基于PLC控制系統(tǒng)的自動尋跡運輸車設(shè)計

提高現(xiàn)代化工廠部門之間物料搬運和內(nèi)部運輸?shù)膮f(xié)調(diào)性，是實現(xiàn)生產(chǎn)全盤自動化的重要舉措。傳統(tǒng)物料運輸車具有設(shè)備復雜、功耗大、投資高、污染環(huán)境等缺點，其中有軌運輸車需鋪設(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;無軌運輸車包括叉車及手推運料小車，均需專人駕駛，勞動強度大，運輸效率低。

本設(shè)計采用光電檢測技術(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、無污染的自動尋跡運輸車，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)計框圖如圖1所示，直流電機固定在運輸車底座下側(cè)，驅(qū)動后輪前進，步進電機控制前輪轉(zhuǎn)向，PLC作為控制系統(tǒng)中心，并與步進電機、直流電機及觸摸屏相連，得到速度、位置和障礙物信息同時輸出相應(yīng)的控制命令到直流電機、電磁制動器及步進電機。觸摸屏作為操作界面，給用戶提供一個可視化的操作平臺。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

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

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖

運輸車循跡采取光電探測法的原理。在車體底部安裝3只光電傳感器，運輸車在地板上按照引導線自動運行時不斷地向地面發(fā)射紅外光。由于光電管對不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點：當紅外光遇到綠色引導線時發(fā)生漫反射，反射光被裝在運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)來確定引導線的位置和運輸車的行走路線閉。運輸車自動尋跡的位置狀態(tài)編碼如圖3 所示。

圖3 運輸車位置狀態(tài)編碼圖

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1轉(zhuǎn)向及驅(qū)動控制電路設(shè)計

本設(shè)計運輸車載重不超過70kg，對電機的負載能力有一定的要求，由于直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，因此選擇xM4—10125A型直流減速電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機，該電機自帶一個小鏈輪，齒數(shù)z1為9，選取大鏈輪齒數(shù)z2為19，所以傳動比i為：

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

驅(qū)動電機連接電路圖如圖4所示。電機通電后經(jīng)鏈條傳動使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。本設(shè)計將PLC輸出端Y2與兩相繼電器J5相連，當Y2低電平時，J5活動觸點KM 與觸點l連接，電機正轉(zhuǎn);反之Y2高電平時，J5活動觸點KM與觸點2連接，電機反轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動器(CT一30lA9)通過J5連接電機，調(diào)整ADJ端子參數(shù)可以改變電機轉(zhuǎn)速，檢測到的路況輸入信號，經(jīng)過PLC控制單元進行計算并按結(jié)果的要求輸出控制信號到Y(jié)2端，控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)運輸車的前進、后退。

圖4 驅(qū)動電機鏈接電路圖

如圖5所示，PLC輸出端Yo連接到步進電機驅(qū)動器的Pu(步進脈沖信號)，Y1連接到DR(方向控制)。PLC根據(jù)傳感器檢測到的信號，進行程序控制，當運輸車偏離引導線時，Yo接通，步進電機開始工作(初始設(shè)置為右轉(zhuǎn))，當判斷需要左轉(zhuǎn)時，Y1接通，控制步進電機反方向轉(zhuǎn)動。

圖5 步進電機接線圖

2.2光電檢測電路設(shè)計

綜合各種光電檢測器件的性能及本設(shè)計的具體要求，采用RPR220型光電對管。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。

光電檢測電路如圖6所示。車體上的3個光電管對路徑信息進行檢測，將檢測到的信號送到PLC輸入端，從左至右記作：x1、x2、x3，當PLC檢測到的信號為低電平時，則紅外光被地上的綠色引導線反射，表明運輸車處在綠色引導線上;反之運輸車已經(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 光電檢測電路設(shè)計

2.3測速傳感器電路設(shè)計

本設(shè)計采用測速傳感器來獲取運輸車當前速度，其作用主要有：

1)監(jiān)控運輸車速度變化，為彎道速度控制提供參考;

2)實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，增加運輸車穩(wěn)定性。系統(tǒng)的主要控制對象是轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪。測速傳感器安裝于運輸車驅(qū)動輪附近，測速輪安裝在靠近運輸車驅(qū)動輪的軸上，測速輪上開有間隔均勻的30個小齒，即齒輪轉(zhuǎn)動一周，測速傳感器檢測到30個脈沖。當運輸車運行時，測速傳感器不斷輸出脈沖，其脈沖個數(shù)存放到 PLC的內(nèi)部寄存器中。測速傳感器電路設(shè)計如圖7所示。根據(jù)式(3)計算出驅(qū)動輪每分鐘轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)N，再結(jié)合驅(qū)動輪的直徑就可算出運輸車當前的運行速度 V。

圖7 測速傳感器電路設(shè)計圖

式中：n為測速輪每一周測得脈沖數(shù)，n=30;D5為測速傳感器測速時段輸出脈沖個數(shù);t為測速時段的計數(shù)時間，ms。

2.4速度控制電路設(shè)計

速度控制電路如圖8。由傳感器采集到的信號輸入到PLC上，經(jīng)PLC處理后傳送到Y(jié)端，3個輸出端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，同時電機驅(qū)動器(CT一301A9)輸出發(fā)生變化，從而控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)速度控制。

圖8 速度控制電路設(shè)計

2.5避障電路設(shè)計

障礙物檢測電路設(shè)計如圖9所示。在運輸車的四周安裝有紅外光電傳感器，其檢測原理與路面檢測相似，當運輸車運行時，傳感器檢測到人或其他障礙物，輸出為低電平，通過輸入端傳送到PLC，進行數(shù)據(jù)處理，輸出報警信號，反之，輸出高電平。

圖9 障礙物檢測電路設(shè)計

2.6制動電路設(shè)計

制動電路設(shè)計如圖10所示。運輸車遇到障礙物或到站時，需要自動停止。停止由PLC編程控制，因此只需將輸出端Y4連接制動裝置即可。本設(shè)計由繼電器J4動作進而通過電感的吸合作用帶動繞在驅(qū)動輪上的皮帶控制運輸車的制動。

圖10 制動控制電路設(shè)計

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

運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到的障礙物信息經(jīng)PLC處理，輸出PwM信號到舵機和驅(qū)動電機。方向控制和速度控制系統(tǒng)分別構(gòu)成兩個閉環(huán)系統(tǒng)，兩者可相互影響，比如根據(jù)路徑識別的結(jié)果來控制速度，使得運輸車在彎道上慢速，而在直道上快速。軟件設(shè)計流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

方向控制：運輸車舵機是由舵輪、機械結(jié)構(gòu)、步進電機和控制電路組成的一個位置隨動系統(tǒng)。通過內(nèi)部的位置反饋來實現(xiàn)舵輪輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號。本設(shè)計將位置傳感器反饋的路面信息、測速傳感器測得的速度信息和避障傳感器檢測到的障礙物信息，經(jīng)過PLC控制單元進行計算并按結(jié)果的控制要求向步進電機發(fā)出命令(PWM信號形式)，通過對步進電機的正反轉(zhuǎn)控制來實現(xiàn)舵輪的正反轉(zhuǎn)，在脈寬改變時，使其自動變化到對應(yīng)值。

速度控制：直流電機轉(zhuǎn)速的控制采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速方法。為進一步精確控制運輸車速度，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到的實時信息與期望速度之間的比較來確定輸出到直流電機的PWM信號，從而確定加速或減速強度的大小。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器，采用機電一體化設(shè)計，已完成了樣機制作，可實現(xiàn)物料的自動運輸，目前處于程序優(yōu)化階段。相對于國內(nèi)常見的軌道運輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積較小、安裝方便，軌道鋪設(shè)簡單，根據(jù)生產(chǎn)工序粘貼軌道紙便可實現(xiàn)無人駕駛;生產(chǎn)工序改變時，無需重新鋪設(shè)鐵軌，不破壞路面，從而確保了自動運輸車的平穩(wěn)運行。該系統(tǒng)基于光學引導的思路實現(xiàn)簡單，導向可靠，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)采用觸摸屏對自動尋跡運輸車進行控制，直接選擇屏幕上的菜單，便可操作運輸車。該系統(tǒng)配備了自動檢測、報警及避障裝置，更加安全可靠，大大減少了不安全事故的發(fā)生。