基于PLC的自动上料AGV系统设计

◎国正

本文设计了一款以西门子S7-1200为控制核心的工厂自动上料AGV系统，以电磁传感器检测路径铺设的电磁线，通过电机驱动AGV移动至生产线指定位置，然后采用自动伸缩设备将物料运送至生产区域。

一、引言

在自动化生产现场，常需要运送体积或质量较大的工件，传统的运送方式是以电动机传送带的方式，但在实践中该种方式缺乏一定的灵活性。AGV（Automated Guided Vehicle），即自动引导运输车，是移动机器人种类之一，能够完成将物料按照预定轨迹搬运至指定位置的功能。AGV现已广泛应用于工业生产过程中，为生产提供物料搬运支持，提高生产效率，尤其在物流产业中，AGV应用越来越普遍。AGV具有可靠性高、运输效率高、灵活性强等特点，未来AGV的市场空间更不可估量。

二、AGV系统整体方案设计

AGV在运行过程中首先要考虑的是装载和移动。由于AGV负有载重运输的职责，所以承重能力和动力是AGV设计的重点。本设计中，AGV车体采用厚质铝合金作为车身主材料，以4个直流减速电机作为运动执行机构，以大电流输出锂电池作为供电手段，以达到AGV载重量不小于20kg的载重标准。

如图所示为AGV系统整体方案框图。本设计由西门子S7-1200型号的PLC作为系统控制核心，负责接收各路传感器信号，并驱动电机实现移动功能、驱动升降机实现自动上料功能。电磁传感器是检测场所内预先布置好的电磁引导线，以实现路径的识别和关键位置点的侦测。超声传感器是检测AGV周围障碍情况的传感器，实现避障功能。AGV由4个电机驱动，以增强带载能力，每个电机对应单独的电机驱动，以保障AGV能够有效运行。每个电机齿轮传动处，分别安装1个旋转编码器，编码器的信号与S7-1200的高速计数器模块相连，实现速度闭环反馈控制，以控制车速。多录电源模块是为整个AGV系统供电的模块，不同模块的供电电压不同，通过多路电源模块内部的稳压，得到不同的电压，为传感器、控制器和执行器供电，同时多路电源模块内包含可充电和可更换的蓄电池。

三、系统硬件关键方案设计

本系统的硬件设计包括多路电源模块、多传感器模块电路、电机硬件驱动电路和PLC外围电路等设计。

1.多路电源模块设计。

电源模块是电子系统中提供能量的模块，本设计主要包括对PLC的供电、传感器供电和执行部件的供电。蓄电池采用+72V的锂电池，锂电池的特点是轻便、续航能力强，虽然瞬间带载能力较差，但是可以通过驱动、保护电路和软件控制策略弥补。蓄电池容量为50000mAh。稳压电路电压等级包括+24V电压，为PLC供电；+5V电压，为电磁传感器、超声传感器、旋转编码器供电。电机驱动和升降机采用72V供电，再根据实际运行功率，采用模拟量控制电压输出。

2.传感器信号电路设计。

传感器信号电路的设计主要是保证5V信号转换为24V后输入至PLC，以电平信号的方式完成路径识别。本设计采用光电耦合电路，以光电隔离的方式降低干扰。传感器选用5V也是为了降低AGV整体功耗。光电耦合电路选用TLP-521芯片，其光电隔离效果好，抗干扰能力强。

3.其他硬件电路方案。

本设计的电子系统中硬件电路，优先选择模块化的集成电路。例如电机驱动模块中，采用成型的驱动能够减少电路设计和焊接的工作量，且选择稳定性强的驱动，有利于提升AGV整体的可靠性。在维修方面，集成化的电路模块一旦出现问题，即可直接更换模块，而不必整机维修。

四、系统软件方案设计

对比常规以单片机为控制核心的AGV，采用PLC作为控制核心的AGV在抗干扰能力方面有所加强。S7-1200是目前工厂自动化生产中应用非常广的一款PLC，其抗干扰能力极强，且I/O点数较多，内部功能模块十分丰富。在复杂的生产环境中，可能包含有电磁干扰、电子干扰等，如果AGV抗干能力不足，极易导致AGV运行事故。

软件方案采用PLC梯形图控制。上电后，首先系统完成各个模块的初始化任务，随后完成AGV当前状态的自检。自检无问题后，AGV根据运行轨迹，通过电磁传感器对铺设好的电磁线路进行检测，当反馈路径信息后，完成运行决策的判断和执行，再控制直流减速电机运动，使AGV实现各个方向的运动。超声传感器在AGV运行时，随时检查运行轨迹中存在的障碍，如果遇到障碍，立即中断并执行避障程序，随后进行应急处理，直至AGV将物料运送至目的地，完成对物料的运输任务。

对于编码器输入捕捉程序的编写，其目的主要是使直流减速电机运行精准，避免由于地面打滑、给定值与输出值误差大造成的运行精度不高的问题。PID程序的编写是根据编码器传送的信息，计算出输出值与给定值的偏差，根据偏差进行比例、积分和微分控制，以实现对4个直流减速电机的精准控制。对于P、I、D三个参数的调节，要根据经验法进行试调，值得注意的是，在调试时要尽量根据AGV在工厂实际运行地面的材质进行调节，以免摩擦系数不同，导致P、I、D系数的偏差，造成AGV运行精度下降。

五、结束语

本文完成了以PLC为控制核心的自动上料AGV的系统设计。未来，AGV可以在此系统基础上，增加更多的功能，包括应用Zigbee、内部组网等方式，可以使更多AGV联合运作，大大提升生产效率。