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一种磁导式AGV小车PLC控制系统的设计

2020/2/4    来源:《工业控制计算机》2019年第32卷第4期    作者:陈浩云  陆荣  于多      
关键字:AGV  磁导引  PLC    
伴随着现代生产的日趋柔性化、自动化和智能化,AGV小车得到了最普及的应用和发展。为了促进自动化产线物流系统的高效运输,设计了以AGV小车的为主体的传输系统,采用PLC作为控制器,通过对AGV小车的工作原理、寻迹方法和编程思路的分析,选用了磁导航传感器和地标传感器组成循迹传感器,配合地面铺设的磁条,实现了往返于仓库和产线之间的运动,更好地提高了取送货物的工作效率。
    随着AGV(Automated Guided Vehicle)产品和技术的不断发展, 可以将生产工序或产线之间通过AGV进行高效连接,提高了自动化水平和生产效率,促进了工业柔性生产线、自动化物流系统的实现。 本文主要介绍一种磁导式AGV小车控制系统,该AGV小车为全国职业院校工业机器人技术应用赛项中的一个组成单元,属于磁条导航方式的自动导引车,主要实现机器人沿着地面铺设的磁条行驶,往返于立体仓库与产线之间完成取送货任务。
 
1 控制系统构成
 
    AGV小车采用磁导式循线方式,通过前后安装的循迹传感器使小车沿着地面铺设好的轨迹驱动电机行走;行走电机采用二台直流无刷电机,实现差速控制,定位精准。AGV机器人上部为平带输送装置,采用步进电机驱动,实现与产线或立库的对接与运送货物。
 
    小车寻迹PLC控制系统主要由以下几部分组成;主控单元采用西门子S7-1200 PLC;前后各安装有一个磁导航传感器和地标传感器组成循迹传感器 ; 磁导航循迹传感器内部间隔10mm平均排布8个采样点, 能够检测出磁条上方100高斯以下的微弱磁场,每一个采样点都有一路信号对应输出。AGV运行时,磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续1-4个采样点会输出信号,依靠输出的这几路信号,可以判断磁条相对于导航传感器的偏离位置,据此AGV 会自动作出调整,确保沿磁条前行。 地标传感器检测地面横向布置的磁条信号,并以此信号完成小车的减速和停车控制。
 
    小车电机采用两台直流无刷电机, 通过对应的两台直流无刷电机驱动器进行差速驱动, 以保证小车按照铺设好的磁条轨迹前后运行。 无刷电机使能(EN)、制动(BK)、方向(FR)控制端连接PLC输出端子, 电机转速通过 PLC 模拟量通道0-10V电压输出进行调节控制。
 
    小车寻迹PLC控制系统结构及直流电机驱动电路示意图如图1所示。
 
AGV小车PLC控制系统结构及电机驱动电路示意图
图1 AGV小车PLC控制系统结构及电机驱动电路示意图
 
2 设备组态
 
    打开TIA Portal V13 SP1编程软件,完成设备组态。CPU选择 CPU 1215C DC/DC/DC, 数字量扩展模块选择DI 16/DQ 16 X24VDC。组态界面如图2所示。
 
PLC设备组态界面
图2 PLC设备组态界面
 
3 程序编写
 
    3.1 程序结构
 
    程序编写按照模块化编程的思路, 将整体功能细分为相应的子任务,即子程序,也称为程序块;然后通过组织块(主程序)进行块与块间的调用来组织程序,模块化的程序结构便于程序的修改、检查和调试。
 
    按照系统实际功能要求,将系统程序结构设计如图3所示。
 
系统程序结构
图 3 系统程序结构
 
    整个程序主要由物理输入/ 输出程序块(FB1)、使能控制、制动控制和方向控制程序块(FB2)和运动控制程序块(FB3)组成。
 
    其中,物理输入/输出程序块(FB1)主要将AGV机器人的输入单元,即车体上的前后寻迹传感器、主令电器等的输入点转存到PLC内部存储器中,这样有利于程序编写和使用;该块主要完成一是检测AGV机器人巡线传感器与贴在地上磁线的相对位置,方便及时进行调整;二是判断AGV机器人是否运动到前后的限位,作出减速或停止的判断;三是输出相应的状态指示,如指示灯等。
 
    使能控制、制动控制和方向控制程序块(FB2)主要 实 现 根据外部的信号指令,驱动两台直流无刷电机,保证小车按照铺设好的磁条轨迹前后运行。 电机的运转状态是通过使能控制、制动控制和方向控制配合实现的;当需要小车前、后运动时,PLC对两台直流无刷电机驱动器进行控制,接通驱动器使能信号,解除制动控制,然后输入方向控制信号,就可以驱动电机转动,从而实现AGV小车运行。
 
    运动控制程序块(FB3)是 AGV 小车控制系统中最重要的一个程序块; 该块要实现小车行进过程中偏离度的检测与计算、根据偏离度采用 PID 控制方式计算两台电机的转速,通过调节两台电机的转差快速完成纠偏动作,使小车能够始终沿着铺设的磁条轨迹准确运行。 下面主要介绍运动控制程序块的编写思路。
 
    3.2 运动控制程序块
 
    3.2.1 偏离度检测与计算
 
    偏离度的检测主要是检测小车与磁条轨迹之间的偏离程度;当AGV小车居中运行时,寻迹传感器中间的3、4、5、6号灯点亮;当出现偏移时,寻迹传感器状态会相应变化,如当只有3、4、5点亮时,说明小车向右侧偏移;同样当只有4、5、6点亮时,说明小车向左侧偏移。 小车偏移状态示意图如图4所示。
 
小车偏移状态示意图
图4 小车偏移状态示意图
 
    这样我们就可以根据寻迹传感器的显示状态将偏离度分为8级;级数越高,说明小车偏离磁条轨迹越远。 小车偏离程度状态检测对应表如表1所示;仅列出小车前进时右侧偏移对应表,左侧偏移度及后退左右偏移度检测方法与该表一致,不再列写。
 
小车偏离度检测
表1 小车偏离度检测
 
    当检测到小车偏离度后, 我们就可以根据偏离程度进行计算, 这时就可以确定出PID调节中的P参数; 当偏离度越高,AGV左右轮电机差速值应该越大,需要尽快将小车调整回到磁道的中间位置。
 
    两台电机转差值的调节方式, 是首先根据PID参数值计算出转速差Δn;然后根据小车偏移方向,去调整两侧电机的转速;如小车右偏,偏移度为3,我们可以先计算出PID.P调节量,即仅按偏移度计算的转差Δn, 然后将右侧电机 M2转速调整为V+Δn,将左侧电机M2转速调整为V-Δn。 偏移度越大,与基本量相乘后数值越大,转差Δn越大,两台电机差速调节效果越明显。具体计算程序如图5所示,其中PID.P系数为人为设置的基本调节量。
 
PID.P调节量计算程序段
图5 PID.P调节量计算程序段
 
    3.2.2 PID参数计算
 
    如果根据偏移度,仅调节比例P系数来调整两台电机的转差,会发现AGV很难稳定下来,将会左右摆动,形成振荡。 解决这个问题,需要根据实际转差调节效果,增加微分系数,即PID.D调节量。
 
    PID.D调节量主要根据前后两次采集的偏离度来设置;采用最近一次的偏离度减去上一次偏离度的数值,反映调节效果,再用这个值乘以PID.D系数(人为设置的基本调节量),得到PID.D调节量。 具体计算程序如图6所示。
 
PID.D调节量计算程序段
图 6 PID.D调节量计算程序段
 
    最后,将计算得到的PID.P调节量和PID.D调节量相加,得到实际调节量,即 PID.PID调节量。 具体计算程序如图7所示。
 
PID调节量计算程序段
图7 PID调节量计算程序段
 
    3.2.3 转速计算
 
    根据以上计算得到的PID.PID调节量, 就是电机调节时需要的转差值,即转差Δn;然后在电机基本速度基础上对两台电机的转速进行或加或减计算, 数值通过模拟量输出通道传递给电机驱动器,驱动电机完成转速调节过程,形成AGV的纠偏处理。 实际程序如图8所示。
 
转速计算程序段
图8 转速计算程序段
 
4 结束语
 
    本系统程序中的基本调节量,即PID.P系数和PID.D系数,需要在实际调试过程中进行修改调整, 以保证AGV能够可靠、稳定地运行。 该磁导式AGV小车在实际运行过程中,运行稳定,纠偏迅速,达到了预期的设计要求。
责任编辑:杨培
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