基于PLC 的AGV 小車自動控制系統(tǒng)設(shè)計

謝惠玲

（廣州開放大學，廣州 510091）

自動導向車（Automated Guided Vehicle，AGV）小車指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有安全保護及各種移載功能的運輸車。具備自動移載裝置的AGV 小車在控制系統(tǒng)的指揮下能夠自動完成貨物的取、放及水平運行的全過程。隨著“中國制造2025”時代的到來，工廠普遍會引入更高工作效率、更精準的物料配送設(shè)備，實現(xiàn)更卓越的生產(chǎn)。因此，研究AGV小車搬運貨物自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠搬運環(huán)節(jié)的自動化和智能化，達到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)總成本的目的，具有重要的現(xiàn)實意義。

AGV 小車自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣取決于AGV小車、導航技術(shù)和車載控制器。綜合了二維碼導航技術(shù)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和海康A(chǔ)GV 小車的自動控制系統(tǒng)，具備可靠性、實用性、易操作性和易管理性，能夠應(yīng)用于較惡劣的車間工作環(huán)境。

1 AGV 小車自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備選型

1.1 二維碼導航技術(shù)

二維碼導航是目前應(yīng)用最廣泛、最穩(wěn)定的AGV小車導航方式。導航所用二維碼一般間隔1 m 鋪設(shè)，包括直線型、T 型和網(wǎng)格型等鋪設(shè)方式。鋪設(shè)導航二維碼前，先建立一個直角坐標系。坐標系建成后，每個二維碼即表示相應(yīng)實際位置的信息。二維碼信息的獲取必須使用專業(yè)配套的讀碼器，讀碼器直接安裝在AGV 小車上。AGV 小車經(jīng)過導航二維碼時，讀碼器讀取該站點的位置信息，然后解析成坐標數(shù)據(jù)，實時校準小車的位置。在未設(shè)置導航二維碼的位置，通過電機里程計和陀螺儀導航定位。通過二維碼導航，AGV 小車可以按照規(guī)劃路徑實現(xiàn)自動控制[1]。

1.2 AGV 小車選型

AGV 小車是貨物自動搬送的執(zhí)行設(shè)備，生產(chǎn)制造二維碼導航AGV 小車的代表廠家主要有?？怠O智嘉和快倉等。本系統(tǒng)選擇?？礠3-600D 潛伏機器人，導航方式為二維碼導航，定位精度較高，滿足系統(tǒng)精度要求。本系統(tǒng)搬運的貨物為發(fā)動機缸體，一個滿料籠大約540 kg，而該AGV 小車可以實現(xiàn)600 kg貨物的搬運、舉升和下放，滿足搬運質(zhì)量要求。該AGV 小車使用?？蹬涮椎亩S碼讀碼器，支持無線網(wǎng)絡(luò)通信，便于與其他設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)成AGV 小車自動控制系統(tǒng)[2]。

1.3 車載控制器選型

車載控制器是AGV 小車自動控制系統(tǒng)的核心。AGV 小車采用的車載控制器主要有PLC、工控機和單片機。作為工業(yè)計算機，PLC 隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展不斷更新?lián)Q代。除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制等功能，現(xiàn)代的PLC 還具有分布式輸入輸出接口、應(yīng)用程序編程平臺化和標準化、面向服務(wù)架構(gòu)等功能。因此，在智能制造時代，在工廠車間物料搬運智能化的情況下，PLC 仍然是很多廠家的首要選擇[3]。

本系統(tǒng)選擇三菱Q 系列Q06UDVCPU，屬于大型PLC，輸入輸出點數(shù)和程序容量都比較大，不僅滿足當前系統(tǒng)的需要，而且便于與后續(xù)工序組成更強大的控制系統(tǒng)。該PLC 的優(yōu)點在于具有強大的通信能力和數(shù)據(jù)邏輯處理能力，可以通過以太網(wǎng)和外圍設(shè)備通信，并進行交互數(shù)據(jù)處理。

2 AGV 小車自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工況流程

本系統(tǒng)應(yīng)用于某廠發(fā)動機缸體搬運項目，有1 臺PLC、2 臺AGV 小車、3 個上料工位、5 個庫籠位、2 個切換工位和1 個充電樁。它是一個閉環(huán)系統(tǒng)，能夠保證AGV 小車自動搬送的準確度和安全性。系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)流程如圖1 所示。AGV 小車與工位平臺和庫籠平臺直接對接。當AGV 小車到達工位平臺或者庫籠平臺時，向PLC 申請允許進入。

圖1 主要業(yè)務(wù)流程

AGV 小車實現(xiàn)滿料籠和空料籠的自動搬送，有手動操作模式和自動控制模式兩種，以下為自動控制模式的流程說明。

2.1.1 AGV 小車搬運滿料籠流程

AGV 小車搬運滿料籠流程：AGV 小車開始運行；工位下料完畢后，PLC 下發(fā)搬運任務(wù)；AGV 服務(wù)器接收信息；AGV 前往庫籠位；AGV 到達庫籠位，上報到位信號，申請進入；PLC 允許進入；AGV 進入庫籠叉取滿料籠并退出工位，將其搬運至交通管制申請點；AGV 上報離開庫籠信息；AGV 駛?cè)虢煌ü苤茀^(qū)域，前往機器人上料工位；AGV 上報到位信號，申請進入；PLC 屏蔽光柵，下發(fā)允許進入信號；AGV駛?cè)肷狭瞎の唬畔聺M料籠并退出工位；AGV 上報離開工位信號；PLC 打開光柵；AGV 回到充電樁位置；完成滿料籠搬運工作。

2.1.2 AGV 小車搬運空料籠流程

AGV 小車搬運空料籠流程：AGV 小車開始運行；工位下料完畢后，PLC 下發(fā)搬運任務(wù)；AGV 服務(wù)器接收信息；AGV 前往機器人上料工位；AGV 到達上料工位，上報到位信號，申請進入；PLC 允許進入；AGV 進入上料工位叉取空料籠并退出工位，將其搬運至交通管制申請點；AGV 上報離開上料工位信號；AGV 駛?cè)虢煌ü苤茀^(qū)域，前往切換工位；AGV 上報到位信號，申請進入；PLC 下發(fā)允許進入信號；AGV駛?cè)肭袚Q工位，放下空料籠并退出工位；AGV 上報離開工位信號；AGV 回充電樁位置；完成空料籠搬運工作。

2.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

2.2.1 通信設(shè)計

本自動控制系統(tǒng)由PLC、機器人控制系統(tǒng)RCS-2000、AGV 小車和各位置檢測傳感器組成，其中RCS-2000 主要完成AGV 小車任務(wù)調(diào)度與路徑規(guī)劃，AGV 小車主要完成滿料籠和空料籠的搬運任務(wù)。通過各位置傳感器，PLC 實時采集現(xiàn)場各工位和庫籠位信息，生成各種任務(wù)信息。工作區(qū)域內(nèi)貼有導航二維碼，確定AGV 小車行走路線。行走路線包括前進、后退、轉(zhuǎn)彎90°這3 種方式[4]。

PLC、RCS-2000 和AGV 小車之間采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進行通信。自動控制模式下，首先由PLC 根據(jù)工位傳感器和庫位傳感器的數(shù)據(jù)，向RCS-2000 發(fā)送AGV 小車搬送任務(wù)信息和允許AGV 小車進入工位的信息。搬送任務(wù)信息主要包括AGV 小車起點點位和終點點位。其次，RCS-2000 接收PLC 發(fā)送的信息，將AGV 小車搬送任務(wù)信息轉(zhuǎn)化成AGV 小車移動任務(wù)，允許AGV 小車進入工位信息轉(zhuǎn)化成舉升任務(wù)和下放任務(wù)，然后通過算法下發(fā)給最近的無任務(wù)AGV 小車。最后，AGV 小車接收RCS-2000 的任務(wù)信息，并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，向RCS-2000 實時上報位置、任務(wù)狀態(tài)和電量等信息。

2.2.2 PLC 控制功能設(shè)計

首先，工位管理。采用對射開關(guān)檢測上料工位有無料籠。若信號為ON，則上料工位為空，呼叫AGV，否則上料工位有待卸料籠，AGV 小車不搬送滿料籠。當AGV 小車到達各工位時，觸發(fā)相應(yīng)的位置檢測傳感器，向PLC 發(fā)送申請允許進入信息。

其次，庫位管理。采用多方位綜合檢測庫位有無滿料籠。如果庫籠1 至庫籠5 的料籠后限位檢測為ON，料籠在位對射光電感應(yīng)為ON，頭頂?shù)募す鈧鞲衅鳈z測為ON，則表示庫位有滿料籠，否則為無滿料籠，需要采用人工叉車搬送過來。當AGV 小車到達庫籠位時，觸發(fā)相應(yīng)的位置檢測傳感器，向PLC 發(fā)送申請允許進入信息。

最后，AGV 小車搬送任務(wù)發(fā)送。當上料工位沒有料籠時，PLC 發(fā)出空料籠信號，呼叫AGV 小車從庫籠1 至庫籠5 按順序搬運滿料籠到上料工位。料籠里的工件搬送完畢后，PLC 呼叫AGV 小車把空料籠搬至切換工位。若有搬送滿料籠任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行該任務(wù)。切換工位需要一直保持空的狀態(tài)，以保證在最短時間內(nèi)完成料籠切換[5]。

本系統(tǒng)PLC 自動控制流程如圖2 所示。

圖2 PLC 自動控制流程

2.2.3 監(jiān)控功能設(shè)計

（1）PLC 上位機監(jiān)控設(shè)計。對應(yīng)三菱PLC，選用三菱G0T1000 系列觸摸屏。觸摸屏通過以太網(wǎng)與PLC 通信，其網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址和PLC 處于同一網(wǎng)段。觸摸屏編程軟件為GT Designer3，可以進行工程和畫面創(chuàng)建、圖形繪制、對象配置和設(shè)置、公共設(shè)置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。本觸摸屏畫面上有各種控制按鈕及PLC 和AGV 的工作狀態(tài)等信息，包括手動模式、自動狀態(tài)、機種選擇、參數(shù)設(shè)置、輸入/輸出（Input/Output，I/O）監(jiān)控、聯(lián)機信號、故障信息和初始畫面等子畫面。

（2）AGV 小車液晶屏顯示。AGV 小車液晶顯示屏主要功能是顯示機器人實時任務(wù)信息、告警信息、避障數(shù)據(jù)和地圖配置信息，包括首頁、狀態(tài)信息、手動控制、配置信息4 個畫面。其中：首頁顯示機器人正在執(zhí)行任務(wù)、機器人狀態(tài)或者告警信息、機器人剩余電量等信息；狀態(tài)信息包括安全狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、維護數(shù)據(jù)、定位狀態(tài)；手動控制舉升上升、舉升下降等各種功能操作；配置信息包括二維碼X方向、Y方向的碼距、小車IP 等信息。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)通過PLC 和機器人控制系統(tǒng)RCS-2000 實現(xiàn)了AGV 小車自動搬運料籠，提高了工作效率，減少了人工成本。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展和推廣，本系統(tǒng)考慮實現(xiàn)手機與AGV 小車的互聯(lián)互通，利用手機的便攜性隨時了解AGV 小車的工況，及時處理突發(fā)事件，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。