基于西門子S7-1500 F PLC的AGV控制系統設計與實現

呂紅衛，王新榮，李華

基于西門子S7-1500 F PLC的AGV控制系統設計與實現

呂紅衛，王新榮，李華

（陜西重型汽車有限公司 越野車裝配廠，陜西 西安 710022）

文章主要講述了以西門子S7-1500F PLC作為AGV運動控制器，利用磁導航傳感器對地面鋪設磁條路徑尋跡，通過RFID對站點位置進行定位，MES系統與 PLC數據交互實現AGV位置自動調整，利用地面非接觸供電給AGV提供動力電源，激光防碰撞傳感器（PLS）技術的應用實現AGV的安全停車。同時以西門子觸摸屏作為車體人機交互界面，開發建立了AGV控制系統，實現了AGV的直行、轉向、自動運行、調速及站點停車等功能。

AGV；PLC；磁導航；非接觸供電；差速驅動

前言

隨著“中國制造2025”的高速發展，更多的移動機器人參與工業制造、物料運輸等工作。傳統的汽車制造行業也迎來了快速發展，一種自動引導運輸車式的移動機器人（auto- mated guided vehicle）被引入汽車制造行業。AGV是裝備有磁導航或激光導航等導引裝置，能夠沿著規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。

西門子公司S7-1500F PLC是一款帶有安全自動化系統的大型PLC，集成有標準的通訊接口PROFINET，可以簡單實現聯網，適應了現代工業制造的通訊發展需求，基于西門子S7-1500F PLC硬件基礎上開發AGV控制系統，對于重卡汽車生產線智能化、數字化、信息化、柔性化生產制造系統的研究和發展具有重要意義。

1 AGV方案設計思路

1.1 AGV結構組成

AGV車體框架采用鋼板及型材焊接，主要承重部位采取了高強材料及加固設計，保證AGV的載荷。車體主要艙體有前、后輪驅動艙、伺服艙、UPS/電池艙、電氣艙和液壓艙。車輪包括前驅動輪、后驅動輪、隨動輪等。

圖1 AGV整體結構組成

如圖1所示，前輪驅動艙內部安裝有驅動設備，包括驅動電機、拾電器、轉換板、磁導航傳感器等電氣設備；電氣艙安裝有PLC模塊組、伺服控制器等電氣核心部件；UPS/電池艙安裝有AGV供電的鉛酸蓄電池和UPS設備；液壓艙是為了滿足重卡汽車輪胎安裝等特殊要求；出于安全考慮，在AGV車頭安裝有激光防碰撞傳感器（PLS）。

1.2 AGV控制系統簡介

如圖2所示，AGV車體控制系統主要有AGV控制單元、運動控制系統、位置檢測系統、動力供電系統、安全保護系統、網絡通信系統、人機交互系統、聲光報警系統等組成。

圖2 AGV車體控制系統整體設計圖

AGV舵輪采用差動輪結構，差速輪由兩臺交流伺服電機驅動，通過差速實現AGV轉向。差速尋跡信號由車體前后兩套磁導航傳感器提供，并配有舵編碼器及限位開關控制轉舵角度；舵輪底部安裝拾取電結構，主要由拾電器、轉換板等組成，實現非接觸無線供電；RFID可對站點地址標簽讀取，同時結合地標傳感器實現AGV精準停車；AGV車頭安裝有激光防碰撞傳感器（PLS），用于安全防護，確保AGV工作中保護人員及車體自身的安全。

AGV車體的控制系統采用西門子S7-1500F PLC，外圍按鈕、旋鈕等采集信號以及觸摸屏上軟信號，經過軟件控制程序進行調節處理后輸出信號給驅動控制系統使AGV做出相應的動作，從而實現AGV直行、轉向、站點停車、故障報警及雙車體聯動控制等復雜的工作以及最大限度地避免車體的不安全狀態保護生產設備和人身安全。

1.3 AGV非接觸供電系統

非接觸供電技術是結合電力技術與電磁感應耦合技術，實現非接觸進行電能傳輸，其實質是一種分離式的變壓器。在非接觸條件下通過原、副邊線圈的耦合實現電能量傳遞，克服傳統供電方式存在的缺點和不足[1]，從而確保電能量在傳輸過程中安全與可靠。

AGV非接觸供電應用示意圖如圖3所示。原邊側電磁發射部分由原邊變電柜和原邊電纜組成，副邊側接收部分，置于AGV舵輪底部，通過耦合感應獲得電能后存于AGV車體的電池中。

圖3 AGV非接觸供電應用示意圖

圖4 原邊側電纜鋪設橫切面示意圖

非接觸供電系統原邊側電纜的鋪設結構如圖4所示。可以看出，原邊側電纜的鋪設對AGV的正常工作不會產生任何阻礙，在給AGV提供電能動力的同時，不給AGV的運行帶來任何影響。

在非接觸供電系統應用過程中，只要保證拾電器的位置精度，就能保證AGV正常取電，為AGV耗電部件提供穩定的電力輸出。消除AGV的離線過程，大大提高了AGV的使用效率。

2 AGV尋跡方案

AGV是通過車體左右兩個驅動輪之間的速度差來改變車體的運動方向。在地面路徑檢測反饋的信息與引導基準之間的差作為控制器的輸入量，以AGV驅動部件的左右輪差速比作為依據，通過PLC控制程序實現位置式PID糾偏算法，從而得到AGV驅動輪的速度控制。

2.1 差速轉向理論簡介

設某一時刻如圖5所示，O為AGV的瞬間轉動中心點，當AGV轉向運動時，左右驅動輪運動軌跡為一段圓弧，依據左右兩輪角速度（ω）相等得出：

上式中：v為左輪速，v為右輪速，v為中心輪速，為輪距，為轉向半徑，為轉角速度。

若兩輪距和左右輪速v、v已知，則有：

由上面的等式得知： AGV左右兩個驅動輪給定不同的速度，AGV就能得出不同的運動狀態。

當v?v=0，且v≠0時，則有v=v=v，AGV直線運行；當v?v<0時，則有v>v>v，AGV右向轉動；當v?v>0時，v>v>v，AGV左向轉動；當v+v=0時，v=? v，R=0，AGV原地轉動[2]。

圖5 AGV差速轉動簡圖

通過上述差速轉動解析得出：通過調節控制左右兩個獨立驅動輪的輪速，即可實現AGV車體的直線行駛、左右轉向行駛等不同的運動。

2.2 AGV磁導航引導方式

AGV采用磁導航引導方式，沿著指定磁條導引路線行駛。磁導航傳感器檢測偏移距離和偏移角度示意圖如下圖6所示，為了實現AGV糾偏控制，在AGV前后部分別安裝有磁導航傳感器，根據前后磁導航傳感器輸出信息，可以計算出AGV縱向中心線與磁條導引路線的偏移距離及AGV與磁條導引路線的偏移角度，采用AGV糾偏控制實現了AGV沿著指定磁條導引路線行駛[3]。

圖6 磁導航傳感器檢測示意圖

初始位置時，AGV處于磁條正上方，即前后磁導航傳感器中心線與磁條中心線重合，偏移角度為零。當AGV車體偏移磁條時，偏移角度會發生變化，從而能夠計算出AGV與磁條的偏移量，AGV差速輪根據偏移量給定值通過算法調節自動尋找磁條，實現沿著鋪設的磁條行駛。

2.3 位置式PID糾偏算法

經過多年運動控制理論的研究發展，AGV運動控制已經從簡單控制轉向控制算法，研究發現AGV糾偏控制算法大多采用的算法是比較成熟的PID控制算法。只需要調整比例、積分和微分這3個參數就可以了，比例系數的作用是當偏差出現時使得控制量的變化方向朝著減小偏差的方向發展；積分的作用是消除靜差；微分的作用是減小系統超調量，克服系統振蕩，提高系統穩定性。

2.4 電子糾偏PLC調速程序實現方法

選用PLC作為AGV核心控制單元，交流伺服電機進行調速AGV運行PLC調速程序框圖如圖7所示。

在圖7中，PLC接收到磁導航傳感器檢測的磁條位置信號，計算偏移角度，并判斷偏移方向。以偏移角度作為PID算法的輸入，計算求出兩驅動電機電壓差，PLC通過PROFINET通訊協議直接控制伺服驅動器調節兩臺驅動輪輪速，實現糾偏控制。加上站點位置RFID信號的準確定位，保證了AGV能在設定位置上停車。

圖7 PLC調速程序框圖

3 AGV控制系統設計

3.1 AGV控制系統硬件設計

AGV控制器采用西門子S7-1500 F系統的PLC。這是一款故障安全型自動化系統（F系統），除了擁有S7-1500 PLC所有特點外，還具有較高安全性的系統，能確保系統中斷后這些過程可立即處于安全狀態，不會危害人身或環境。另外其將安全技術輕松地和標準自動化無縫集成在一起，可在同一中央處理器上同時處理標準程序和安全程序，在博圖編程軟件中，使用相同的編輯器編輯安全程序和邏輯程序，這樣就能向評估用戶程序那樣評估安全數據，并在自身或外圍元件出現故障時，依然能正確響應并及時切斷輸出。同時支持一個集成的PROFINET接口模塊，用于網絡隔離PROFINET設備或高速通信設備。擴展模塊采用8入8出的數字量輸入輸出模塊[4]，安全模塊選擇F-DI/F-DQ的模塊，可以實現不安全狀態保護生產設備和人身安全。AGV網絡拓撲圖和I/O地址分配表如圖8、圖9所示：

圖8 AGV網絡拓撲圖

表1 I/O地址分配表

地址功能地址功能 %I0.0啟動按鈕%Q0.0報警燈/音樂1 %I0.1停止按鈕%Q0.1報警燈/音樂2 %I0.2地標檢測信號%Q0.2報警燈/音樂3 %I0.3PLS警告區1%Q0.3PLS區域1 %I0.4PLS警告區2%Q0.4PLS區域2 %I0.5PLS警告區3%Q0.5PLS區域3 %I0.6急停按鈕%Q0.6左輪電機抱閘 %I0.7左側舵限位開關%Q0.7右輪電機抱閘 %I1.0復位按鈕%Q1.0伺服復位 %I1.1右側舵限位開關%Q1.1輪系安全停止繼電器 %IW500左輪伺服狀態字%QW500左輪伺服控制字 %IW502左輪電機碼盤位置%QW502左輪電機目標位置 %IW504左輪電機碼盤位置%QW504左輪電機目標位置 %IW506左輪電機實際轉速%QW506左輪速度給定 %IW508左輪伺服故障代碼%QW508左輪加減速時間 %IW510左輪電機實際電流%QW510左輪速度補償 %IW600右輪伺服狀態字%QW600右輪伺服控制字 %IW602右輪電機碼盤位置%QW602右輪電機目標位置 %IW604右輪電機碼盤位置%QW604右輪電機目標位置 %IW606右輪電機實際轉速%QW606右輪速度給定 %IW608右輪伺服故障代碼%IW608右輪加減速時間 %IW610右輪電機實際電流%IW610右輪速度補償

3.2 AGV控制系統軟件程序設計

依據AGV車體現場運行功能需求，在博圖軟件程序塊中采用模塊化的結構。其基本思路是：將位置傳感器采集的路徑信息和激光防碰撞傳感器檢測到的障礙物信息經PLC處理后，通過主程序調用各個函數塊來實現AGV的直行、轉向以及安全避讓停車。PLC的總程序流程[5]見圖9所示。

圖9 PLC控制流程圖

3.3 AGV監控觸摸屏界面設計

觸摸屏人機界面使用西門子觸摸屏設計界面。觸摸屏通過以太網與S7-1500F PLC進行通訊，組態畫面主要設計了AGV運行界面（自動、手動）數據設置界面和系統故障顯示及報警界面。自動界面主要用于AGV運行時的控制和狀態監控，手動界面主要是電動機單步操作；報警界面主要是當AGV故障時系統故障顯示及報警界面就會顯示故障原因和報警消息，如圖10所示。

圖10 AGV監控觸摸屏自動運行界面

4 AGV調試和方案的實現

圖11 AGV車體電氣部件裝配樣機

圖12 AGV運行效果圖

開發的AGV樣機和現場運行效果如圖11、圖12所示，在調試運行過程中首要檢查電源接線和AGV輸入、輸出連接線等。在測量設備硬件連接無誤后通電上線試運行，并根據實際需求，對硬件系統及控制程序進行修改驗證，通過對硬件和軟件的調試最終滿足控制方案中各項要求，很好地實現了AGV直線、轉向和指定站點停車等功能。并且經過兩年多的現場實踐的應用，AGV運行平穩，尋跡準確，抗干擾能力強，得到了預期結果。

5 結束語

AGV已成為現代自動化物流輸送中重要組成部分。本文應用基于S7-1500F PLC制作的AGV控制系統，通過近兩年實踐應用表明：

（1）利用S7-1500F PLC作為AGV控制載體可方便實現對外部信號采集以及實現對外驅動設備的控制。操作界面簡便，數據實時性好。

（2）利用S7-1500F PLC的安全特性，有效消除了設備和人身安全隱患，比起S7-1200系列PLC為載體的AGV有了明顯的安全效應。

（3）PLC自帶以太網通訊接口，擴展性好，可與無線路由器相連構成網絡，實現AGV信息的交換，并構成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統，滿足工廠級AGV物流自動化系統的需求[6]。

（4）通過磁地標傳感器配合RFID讀寫器實現對站點磁地標的讀取以及指定站定停車，提高了站點停車的準確性、穩定性和可靠性。

[1] 徐凱.應用于AGV的非接觸供電系統關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2014.

[2] 呼玉東,文嘯,張楚.基于S7-1200 PLC的AGV控制系統的設計于實現[J].機床與液壓,2018(3):16-20+63.

[3] 楊前明,王俊基,崔克克.重載復合機器人自導引糾偏PID算法與實驗研究[J].機電工程,2017,34(10)：1208-1213.

[4] 向曉漢,李潤海.西門子S7-1200/1500PLC學習手冊[M].北京:化學工業出版社,2018.

[5] 吳衛榮.PLC和觸摸屏在AGV控制系統中的應用[J].現代制造工程,2012(12):115-119.

[6] 王璐歡,蘇衍宇.智能移動機器人技術應用初級教程（博眾）[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2020.

Design and Implementation of AGV Control System Based on Siemens S7-1500F PLC

LV Hongwei, WANG Xinrong, LI Hua

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Off-road Vehicle Assembly Factory, Shaanxi Xi'an 710022 )

This article mainly tells the story of Siemens S7-1500F PLC as AGV motion controller, using magnetic navigation path tracing for ground laid magnetic stripe, through the RFID reading the site location, ground non-contact power supply to provide power supply, PLC interactions with the data of the MES system has realized the AGV car body position automatic adjustment, the application of laser crash-proof technology (PLS). At the same time, the touch screen is used as the man-machine interaction interface, and the AGV control system is developed and established, and the AGV functions such as straight line, steering, automatic operation, speed regulation and stop are realized.

AGV;PLC;Magnetic navigation;Non-contact power supply;Differential drive

A

1671-7988(2021)22-100-05

TP242.2

A

1671-7988(2021)22-100-05

CLC NO.:TP242.2

呂紅衛（1978—），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司越野車裝配廠，研究方向：電氣自動化設備維修。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.026