無(wú)人搬運(yùn)自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本文介紹自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，分為硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)兩部分。

1. 車載控制器

1.1 車載控制器的類型

車載控制器是控制系統(tǒng)乃至整個(gè) AGV 的核心，那么應(yīng)該選擇哪種控制器呢?根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，從硬件角度看，AGV采用的車載控制器基本分為以下三種：

PLC：代表產(chǎn)品例如西門(mén)子公司的 S7-1200和1500系列，使用 AGV 廠家有佳順、嘉騰。PLC 以穩(wěn)定性好、可靠性高著稱，但是它的長(zhǎng)項(xiàng)是邏輯控制，一般只能做簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制。西門(mén)子 PLC 的價(jià)格大概在2000元~12000元左右。

工控機(jī)：代表產(chǎn)品例如倍福公司的 CX5130，使用廠家有昆船、羅伯特木牛流馬。工控機(jī)其實(shí)就是一臺(tái)電腦，只不過(guò)經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)使其具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以用于振動(dòng)、電磁輻射等惡劣的工業(yè)環(huán)境。工控機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，其可以運(yùn)行通用的操作系統(tǒng)，比如 Windows、Linux。以倍福為例，安裝它的 TwinCAT 控制軟件后，會(huì)在 Windows 操作系統(tǒng)中插入實(shí)時(shí)內(nèi)核，將電腦變成適合工業(yè)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。倍福工控機(jī)的售價(jià)大概在5000到30000元左右。

單片機(jī)：代表產(chǎn)品例如 STM32，使用廠家有海通、機(jī)科。相比前兩者，單片機(jī)的價(jià)格低廉，加上外圍器件成本最多也不過(guò)千元左右。使用單片機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果要做成成熟的產(chǎn)品，你需要花費(fèi)很多精力設(shè)計(jì)外部電路以及各種底層算法。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境可能會(huì)差一些。

上面的分類并不意味著三者是涇渭分明的，例如 PLC 的核心芯片可能就是一個(gè)單片機(jī);而工控機(jī)的編程語(yǔ)言很可能就采用了 PLC 領(lǐng)域使用的梯形圖、ST等語(yǔ)言;單片機(jī)上面也可以裝載操作系統(tǒng)，從而形成一個(gè)完整的控制器。所以，雖然它們各有自己適用的領(lǐng)域，但是相互之間也會(huì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，演變成你中有我我中有你的局面。

當(dāng)然，現(xiàn)在市場(chǎng)上有專門(mén)的AGV控制器，例如美國(guó)NDC的CVC600，瑞士BlueBotics的ANT、浙江科聰智能的 MRC5000，上海仙知機(jī)器人的SRC。與通用的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器或PLC相比，這類控制器集成了成熟的導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制算法，為用戶省去很多工作，而且其穩(wěn)定性和防護(hù)等級(jí)更高，但其價(jià)格也較高(2萬(wàn)~6萬(wàn)元)。

本文選擇西門(mén)子的 S7-1215C 型 PLC 作為 AGV 的車載控制器(以后簡(jiǎn)稱為S1200)，如下圖所示。由于西門(mén)子的產(chǎn)品型號(hào)非常豐富，各個(gè)型號(hào)在接口種類、性能等方面有細(xì)微的差別，在購(gòu)買時(shí)為了準(zhǔn)確描述具體是哪個(gè)型號(hào)，最好使用訂貨號(hào)。西門(mén)子每種產(chǎn)品都有一個(gè)唯一的訂貨號(hào)，在采購(gòu)時(shí)只需要提供這個(gè)編號(hào)即可。在西門(mén)子的編程軟件中也可根據(jù)訂貨號(hào)查找對(duì)應(yīng)的型號(hào)。

什么是上位機(jī)和下位機(jī)?

有些設(shè)備能夠訪問(wèn)其它的設(shè)備，比如讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)、向內(nèi)存寫(xiě)數(shù)據(jù)，這樣的設(shè)備具有較高的權(quán)限和地位，因此被稱為上位機(jī)。有些設(shè)備只能被其它設(shè)備訪問(wèn)，而沒(méi)有訪問(wèn)其它設(shè)備的權(quán)力，這樣的設(shè)備就稱為下位機(jī)。在本文中，PLC就是下位機(jī)，而編程計(jì)算機(jī)就是它的上位機(jī)。

想對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置或編程，需要使用網(wǎng)線將 S1200 與上位機(jī)連接，只需要將上位機(jī)的 IP 地址設(shè)置為與 PLC 同一網(wǎng)段即可。S1200 一般出廠默認(rèn)的 IP 地址是 192.168.0.1，所以可以將你的電腦的 IP 設(shè)置為 192.168.0.2。對(duì)于 AGV 這種移動(dòng)設(shè)備，通常會(huì)采用無(wú)線通訊，例如接收調(diào)度系統(tǒng)的控制指令。無(wú)線通信方式有 WIFI、ZigBee等等。由于 WIFI 在實(shí)際中使用較多，我介紹一下它的配置方法。使用 WIFI 連接西門(mén)子 PLC 非常方便，只需要用網(wǎng)線將 PLC 的以太網(wǎng)口連接到無(wú)線路由器的 LAN 口，然后用筆記本搜索到對(duì)應(yīng)的 WIFI 后連接即可訪問(wèn) PLC。所用的無(wú)線路由器可以是任意品牌，甚至家用路由器都可以。

2. 驅(qū)動(dòng)器

如果說(shuō)車載控制器是 AGV 的大腦，那么 AGV 還要有心臟和肌肉才能運(yùn)動(dòng)起來(lái)，驅(qū)動(dòng)器給車輪的電機(jī)提供電流，相當(dāng)于心臟。

2.1 低壓驅(qū)動(dòng)器品牌

由于 AGV 普遍采用蓄電池供電，其電壓一般在 12V~72V 左右。因此 AGV 使用的驅(qū)動(dòng)器屬于低壓直流型伺服驅(qū)動(dòng)器。國(guó)外的低壓驅(qū)動(dòng)器品牌有：AMC、RoboteQ、ZAPI(薩牌)、Curtis(柯蒂斯)、Elmo(埃莫)等，中國(guó)國(guó)內(nèi)的低壓驅(qū)動(dòng)器品牌有：步科、森創(chuàng)、英博爾、凱利。

2.2 PLC與驅(qū)動(dòng)器通信

PLC 要想控制驅(qū)動(dòng)器就要向它發(fā)送指令數(shù)據(jù)。低端驅(qū)動(dòng)器可以用模擬量或者脈沖信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)，高端驅(qū)動(dòng)器則采用規(guī)范的通信協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，這樣的通信可以借助 RS-232、RS-485、CAN、EtherCAT 等協(xié)議實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?S1200 的 CPU 模塊沒(méi)有這些通訊接口，所以要想連接驅(qū)動(dòng)器，需要購(gòu)買額外的通信模塊(CM：Communication Module)。上面提到的幾種協(xié)議西門(mén)子都有對(duì)應(yīng)的通信模塊支持，比如西門(mén)子的 232 、485 和 CANopen 通信模塊如下圖所示(這三種模塊外形完全一樣)，注意 232 和 CANopen 模塊的插頭是公頭，而485的則是母頭。

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對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，CAN總線是最常用的通訊方式，像汽車、挖掘機(jī)、AGV一般都采用CAN總線通訊。CAN 總線的速度快(最高可達(dá)1Mb/s，比485要快)、穩(wěn)定性高(采用差分信號(hào)，抗干擾)，更“智能”(有優(yōu)先級(jí)和仲裁機(jī)制)，因此應(yīng)該優(yōu)先選擇 CAN 總線。但是考慮到西門(mén)子本身沒(méi)有 CAN通信模塊(如果想使用CAN，要購(gòu)買第三方公司HMS提供的CANopen模塊)，本文使用的驅(qū)動(dòng)器采用 485 協(xié)議，所以我們選擇485模塊。隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是：S1200能外擴(kuò)幾個(gè)通信模塊?答案是：3個(gè)。不管是哪種通信模塊，數(shù)量最多只能是3個(gè)，種類不限可以混用。如果你的驅(qū)動(dòng)器是總線型(485和CAN都屬于總線型)的，那么只要一個(gè)485模塊或者 CANopen 模塊就行了。注意232不是總線型的，所以用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器就要添加兩個(gè)通信模塊。如果你的 AGV 還有其它走通信協(xié)議的傳感器(例如磁導(dǎo)航傳感器、RFID傳感器)，那么3個(gè)通信模塊很有可能就顯得捉襟見(jiàn)肘。

西門(mén)子485模塊的接頭采用了標(biāo)準(zhǔn)9 針D型插孔式連接器。為了將驅(qū)動(dòng)器和PLC連接起來(lái)，我們要購(gòu)買DB9接頭，并用信號(hào)線將兩個(gè)頭連接起來(lái)。這里我們只利用兩個(gè)信號(hào)線即可。值得注意的是，西門(mén)子的485接口定義和常規(guī)的485不一樣，常規(guī)485的信號(hào)收發(fā)是1、2頭，而西門(mén)子的485則是3、8頭(參考手冊(cè)的第1769頁(yè))。所以在連線時(shí)，要按照 3-2、8-1的對(duì)應(yīng)順序焊接，如下圖所示。

3. 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

AGV要想實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、移載就要有移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常采用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)有舵輪、差速輪和麥克納姆輪。它們各自有什么特點(diǎn)呢?什么場(chǎng)合又該使用哪種輪子呢?

麥克納姆輪的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)精度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磨損嚴(yán)重，對(duì)地面挑剔，雖然麥克納姆輪問(wèn)世超過(guò)30年了，但是實(shí)際應(yīng)用并不多，這也說(shuō)明它不是一個(gè)實(shí)用的產(chǎn)品。下面我們主要講解舵輪。

舵輪是個(gè)高度集成的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由車輪、回轉(zhuǎn)支撐、齒輪箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、編碼器、限位開(kāi)關(guān)、制動(dòng)器等部件組成，它既能提供牽引力，也可以主動(dòng)轉(zhuǎn)向，因此一個(gè)舵輪有兩個(gè)自由度。AGV 使用一個(gè)或以上的舵輪就可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)：原地旋轉(zhuǎn)、斜行、橫移等等。舵輪一般用于室內(nèi)環(huán)境，所以輪面的材料多為聚氨酯。根據(jù)電機(jī)的安裝位置可以將舵輪分為兩種：臥式和立式，分別如下兩圖所示。臥式舵輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)橫向安裝，因此整體高度很低，有些AGV對(duì)高度有要求(例如潛入式的AGV要很矮才能鉆到貨物底下)，這時(shí)就適合使用臥式舵輪;立式舵輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)豎著安裝，其整體高度偏高，它的優(yōu)點(diǎn)是方便將電機(jī)隔離起來(lái)，在有些場(chǎng)合(例如危險(xiǎn)品工廠)，要求舵輪電機(jī)與外部環(huán)境隔離，這時(shí)就適合使用立式舵輪。國(guó)外主要的舵輪生產(chǎn)廠家有：意大利的 CFR 和德國(guó)的 schabmuller(夏伯穆勒)，后來(lái)從CFR中又獨(dú)立出來(lái)了一個(gè)廠家——馬路達(dá)。這些舵輪生產(chǎn)廠家一般只賣舵輪，不提供驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器則由代理商提供。一臺(tái)AGV上最貴的部件就是舵輪，以一臺(tái)成本10萬(wàn)元左右的AGV為例，如果配備兩個(gè)舵輪，就需要4~5萬(wàn)元，占整車成本將近一半。不過(guò)好消息是，國(guó)內(nèi)的舵輪廠家開(kāi)始參與競(jìng)爭(zhēng)，這將降低AGV的成本。

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4. 磁導(dǎo)航傳感器和磁條

4.1 磁條

磁條導(dǎo)航是目前 AGV 使用最多的導(dǎo)航方式之一。只需要預(yù)先在地面鋪設(shè)好磁條，AGV 就會(huì)沿著磁條形成的路徑運(yùn)動(dòng)。磁條一般寬3~5cm，它像膠帶一樣，一面光滑、一面帶有粘性，將粘性的一面粘貼在地面即可完成鋪設(shè)。磁條具有極性，在購(gòu)買時(shí)注意是N極還是S極，磁條的極性對(duì)應(yīng)磁導(dǎo)航傳感器的極性，但有些傳感器兩種都兼容。磁條質(zhì)地較軟、不抗壓，所以如果被輪子反復(fù)碾壓可能會(huì)壓扁或擠脫落。多數(shù) AGV 為了避免壓壞磁條會(huì)將驅(qū)動(dòng)輪布置在車體的兩側(cè)(差速形式)或者斜對(duì)稱的位置上。

4.2 磁導(dǎo)航

磁導(dǎo)航傳感器也叫磁循跡傳感器，它用來(lái)幫助AGV巡線行走。磁導(dǎo)航傳感器一般安裝在AGV車體或者驅(qū)動(dòng)輪組上，在AGV運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持在磁條上方一定高度內(nèi)。磁導(dǎo)航傳感器相對(duì)于車體的安裝位置一般在對(duì)稱中軸線上，通常對(duì)稱安裝，例如前后各一個(gè)或者左右各一個(gè)。磁導(dǎo)航傳感器的原理很簡(jiǎn)單，傳感器上有若干個(gè)探頭，每個(gè)探頭都能檢測(cè)磁場(chǎng)，位于磁條上方(一定高度內(nèi))的探頭有信號(hào)輸出，超出磁條的探頭則沒(méi)有信號(hào)。探頭通常俗稱為“點(diǎn)”，點(diǎn)越多表示傳感器的分辨率越高，當(dāng)然價(jià)格也越貴。傳感器通常的點(diǎn)數(shù)有：6點(diǎn)、8點(diǎn)、16點(diǎn)幾種。磁導(dǎo)航傳感器并不是什么神秘的東西，筆者曾經(jīng)拆解過(guò)一款磁導(dǎo)航傳感器，這里所說(shuō)的探頭無(wú)非有兩種，一種是霍爾元件、還有一種是地磁傳感器?；魻栐奶攸c(diǎn)大家大學(xué)的時(shí)候應(yīng)該都學(xué)過(guò)，它能感應(yīng)磁場(chǎng)，價(jià)格低但是精度通常不高;地磁傳感器基本都采用美國(guó) PNI 公司的產(chǎn)品。它要搭配專用的驅(qū)動(dòng)芯片 PNI-12927，這個(gè)芯片是3.3V供電，所以傳感器內(nèi)部要設(shè)計(jì)3.3V穩(wěn)壓電路，而且這個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片采用 SPI 總線，要對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理和電壓變換，這通常由單片機(jī)來(lái)完成。磁導(dǎo)航傳感器的輸出信號(hào)可以是數(shù)字量也可以是總線型數(shù)據(jù)，對(duì)于點(diǎn)數(shù)多的傳感器來(lái)說(shuō)一般用總線型，因?yàn)槿绻褂脭?shù)字量需要很多根線。假設(shè)一個(gè) AGV 使用4個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器的分辨率是16點(diǎn)，那就要有4×16=64 4\times16=644×16=64個(gè)輸出，相應(yīng)的 PLC 應(yīng)該有 64 個(gè)數(shù)字量輸入口，其接線將非常繁瑣，也容易出故障(例如某根線連接不牢固)。

磁導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是缺點(diǎn)也不少，其中一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是干擾。筆者在調(diào)試 AGV時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使傳感器并不在磁條上方(有時(shí)甚至周圍根本沒(méi)有磁條)，傳感器依然有輸出。經(jīng)過(guò)一番思考，筆者發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在。AGV 前方有一條鐵軌，而鐵是容易被磁化的。不僅是鐵制品，通電的導(dǎo)線也可能會(huì)使傳感器誤報(bào)。所以，使用磁條導(dǎo)航要排除這些干擾。

磁導(dǎo)航傳感器的輸出可以是IO，也可以是數(shù)值(代表傳感器偏離磁條中心的距離值)?！〈艑?dǎo)航傳感器如何與 PLC 連接?如上所述，如果傳感器采用總線(例如485)傳遞數(shù)據(jù)，直接將總線連接到相應(yīng)的(485)通信模塊即可。如果傳感器采用數(shù)字量接口，那么就要連接到 PLC 的數(shù)字量輸入口。這里有個(gè)很重要的問(wèn)題：你要清楚傳感器輸出的信號(hào)是 PNP 型還是 NPN 型，它對(duì)應(yīng)了三極管的類型，它們的區(qū)別在于有信號(hào)時(shí) PNP 輸出高電平(例如24V)，而 NPN 輸出低電平(例如0V)。在 S1200 上每組輸入輸出口旁邊都有一個(gè) COM 口，它的作用就是選擇輸入是 PNP 型還是 NPN 型。如果是 PNP 型，COM 口就要接 24V ，如果是 NPN 型就要接 0V。你可以找個(gè)磁條用萬(wàn)用表測(cè)試一下，如果放到磁條上輸出顯示是24V那說(shuō)明是 PNP 型。以后你會(huì)知道，很多傳感器都分 PNP 型和 NPN 型，它們的接法是一樣的。

5. 供電系統(tǒng)

5.1 電池

AGV啟動(dòng)時(shí)需要的電流大，因此需要使用動(dòng)力電池，使用最多的動(dòng)力電池有鉛酸電池和鋰電池。鉛酸電池壽命短、能量密度低，而鋰電池密度高、但是成本也高。還有一種電池叫做超級(jí)電容，它的壽命很長(zhǎng)，但是能量密度非常低，所以用的不多。

知名的電池廠家有霍克(HAWKER)、荷貝克(HOPPECKE)等。下圖是霍克 AGV 專用電池標(biāo)簽。鉛酸電池的額定放電電流一般是0.5C，例如80Ah的電池，額定放電電流是0.5×80=40A 0.5\times80=40A0.5×80=40A。鉛酸電池的最大放電電流一般是3C，即3×80=240A 3\times80=240A3×80=240A。電池的電壓會(huì)隨著電量消耗逐漸降低，開(kāi)始降低得很慢，當(dāng)電量很少時(shí)會(huì)急劇下降。根據(jù)這個(gè)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)電壓就能知道電池還剩余多少電，是否應(yīng)該充電。

我們?nèi)绾喂烙?jì)一個(gè) AGV 該選用多大容量的電池呢?AGV 上最耗電的器件就是電機(jī)了。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)的額定功率 P會(huì)寫(xiě)在電機(jī)銘牌上。根據(jù)初中物理知識(shí)，功率等于電壓和電流的乘積，即：P=UI

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓一般容易得到，所以通過(guò)上式可以計(jì)算出電流。當(dāng)然，實(shí)際工作的功率一般會(huì)比額定功率小，所以這里要乘以一個(gè)系數(shù)，具體要看 AGV 的負(fù)重、工作路面等。求出電流乘以工作時(shí)間就是電池的容量了。注意，電池的容量和能量是兩個(gè)不同的概念，前者是電流乘以時(shí)間(單位是“安時(shí)”(Ah))、而后者是電流乘以電壓乘以時(shí)間(單位是“千瓦時(shí)”(KWh))。

5.2 電壓變換

如果傳感器、控制器等器件和電池的輸出電壓不同，就需要使用電壓變換模塊，它還可以起到穩(wěn)壓的作用。一般傳感器常用的電壓是12V、控制器常用的電壓是24V，因此需要有相應(yīng)的模塊?？梢赃x擇廣州金升陽(yáng)的電壓變換模塊，可選配散熱片和導(dǎo)軌，便于散熱和固定，如下圖所示的48V轉(zhuǎn)24V的模塊。選擇模塊時(shí)主要關(guān)心的功率，即它能提供的最大電流。

6. 開(kāi)關(guān)

6.1 電源開(kāi)關(guān)

選擇電源總開(kāi)關(guān)時(shí)要注意它是“自鎖的”還是“自動(dòng)復(fù)位的”。自鎖的意思就是按下后即使手指松開(kāi)，開(kāi)關(guān)依然保持閉合使供電暢通;而自動(dòng)復(fù)位的開(kāi)關(guān)按下按鈕后如果松開(kāi)手指，電路就會(huì)被切斷，如下圖所示。一般機(jī)箱上的電源總開(kāi)關(guān)應(yīng)該選擇自鎖型的，否則你要一直按著按鈕才能使電路暢通，因此不要購(gòu)買下圖右所示的自復(fù)位型開(kāi)關(guān)(代號(hào)：XB2-BA31C，價(jià)格在22元左右)。假如你買錯(cuò)了也不要緊，你可以再買一個(gè)自鎖模塊ZB2-BZ21 C，將這個(gè)模塊添加到XB2-BA31C開(kāi)關(guān)上就能將它變成一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)。

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6.2 急停開(kāi)關(guān)

在所有AGV 車體上都能找到的一個(gè)東西就是急停開(kāi)關(guān)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 20721-2006 《自動(dòng)導(dǎo)引車 通用技術(shù)條件》中第4.2.6項(xiàng)的規(guī)定：“AGV 應(yīng)配備緊急停車按鈕，該按鈕的安裝位置在緊急情況下應(yīng)便于操作。應(yīng)采用紅色按鈕，急停按鈕按下應(yīng)關(guān)閉 AGV 驅(qū)動(dòng)電源”。在AGV失去控制的情況下，按下急停開(kāi)關(guān)能讓它立即停止運(yùn)動(dòng)，從而防止傷害到人。因此急停開(kāi)關(guān)構(gòu)成了最后的安全屏障。為了保證使用可靠，可以購(gòu)買施耐德的XB2-BS542C。急停開(kāi)關(guān)的按鈕一般設(shè)計(jì)得很大，方便按下，因此又被俗稱為蘑菇頭，它一般都是自鎖的，按下后需要旋轉(zhuǎn)才能松開(kāi)。購(gòu)買時(shí)唯一要注意的是它的安裝直徑，一般選擇 22mm 即可。

7. 電氣元件

AGV上既有強(qiáng)電也有弱電，例如舵輪的驅(qū)動(dòng)器需要的電流通常很大，而控制器和一些傳感器只需要很小的電流。我們要合理設(shè)計(jì)電路，防止它們相互干擾，更主要的是包含弱電器件。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 30029-2013 《自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)設(shè)計(jì)通則》中第6.7.7.4項(xiàng)的規(guī)定，控制器應(yīng)該具有過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)功能。

我們要在電路中加入以下器件：

接觸器：用小電流控制大電流。上面的電源開(kāi)關(guān)只允許通過(guò)較小的電流，但有時(shí)設(shè)備里有些組件需要大電流才能啟動(dòng)，例如舵輪驅(qū)動(dòng)器。我們不能用一個(gè)開(kāi)關(guān)既控制小電流也控制大電流，這時(shí)就需要借助接觸器。接觸器內(nèi)部有個(gè)電磁鐵，我們用小電流控制電磁鐵的吸合，電磁鐵帶動(dòng)另一組開(kāi)關(guān)閉合使大電流通過(guò)。在AGV上使用的是直流接觸器，注意接觸器的線圈會(huì)發(fā)出一定熱量，安裝應(yīng)當(dāng)注意散熱和對(duì)附近器件的影響。

斷路器：起到過(guò)流、欠壓保護(hù)的作用。斷路器也相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，在短路等電流過(guò)大時(shí)斷開(kāi)，保護(hù)設(shè)備;

繼電器：也相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，它是用小電壓控制觸點(diǎn)開(kāi)閉的，但是注意觸點(diǎn)不能流過(guò)太大電流。

AGV 采用電池作為能源，而電池的電壓通常不是很穩(wěn)定，在使用時(shí)電壓會(huì)波動(dòng)。雖然西門(mén)子的 PLC 對(duì)輸入電壓具有一定的適應(yīng)能力，但是我們最好用一個(gè)24V到 24V 的穩(wěn)壓模塊將電池的電壓穩(wěn)定后再供給 PLC。對(duì)于使用24V供電的其它器件，例如磁導(dǎo)航傳感器，也是這樣。

8. 激光避障傳感器

AGV的安全防護(hù)方式有接觸式和非接觸式之分。觸邊屬于接觸式的，而激光傳感器和超聲波傳感器屬于非接觸式。當(dāng)然非接觸式的傳感器更加安全，因?yàn)椴恍枰苯咏佑|即可監(jiān)測(cè)障礙物。

常用的國(guó)外激光傳感器品牌有SICK和HOKUYO。以SICK的Tim310為例，它的監(jiān)測(cè)距離可達(dá)3米，可以設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域形狀。Tim310的輸出是I/O信號(hào)，用以判斷是不是監(jiān)測(cè)到了障礙物。?

9. 觸摸屏

現(xiàn)在的 AGV 越來(lái)越多地開(kāi)始配備觸摸屏了。使用觸摸屏可以方便地設(shè)置AGV的參數(shù)，例如運(yùn)動(dòng)速度、充電電壓等等，而不需要每次都將程序下載到 PLC。既然我們選擇了西門(mén)子的PLC，當(dāng)然觸摸屏選擇西門(mén)子是最配對(duì)的，但是考慮到西門(mén)子的觸摸屏有點(diǎn)貴，我們選擇國(guó)產(chǎn)的品牌。國(guó)產(chǎn)觸摸屏的質(zhì)量也很可靠，而且價(jià)格合理，代表廠家有：威綸通、昆侖通態(tài)。由于西門(mén)子的知名度，大多數(shù)觸摸屏都會(huì)支持。但是如果你用其它品牌的PLC，那最好向觸摸屏廠家詢問(wèn)是否支持你的PLC，否則是無(wú)法通訊的。

我選擇昆侖通態(tài)的觸摸屏，它采用24V直流供電，并配有網(wǎng)口，用普通網(wǎng)線將觸摸屏和 S1200 連接，并將觸摸屏的 IP 地址設(shè)置為與 PLC 所在同一網(wǎng)段(例如192.168.0.3)即可實(shí)現(xiàn)和 PLC 的互聯(lián)。設(shè)置 IP 的方法是上電后在進(jìn)入正式界面之前，在屏幕的任意位置點(diǎn)擊一下即可進(jìn)入設(shè)置界面。

我們?nèi)绾问褂糜|摸屏呢?我們需要對(duì)觸摸屏進(jìn)行編程，或者說(shuō)“組態(tài)”。編程需要使用昆侖通態(tài)自己的組態(tài)軟件：MCGS，可以在它的官方網(wǎng)站免費(fèi)下載。

在你的電腦上安裝該軟件，注意在軟件中需要輸入 PLC 的地址才能讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。觸摸屏上只有一個(gè)網(wǎng)口，所以你可以用網(wǎng)線將觸摸屏連接到你的電腦。我們注意到 S1200 有兩個(gè)網(wǎng)口，所以一種更方便的連接方式是，將觸摸屏連接到 S1200 上，然后將 S1200 連接到你的電腦，這樣同樣能對(duì)觸摸屏進(jìn)行編程。　　觸摸屏最基本的功能就是讀寫(xiě) PLC 的內(nèi)存(因此它也是PLC的上位機(jī))。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能非常簡(jiǎn)單，只需要在 MCGS 中對(duì) PLC 的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)即可。

10. PLC編程

10.1 編程工具 STEP 7

購(gòu)買了S1200 并不意味著你能免費(fèi)使用它的開(kāi)發(fā)軟件。但是沒(méi)關(guān)系，網(wǎng)上有很多破解軟件。有意思的是，其中有些資源就是西門(mén)子公司的人故意釋放出來(lái)的，他們可能想占有更多的市場(chǎng)。要對(duì)西門(mén)子的 PLC 編程必須使用專用的軟件：STEP 7 ，下圖是 STEP 7 的安裝過(guò)程。

實(shí)際上，STEP 7 是過(guò)時(shí)的名稱，現(xiàn)在西門(mén)子想將它和另外幾個(gè)自動(dòng)化軟件都統(tǒng)一成一個(gè)平臺(tái)，適用于西門(mén)子旗下所有的設(shè)備，這個(gè)平臺(tái)被稱為：TIA Portal(博途)，本文使用的就是 TIA V13。西門(mén)子公司為了保持延續(xù)性，軟件的名稱有時(shí)是 STEP 7，有時(shí)又用 TIA，本文我為了與歷史統(tǒng)一還叫 STEP 7 好了。西門(mén)子的軟件跟硬件一樣種類繁多，光 STEP 7 就有幾個(gè)版本，例如專業(yè)版(professional SP1，如下圖左所示)，而每個(gè)版本又有不同的更新包。注意 SP1 可能缺少某些功能(下面我會(huì)提到)，因此我使用了更新包。具體來(lái)說(shuō)，我使用的是 STEP 7 V13.0 SP1 Upd8，如下圖右所示。

在軟件安裝時(shí)我們注意到有這樣的說(shuō)明：STEP 7是用于編程的工程組態(tài)工具。要使用 PLC，編程只是一方面，還有一個(gè)重要的工作就是“組態(tài)”?！敖M態(tài)”說(shuō)白了就是“配置”，配置 PLC 的輸入輸出接口、參數(shù)、功能等等。首先，在“設(shè)備組態(tài)”頁(yè)面選擇我們的 PLC 型號(hào)就可以了。

10.2 西門(mén)子PLC的硬件資源要想用好PLC，就要熟悉它的一些特點(diǎn)，下面我們就了解一下 S1215C 的特點(diǎn)。1215C的內(nèi)存有多大呢?我們用電腦連接上PLC，然后在博途軟件左側(cè)欄雙擊“在線和診斷”，然后在打開(kāi)窗口中點(diǎn)擊“存儲(chǔ)器”，如下圖所示。

可以看到這里有三個(gè)存儲(chǔ)器，分別是：裝載存儲(chǔ)器、工作存儲(chǔ)器和保持存儲(chǔ)器。并且可以看到三個(gè)存儲(chǔ)器的大小，分別是：

1. 裝載存儲(chǔ)器：　4194304 41943044194304 Byte ÷1024÷1024=4 \div 1024 \div 1024= 4÷1024÷1024=4MB

2. 工作存儲(chǔ)器：　128000 128000128000 Byte ÷1024=125 \div 1024= 125÷1024=125KB

3. 保持存儲(chǔ)器：　10240 1024010240 Byte ÷1024=10 \div 1024= 10÷1024=10KB

這和系統(tǒng)手冊(cè)中給出的數(shù)值是一樣的，如下：

這三個(gè)存儲(chǔ)器各有什么作用呢?

1. 裝載存儲(chǔ)器：用于存儲(chǔ)用戶項(xiàng)目文件(例如：用戶程序、組態(tài)信息)，相當(dāng)于硬盤(pán);

2. 工作存儲(chǔ)器：CPU在執(zhí)行用戶程序時(shí)會(huì)將一些項(xiàng)目?jī)?nèi)容從裝載存儲(chǔ)區(qū)復(fù)制到工作存儲(chǔ)區(qū)，相當(dāng)于電腦的內(nèi)存;

3. 保持存儲(chǔ)器：掉電后數(shù)據(jù)仍然保持。如果你希望一些數(shù)據(jù)能在斷電后一直保持就要使用這個(gè)存儲(chǔ)器。但遺憾的是，小氣的西門(mén)子公司只給了我們10KB。

PLC 掃描一次程序需要多長(zhǎng)時(shí)間呢?

PLC會(huì)自動(dòng)記錄時(shí)間，在同一頁(yè)面，打開(kāi)“循環(huán)時(shí)間”，就能看到PLC完整執(zhí)行一遍程序需要的時(shí)間，如下圖所示。這個(gè)時(shí)間不是固定的，取決于你的程序長(zhǎng)短，一般的執(zhí)行時(shí)間在3毫秒以內(nèi)。

10.3 西門(mén)子PLC的軟件資源

西門(mén)子提供哪些函數(shù)運(yùn)算呢?工業(yè)控制語(yǔ)言唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——IEC61131-3 規(guī)定了46個(gè)基本函數(shù)，西門(mén)子都支持。除此以外，我們常用的還有定時(shí)器等。AGV 屬于移動(dòng)機(jī)器人，而機(jī)器人的控制本質(zhì)是數(shù)學(xué)計(jì)算，所以我重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)其中的數(shù)學(xué)函數(shù)，共有18個(gè)：

數(shù)字運(yùn)算：ABS、SQRT、LOG、LN、EXP、SIN、COS、TAN、ASIN、ACOS、ATAN;

算術(shù)運(yùn)算：ADD、SUB、MUL、DIV、MOD、EXPT、MOVE;

當(dāng)然還有：>、< 比較運(yùn)算符。

翻開(kāi)另一款控制器品牌——倍福的手冊(cè)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它同樣支持這幾個(gè)初級(jí)函數(shù)。在組態(tài)界面，雙擊 CPU 模塊能看到這款 PLC 的其它功能介紹，例如周期定時(shí)器，如下圖所示。

如果你使用了觸摸屏，有一點(diǎn)值得注意：在“保護(hù)”頁(yè)面中有一個(gè)選項(xiàng)需要勾選：“允許從遠(yuǎn)程伙伴使用PUT/GET通信訪問(wèn)”，如下圖所示。如果不勾選這個(gè)選項(xiàng)，你看你無(wú)法用觸摸屏讀寫(xiě) PLC 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。讓筆者奇怪的是，像這樣的細(xì)節(jié)幾乎在所有的手冊(cè)、教程中都找不到，但卻又很重要。

10.4 西門(mén)子PLC的編程方式

西門(mén)子PLC 的編程符合國(guó)際工業(yè)編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn) IEC-611313，因此跟倍福等廠家的差不多。

10.4.1 定義常量

有些量我們要經(jīng)常使用(例如圓周率 π \piπ)，如果每次都用數(shù)值來(lái)做運(yùn)算一方面輸入很容易出錯(cuò)，另一方面如果想對(duì)其進(jìn)行更改那要改很多處，非常繁瑣。一個(gè)方便的做法是將其定義為一個(gè)全局的“常數(shù)”。使用 PLC 和 C 語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言相同的一點(diǎn)是，你需要為變量分配內(nèi)存地址。分配好地址后如何對(duì)其賦值呢?因?yàn)槌Ａ恐恍枰x一次值即可，所以我們選擇在 Startup 塊中對(duì)其賦值。Startup 塊在每次 PLC 上電后只執(zhí)行一次。西門(mén)子中有些塊的序號(hào)是系統(tǒng)預(yù)留的，比如 Startup 就是 OB100。我們注意到，在博圖軟件中，全局變量用雙引號(hào)表示(例如"PI")，而局部變量前面帶個(gè)井號(hào)(下面會(huì)碰到)。

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10.4.2 定義函數(shù)

西門(mén)子自帶的函數(shù)只能完成簡(jiǎn)單的功能，為了實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的控制我們還要自己寫(xiě)一些函數(shù)。筆者在開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制器的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)上公開(kāi)的PLC函數(shù)庫(kù)很少，目前筆者只知道OSCAT庫(kù)。大家都在討論基本的邏輯控制，卻鮮有人討論更高級(jí)的數(shù)學(xué)計(jì)算，可能 PLC 并不適合高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

下面我用一個(gè)很簡(jiǎn)單的進(jìn)行角度弧度轉(zhuǎn)換的函數(shù)為例來(lái)說(shuō)明如何在 STEP 7 中自定義函數(shù)。

(1) 首先，我們新建一個(gè)函數(shù)FC(這個(gè)函數(shù)比較簡(jiǎn)單，不需要背景數(shù)據(jù)，所以不用 FB)，實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)言選擇 SCL 語(yǔ)言。函數(shù)名為“DegreeToRad”。

(2) 然后，我們要明確這個(gè)函數(shù)的輸入，在上面的變量定義欄中的 Input 項(xiàng)目中輸入 angleInDegree，類型選擇為 Real，如下圖所示。在Return 項(xiàng)目中將 DegreeToRad 變量的類型改為 Real，這里注意不要修改 DegreeToRad 變量的名字。

(3) 在下面的輸入框輸入變換公式?！　∵@里要用 := 對(duì)變量進(jìn)行賦值。你會(huì)注意到，變量 PI 是用雙引號(hào)括起來(lái)的，而其它的變量(例如 angleInDegree)前面則帶一個(gè)井號(hào)。這是用來(lái)區(qū)分局部變量和全局變量的，局部變量用#開(kāi)頭表示，而全局變量用引號(hào)表示。

10.4.3 定時(shí)器

定時(shí)器是我們會(huì)經(jīng)常使用的一個(gè)功能，想輸出隨時(shí)間變化的量、想延時(shí)觸發(fā)、想輸出周期信號(hào)都要借助定時(shí)器。西門(mén)子的每個(gè)定時(shí)器都對(duì)應(yīng)一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊。筆者早期經(jīng)常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是，為了節(jié)省時(shí)間直接復(fù)制粘貼定時(shí)器塊。其錯(cuò)誤是不管你復(fù)制多少次，其實(shí)最終還是同一個(gè)定時(shí)器，而且后面的會(huì)覆蓋前面的值。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致很多匪夷所思的錯(cuò)誤，讓筆者頭疼了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。各位一定要注意，每使用一個(gè)定時(shí)器都要重新拖進(jìn)來(lái)新建。

10.4.4 磁循跡算法

為了讓 AGV 始終沿著磁條行走，我們要編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，也就是循跡程序。循跡程序的邏輯可以非常簡(jiǎn)單，我們的輸入是磁導(dǎo)航傳感器的讀數(shù)，輸出則是舵輪轉(zhuǎn)向的速度(或差速輪的轉(zhuǎn)速差)，磁條如果在 AGV 車體中心線的左側(cè)，我們就往左偏轉(zhuǎn)，反之在右側(cè)就往右偏轉(zhuǎn)，而如果恰好在中間則保持不動(dòng)。下面的仿真動(dòng)畫(huà)展示了這種控制策略的效果，其中只使用了一個(gè)傳感器和一個(gè)舵輪，但已經(jīng)可以沿著曲線行走了。磁導(dǎo)航傳感器有六個(gè)點(diǎn)，安裝在前方，紅色的方格表示感應(yīng)到了磁條，白色表示沒(méi)有感應(yīng)到。

審核編輯：湯梓紅