeintekMT506MV型触摸屏 ， 既经济又实惠 。AGV 前轮使用万向轮 。后轮采用两直流无刷电动机分别驱动 ， 每个直流电动机由单独的控制

10、器控制 。AGV 轮速偏差控制如图 2 所示 。图 2 中 ， 有两个具有驱动能力的电动机带动两个后轮转动 ， 再辅以一个万向轮前轮以辅助调整方向 。直流电动机调速性能好 ， 在一定负载的条件下 ，根据需要可人为改变电动机的转速 ; 直流电动机可在重负载条件下 ， 实现均匀 、平滑的无级调速 ， 而且调速范围较宽 ( 0 4 104r/min) 。同时 ， 为确保AGV 在行驶过程中各部件均能正常工作 ， 且相互之图 2 AGV 轮速偏差控制间不受影响 ， 笔者使用了两个电源分别为两个主要模块供电 。AGV 设有四个按钮和一个带蜂鸣器的 24V“红 -黄 -绿 ”警示灯 。四个按钮分别为 :

11、急停按钮 、启动按钮( 带灯 ) 、停止按钮 ( 带灯 ) 和复位按钮 ( 带灯 ) ; 按下启动按钮 ， 在安全状态下 AGV 会自动沿着反光胶带前进 ; 按下停止按钮或到达终点 AGV 停止 ; 按下复位按钮 AGV 回到初始位置 。警示灯有三种颜色 ( 红 -黄 -绿 ) ， 同时兼有一个报警用的蜂鸣器 。电源采用松下 48V 铅酸电池 ， 为直流电动机 、驱动器 、触摸屏和传感器供电 。12 路径跟踪路径跟踪的目的就是让运动载体能够沿着特定的迹线行驶 。在红外线跟踪过程中 ， 红外线发射器向路径方向发出红外线 ， 接收器将接收到的红外线信息通过解调后传送给控制器 。控制器对检测到的可信

12、信息进行进一步的处理和计算 ， 就可以得到运动载体与被跟踪迹线之间的相对静态关系和动态关系 。为了准确地对被跟踪迹线的信息进行传感和检测 ，在运动载体上安装了 “一 ”字形布局的红外传感器组 ， 如图 3 所示 。传感器之间的距离是相等的 ， 这就保证了传感器的不同敏感元之间对信息传感的均匀性 。各个传感器排列成一条直线 ， 保证了纵向的一致 ， 而使控制主要集中在横向上 。图 3 红外传感器组 “一 ”字形布局图611吴卫荣 ， 等 : PLC 和触摸屏在 AGV 控制系统中的应用 2012 年第 12 期路径跟踪的基本思想是 : AGV 运行开始 ， 若 AGV前方没有障碍物时 ， AGV

13、 前端的三个红外传感器 S6、S7和 S8无信号输入 ， AGV 开始路径追踪 。首先检测路径跟踪传感器 S1、S2是否在路径中间 ， 若是 ， AGV则加速直线前进 ， 此时 v1= v2， v1为后轮 1 的转速 ， v2为后轮 2 的转速 。若左偏时 ， 传感器 S3检测到信号 ，v1 v2， AGV 减速右校正 ， 直到 v1= v2时 AGV 加速前进 。若右偏时 ， 传感器 S4检测到信号 ， v1 v2， AGV 减速左校正 ， 直到 v1= v2时 AGV 加速前进 。在此过程中 ， 若传感器 S1、S2脱离路径 ， 则传感器 S3、S4起到纠正作用 ， 将路径纠正至 S1、S

14、2中间为止 。如果路径不是闭合的情况 ， 传感器 S5检测到 AGV 倒转位置信号 ，此时 v1= v2， AGV 原地旋转 180， 掉转车头向反方向继续路径追踪行驶 ， AGV 右转示意图如图 4 所示 。图 4 AGV 右转示意图2 系统硬件设计通过分析 AGV 控制系统 ， 数字量输入信号有十个 ， 模拟量输入信号有两个 ， 数字量输出信号有八个 ，模拟量输出信号有两个 ; 考虑到以后的扩展 ， 本设计保留一定的扩展余量 ( 工业应用中一般保留 20% 左右 ) ， 因此 ， 选择西门子 S7-200 系列的 CPU224( 十四个数字量输入 、十个数字量输出 ) 型 PLC 为主机模

15、块 ， 一个扩展模块 EM232CN 为模拟量输出模块 ( 两路输出 ) ， 另一个扩展模块 EM231 为模拟量输入模块 ( 四路输入 ) ， PLC 扩展模块 I/O 接线图如图 5 所示 。图 5中 ， L + 为电源输入端 ， E 为接地端 ， M 为电源公共端 。图 5 PLC 扩展模块 I/O 接线图21 I/O 地址分配AGV 控制系统输入信号 、输出信号对应 PLC 的 I/O 地址分配如表 1 所示 。表 1 PLC I/O 分配表输入信号 输出信号PLC 输入地址 符号 PLC 输出地址 符号I00 E_Stop_PB Q00 FreeI01 Start_PB Q01 Fr

16、eeI02 Stop_PB Q02 Mtr1_DirI03 Reset_PB Q03 Mtr2_DirI10 S3_Left_chk Q04 Mtr1_EnI11 S4_Right_chk Q05 Mtr2_EnI12 S5_Turn_chk Q06 BuzzerI13 S6_Front_chk1 Q07 TL_RedI14 S7_Front_chk2 Q10 TL_YellowI15 S8_Front_chk3 Q11 TL_GreenPIW0 S1_Tracking1 AQW0 Mtr1_VelocityPIW2 S2_Tracking2 AQW2 Mtr1_Velocity22 I/O

17、接线根据 I/O 分配表和 AGV 的控制要求 ， 给出 PLC的 I/O 接线图 ， 如图 6 所示 。23 控制器与电动机接线驱动系统采用直流无刷电动机 ， 电动机驱动器将电动机与控制器连接 ， 直流无刷电动机与驱动器的接线图如图 7 所示 ( 一个电动机示意图 ) 。其中驱动器的控制电压信号最大为 DC5V， 因此 ， 必须经 24V 电源转换得到 。3 系统软件设计31 PLC 控制程序设计根据方案的要求 ， 本系统控制采用模块化的结7112012 年第 12 期 现代制造工程 ( Modern Manufacturing Engineering)图 6 PLC 的 I/O 接线图图

18、7 直流无刷电动机与驱动器的接线图构 ， 其基本思路是 : 将位置传感器采集来的道路信息和避障传感器检测到的障碍物信息经 PLC 处理 ， 输出控制电动机的方向和速度偏差 ， 软件使用的是 SiemensSTEP7-Micro/WIN32， 用 PC/PPI 电缆连接 PLC 与个人计算机 。PLC 的程序流程见图 8。32 触摸屏界面设计触摸屏人机界面编辑软件使用 EasyBuilder 软件 ，该软件支持市场上大部分 PLC， 也可根据 PLC 类型自图 8 PLC 程序流程动设定通讯参数 ; 提供功能强大的对象编辑 ， 提供丰富的图库并支持 GIF 图形显示 ， 也可以自行建立图库 ，

19、可以轻松地编辑对象 ， 同时自动检查使用者编辑的界面资料是否存在错误 。在本系统中 ， 主要设计了 AGV 的初始界面 、运行界面 ( 自动 、手动模式 ) 、数据设置界面和系统故障显示及报警界面 。初始界面主要包含一些按钮 ， 可以调用其他界面 ; 手动模式界面主要用于电动机的调试和单步操作 ; 自动界面主要用于 AGV 运行时的控制和状态监控 ; 数据设置界面主要用于调整电动机的速度参数 ; 当 AGV 出现故障时 ， 系统故障显示及报警界面就会显示故障原因和处理建议 。32 触摸屏变量设置触摸屏变量相当于 PLC 中的输入 、输出或其他元件 ， 对这些变量进行操作可以直接控制 AGV 的

20、运行 。定义变量时要注意 ， “读取的设备和地址 ”、“输出的设备和地址 ”必须与所使用的 PLC 的地址类型一致 。触摸屏变量与 S7-200 PLC 编程地址如表 2 所示 。811吴卫荣 ， 等 : PLC 和触摸屏在 AGV 控制系统中的应用 2012 年第 12 期表 2 触摸屏变量与 S7-200PLC 编程地址触摸屏变量 PLC 地址 说明自动 /手动 M500 触摸屏切换开关启动 M502 触摸屏复归型开关停止 M504 触摸屏复归型开关复位 M506 触摸屏复归型开关前进 M510 触摸屏复归型开关后退 M512 触摸屏复归型开关左转 M514 触摸屏复归型开关右转 M516

21、 触摸屏复归型开关旋转 M520 触摸屏复归型开关电动机 1 使能 M522 触摸屏切换开关电动机 1 方向 M524 触摸屏切换开关电动机 2 使能 M532 触摸屏切换开关电动机 2 方向 M534 触摸屏切换开关电动机 1 速度调整 M540 触摸屏切换开关直行时电动机 1 速度 VW100 触摸屏数值输入左校时电动机 1 速度 VW102 触摸屏数值输入右校时电动机 1 速度 VW104 触摸屏数值输入左转时电动机 1 速度 VW106 触摸屏数值输入右转时电动机 1 速度 VW108 触摸屏数值输入旋转时电动机 1 速度 VW110 触摸屏数值输入电动机 2 速度调整 M550 触摸

22、屏切换开关直行时电动机 2 速度 VW120 触摸屏数值输入左校时电动机 2 速度 VW122 触摸屏数值输入右校时电动机 2 速度 VW124 触摸屏数值输入左转时电动机 2 速度 VW126 触摸屏数值输入右转时电动机 2 速度 VW128 触摸屏数值输入旋转时电动机 2 速度 VW130 触摸屏数值输入4 实验结果研制好的 AGV 样机如图 9 所示 。在某金属加工车间和半导体生产车间的实际运行实验过程中 ， AGV运行平稳 ， 路径追踪可靠 ， 受光线以及电磁影响的程度小 ， 控制便捷 。图 9 AGV 样机5 结语通过设计和实验 ， 得出以下结论 。1) 利用 PLC 和触摸屏设计的

23、 AGV 控制系统 ， 可以在 AGV 运行过程中随时调整运行速度 ， 操作便利 ， 实时性好 ; 另外 ， PLC的抗干扰性也比较好 ， 适合于工厂环境 。预留的扩展接口便于功能扩展 。2) 采用模拟量与数字量的传感器进行 AGV 路径跟踪的光学引导 ， 成本低 ， 调整简洁方便 。当生产工序改变时 ， 无需重新铺设铁轨 ， 只要改变粘贴轨道纸就可以改变运输车的运行轨迹 。此方法简单 ， 导向可靠 ， 变轨成本低 。3) 驱动设计采用轴承连接电动机与车轮 ， 避免了电动机的轴承长时间受压力压弯变形 ， 本设计传动性能更稳定 ， 电动机的使用寿命加长 。4) 采用 “一 ”字形传感器组布局检测

24、路面踪迹 ， 避免了 AGV 蛇形运行 。参 考 文 献 : 1 武星 ， 楼佩煌 ， 唐敦兵 基于精英进化导向的多目标 PID参数优化 J 控制理论与应用 ， 2010， 27( 9) 2 王荣本 ， 储江伟 ， 冯炎 一种视觉导航的实用型 AGV 设计 J 机械工程学报 ， 2002， 38( 11) : 135 138 3 徐克宝 ， 陈广庆 ， 高丽丽 ， 等 基于红外检测的迹线跟踪和分支识别技术的研究 J 传感技术学报 ， 2006， 19( 6) : 2613 2620 4 李进 ， 陈无畏 ， 李碧春 ， 等 自动导航车视觉导航的路径识别和跟踪控制 J 农业机械学报 ， 2008

25、， 39( 2) : 20 24 5 武星 ， 楼佩煌 ， 唐敦兵 自动引导车路径跟踪和伺服控制的混合运动控制 J 机械工程学报 ， 2011， 47( 3) : 43 48 6 KIM M S， SHIN J H， HONG S G， et a1 Designing a robustadaptive dynamic controller for nonholonomic mobile robotsunder modeling uncertainty and disturbances J Mechatron-ics， 2003( 13) : 507 519 7 DONG Wenjie， KUH

26、NERT K D Robust adaptive control ofnonholonomic mobile robot with parameter and nonparameteruncertainties J IEEE Transactions on Robotics， 2005， 21( 2) : 261 266 8 周建民 ， 周其显 ， 徐冬冬 基于 PLC、HMI 和伺服技术的粉针剂分装控制系统 J 仪表技术与传感器 ， 2010( 2) 9 陈朝泽 ， 任德均 ， 何华 基于 PLC、HMI 和伺服控制技术的磁性编码检测系统 J 仪表技术与传感器 ， 2008( 7) 作者简介 : 吴卫荣 ， 副教授 ， 主要从事计算机智能控制工业自动化 、机器人方面的研究 。丁慎平 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事计算机智能控制方法方面的研究 。E-mail: dspa qq com收稿日期 : 2012-08-20911