基于PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車設(shè)計(jì)

提高現(xiàn)代化工廠部門之間物料搬運(yùn)和內(nèi)部運(yùn)輸?shù)膮f(xié)調(diào)性，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全盤自動(dòng)化的重要舉措。傳統(tǒng)物料運(yùn)輸車具有設(shè)備復(fù)雜、功耗大、投資高、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，其中有軌運(yùn)輸車需鋪設(shè)專門軌道，若生產(chǎn)程序改變，需重新鋪設(shè)軌道，破壞路面，投資高;無軌運(yùn)輸車包括叉車及手推運(yùn)料小車，均需專人駕駛，勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)輸效率低。

本設(shè)計(jì)采用光電檢測(cè)技術(shù)，以日本三菱公司生產(chǎn)的FX-2N可編程控制器為控制核心，通過編程實(shí)現(xiàn)智能控制。若生產(chǎn)工序改變，只需重新鋪設(shè)光軌便可以相應(yīng)改變。是一種新型、高效、無污染的自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車，無人駕駛、安全可靠、操作方便?？山档蜕a(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1、系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，直流電機(jī)固定在運(yùn)輸車底座下側(cè)，驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)，步進(jìn)電機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，PLC作為控制系統(tǒng)中心，并與步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)及觸摸屏相連，得到速度、位置和障礙物信息同時(shí)輸出相應(yīng)的控制命令到直流電機(jī)、電磁制動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)。觸摸屏作為操作界面，給用戶提供一個(gè)可視化的操作平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)可劃分為信號(hào)檢測(cè)部分和控制部分。其中，信號(hào)檢測(cè)部分包括軌道線檢測(cè)設(shè)計(jì)、障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)、速度檢測(cè)設(shè)計(jì)，控制部分包括驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)、制動(dòng)控制設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖

運(yùn)輸車循跡采取光電探測(cè)法的原理。在車體底部安裝3只光電傳感器，運(yùn)輸車在地板上按照引導(dǎo)線自動(dòng)運(yùn)行時(shí)不斷地向地面發(fā)射紅外光。由于光電管對(duì)不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)：當(dāng)紅外光遇到綠色引導(dǎo)線時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在運(yùn)輸車上的接收管接收，輸出為低電平;如果遇到其他顏色則紅外光被吸收，輸出為高電平?？删幊炭刂破鞅憧筛鶕?jù)3只光電傳感器的狀態(tài)編碼為依據(jù)來確定引導(dǎo)線的位置和運(yùn)輸車的行走路線閉。運(yùn)輸車自動(dòng)尋跡的位置狀態(tài)編碼如圖3 所示。

圖3 運(yùn)輸車位置狀態(tài)編碼圖

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)運(yùn)輸車載重不超過70kg，對(duì)電機(jī)的負(fù)載能力有一定的要求，由于直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，因此選擇xM4—10125A型直流減速電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)自帶一個(gè)小鏈輪，齒數(shù)z1為9，選取大鏈輪齒數(shù)z2為19，所以傳動(dòng)比i為：

式中：n為直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，4r，s;d為運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)輪直徑，14cm。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接電路圖如圖4所示。電機(jī)通電后經(jīng)鏈條傳動(dòng)使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)將PLC輸出端Y2與兩相繼電器J5相連，當(dāng)Y2低電平時(shí)，J5活動(dòng)觸點(diǎn)KM 與觸點(diǎn)l連接，電機(jī)正轉(zhuǎn);反之Y2高電平時(shí)，J5活動(dòng)觸點(diǎn)KM與觸點(diǎn)2連接，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(CT一30lA9)通過J5連接電機(jī)，調(diào)整ADJ端子參數(shù)可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，檢測(cè)到的路況輸入信號(hào)，經(jīng)過PLC控制單元進(jìn)行計(jì)算并按結(jié)果的要求輸出控制信號(hào)到Y(jié)2端，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車的前進(jìn)、后退。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)鏈接電路圖

如圖5所示，PLC輸出端Yo連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的Pu(步進(jìn)脈沖信號(hào))，Y1連接到DR(方向控制)。PLC根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)行程序控制，當(dāng)運(yùn)輸車偏離引導(dǎo)線時(shí)，Yo接通，步進(jìn)電機(jī)開始工作(初始設(shè)置為右轉(zhuǎn))，當(dāng)判斷需要左轉(zhuǎn)時(shí)，Y1接通，控制步進(jìn)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)接線圖

2.2光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

綜合各種光電檢測(cè)器件的性能及本設(shè)計(jì)的具體要求，采用RPR220型光電對(duì)管。其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度硅平面光電三極管。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。

光電檢測(cè)電路如圖6所示。車體上的3個(gè)光電管對(duì)路徑信息進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)送到PLC輸入端，從左至右記作：x1、x2、x3，當(dāng)PLC檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，則紅外光被地上的綠色引導(dǎo)線反射，表明運(yùn)輸車處在綠色引導(dǎo)線上;反之運(yùn)輸車已經(jīng)偏離軌道。光電傳感器的輸入電壓為5V，而整體設(shè)計(jì)中輸入模塊采用的電壓為24V。采用穩(wěn)壓管LM317，調(diào)整電位器使其輸出電壓恒為5V，保證光電傳感器的正常工作。

圖6 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.3測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用測(cè)速傳感器來獲取運(yùn)輸車當(dāng)前速度，其作用主要有：

1)監(jiān)控運(yùn)輸車速度變化，為彎道速度控制提供參考;

2)實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，增加運(yùn)輸車穩(wěn)定性。系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪。測(cè)速傳感器安裝于運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)輪附近，測(cè)速輪安裝在靠近運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)輪的軸上，測(cè)速輪上開有間隔均勻的30個(gè)小齒，即齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，測(cè)速傳感器檢測(cè)到30個(gè)脈沖。當(dāng)運(yùn)輸車運(yùn)行時(shí)，測(cè)速傳感器不斷輸出脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)存放到 PLC的內(nèi)部寄存器中。測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)如圖7所示。根據(jù)式(3)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)N，再結(jié)合驅(qū)動(dòng)輪的直徑就可算出運(yùn)輸車當(dāng)前的運(yùn)行速度 V。

圖7 測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)圖

式中：n為測(cè)速輪每一周測(cè)得脈沖數(shù)，n=30;D5為測(cè)速傳感器測(cè)速時(shí)段輸出脈沖個(gè)數(shù);t為測(cè)速時(shí)段的計(jì)數(shù)時(shí)間，ms。

2.4速度控制電路設(shè)計(jì)

速度控制電路如圖8。由傳感器采集到的信號(hào)輸入到PLC上，經(jīng)PLC處理后傳送到Y(jié)端，3個(gè)輸出端Y11、Y12、Y13通過繼電器J1、J2、J3分別連接不同的分壓電路，電阻值的不同使得所分電壓不同，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(CT一301A9)輸出發(fā)生變化，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度控制。

圖8 速度控制電路設(shè)計(jì)

2.5避障電路設(shè)計(jì)

障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖9所示。在運(yùn)輸車的四周安裝有紅外光電傳感器，其檢測(cè)原理與路面檢測(cè)相似，當(dāng)運(yùn)輸車運(yùn)行時(shí)，傳感器檢測(cè)到人或其他障礙物，輸出為低電平，通過輸入端傳送到PLC，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出報(bào)警信號(hào)，反之，輸出高電平。

圖9 障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.6制動(dòng)電路設(shè)計(jì)

制動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖10所示。運(yùn)輸車遇到障礙物或到站時(shí)，需要自動(dòng)停止。停止由PLC編程控制，因此只需將輸出端Y4連接制動(dòng)裝置即可。本設(shè)計(jì)由繼電器J4動(dòng)作進(jìn)而通過電感的吸合作用帶動(dòng)繞在驅(qū)動(dòng)輪上的皮帶控制運(yùn)輸車的制動(dòng)。

圖10 制動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)輸車的控制采用模塊化的結(jié)構(gòu)，其基本思路是：將位置傳感器采集來的道路信息、速度傳感器采集來的速度信息和避障傳感器檢測(cè)到的障礙物信息經(jīng)PLC處理，輸出PwM信號(hào)到舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。方向控制和速度控制系統(tǒng)分別構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，兩者可相互影響，比如根據(jù)路徑識(shí)別的結(jié)果來控制速度，使得運(yùn)輸車在彎道上慢速，而在直道上快速。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

方向控制：運(yùn)輸車舵機(jī)是由舵輪、機(jī)械結(jié)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)和控制電路組成的一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。通過內(nèi)部的位置反饋來實(shí)現(xiàn)舵輪輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)將位置傳感器反饋的路面信息、測(cè)速傳感器測(cè)得的速度信息和避障傳感器檢測(cè)到的障礙物信息，經(jīng)過PLC控制單元進(jìn)行計(jì)算并按結(jié)果的控制要求向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出命令(PWM信號(hào)形式)，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制來實(shí)現(xiàn)舵輪的正反轉(zhuǎn)，在脈寬改變時(shí)，使其自動(dòng)變化到對(duì)應(yīng)值。

速度控制：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速方法。為進(jìn)一步精確控制運(yùn)輸車速度，還需要引入閉環(huán)速度控制。利用位置傳感器、速度傳感器和避障傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信息與期望速度之間的比較來確定輸出到直流電機(jī)的PWM信號(hào)，從而確定加速或減速?gòu)?qiáng)度的大小。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，已完成了樣機(jī)制作，可實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)運(yùn)輸，目前處于程序優(yōu)化階段。相對(duì)于國(guó)內(nèi)常見的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積較小、安裝方便，軌道鋪設(shè)簡(jiǎn)單，根據(jù)生產(chǎn)工序粘貼軌道紙便可實(shí)現(xiàn)無人駕駛;生產(chǎn)工序改變時(shí)，無需重新鋪設(shè)鐵軌，不破壞路面，從而確保了自動(dòng)運(yùn)輸車的平穩(wěn)運(yùn)行。該系統(tǒng)基于光學(xué)引導(dǎo)的思路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，導(dǎo)向可靠，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，有利于更加廣泛推廣和應(yīng)用。該系統(tǒng)采用觸摸屏對(duì)自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車進(jìn)行控制，直接選擇屏幕上的菜單，便可操作運(yùn)輸車。該系統(tǒng)配備了自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警及避障裝置，更加安全可靠，大大減少了不安全事故的發(fā)生。