plc的自动寻迹运输车控制系统设计

PLC 的自动寻迹运输车控制系统设计 提高现代化工厂部门之间物料搬运和内部运输的协调性，是实现生产全盘自动化的重 要举措。传统物料运输车具有设备复杂、功耗大、投资高、污染环境等缺点，其中有轨运 输车需铺设专门轨道，若生产程序改变，需重新铺设轨道，破坏路面，投资高；无轨运输 车包括叉车及手推运料小车，均需专人驾驶，劳动强度大，运输效率低。 本设计采用光电检测技术，以日本三菱公司生产的 FX-2N 可编程控制器为控制核心， 通过编程实现智能控制。若生产工序改变，只需重新铺设光轨便可以相应改变。是一种新 型、高效、无污染的自动寻迹运输车，无人驾驶、安全可靠、操作方便。可降低生产成本， 提高生产效率。 1 系统总体方案 系统总体设计框图如图 1 所示，直流电机固定在运输车底座下侧，驱动后轮前进，步 进电机控制前轮转向，PLC 作为控制系统中心，并与步进电机、直流电机及触摸屏相连， 得到速度、位置和障碍物信息同时输出相应的控制命令到直流电机、电磁制动器及步进电 机。触摸屏作为操作界面，给用户提供一个可视化的操作平台。 系统设计可划分为信号检测部分和控制部分。其中，信号检测部分包括轨道线检测设 计、障碍物检测设计、速度检测设计，控制部分包括驱动控制设计、制动控制设计、转向 控制设计。系统总体设计流程图如图 2 所示。 运输车循迹采取光电探测法的原理。在车体底部安装 3 只光电传感器，运输车在地 板上按照引导线自动运行时不断地向地面发射红外光。由于光电管对不同颜色的物体表面 具有不同的反射性质的特点：当红外光遇到绿色引导线时发生漫反射，反射光被装在运输 车上的接收管接收，输出为低电平；如果遇到其他颜色则红外光被吸收，输出为高电平。 可编程控制器便可根据 3 只光电传感器的状态编码为依据来确定引导线的位置和运输车的 行走路线闭。运输车自动寻迹的位置状态编码如图 3 所示。 深圳稻草人自动化培训 2 系统硬件设计 21 转向及驱动控制电路设计 本设计运输车载重不超过 70 kg，对电机的负载能力有一定的要求，由于直流减速电 机转动力矩大，可以产生较大转矩，因此选择 xM410125A 型直流减速电机作为该系统 的驱动电机，该电机自带一个小链轮，齿数 z1 为 9，选取大链轮齿数 z2 为 19，所以传动 比 i 为： 正常运行时，运输车运行速度 V 为： 式中：n 为直流电机输出转速，4 r，s；d 为运输车驱动轮直径， 14cm。 驱动电机连接电路图如图 4 所示。电机通电后经链条传动使驱动轮转动。本设计将 PLC 输出端 Y2 与两相继电器 J5 相连，当 Y2 低电平时，J5 活动触点 KM 与触点 l 连接， 电机正转；反之 Y2 高电平时，J5 活动触点 KM 与触点 2 连接，电机反转。电机驱动器 (CT 一 30lA9)通过 J5 连接电机，调整 ADJ 端子参数可以改变电机转速，检测到的路况输 入信号，经过 PLC 控制单元进行计算并按结果的要求输出控制信号到 Y2 端，控制电机的 正反转，从而实现运输车的前进、后退。 如图 5 所示，PLC 输出端 Yo 连接到步进电机驱动器的 Pu(步进脉冲信号)，Y1 连接 到 DR(方向控制) 。PLC 根据传感器检测到的信号，进行程序控制，当运输车偏离引导线 时，Yo 接通，步进电机开始工作(初始设置为右转) ，当判断需要左转时，Y1 接通，控制 步进电机反方向转动。 22 光电检测电路设计 综合各种光电检测器件的性能及本设计的具体要求，采用 RPR220 型光电对管。其发 射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。当发光 二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性 能稳定。 光电检测电路如图 6 所示。车体上的 3 个光电管对路径信息进行检测，将检测到的 信号送到 PLC 输入端，从左至右记作：x1 、x2、x3，当 PLC 检测到的信号为低电平时， 则红外光被地上的绿色引导线反射，表明运输车处在绿色引导线上；反之运输车已经偏离 轨道。光电传感器的输入电压为 5 V，而整体设计中输入模块采用的电压为 24 V。采用稳 压管 LM317，调整电位器使其输出电压恒为 5 V，保证光电传感器的正常工作。 深圳稻草人自动化培训 23 测速传感器电路设计 本设计采用测速传感器来获取运输车当前速度，其作用主要有： 1)监控运输车速度变化，为弯道速度控制提供参考； 2)实现速度的闭环控制，增加运输车稳定性。系统的主要控制对象是转向轮和驱动轮。测 速传感器安装于运输车驱动轮附近，测速轮安装在靠近运输车驱动轮的轴上，测速轮上开 有间隔均匀的 30 个小齿，即齿轮转动一周，测速传感器检测到 30 个脉冲。当运输车运行 时，测速传感器不断输出脉冲，其脉冲个数存放到 PLC 的内部寄存器中。测速传感器电路 设计如图 7 所示。根据式(3)计算出驱动轮每分钟转动的转数 N，再结合驱动轮的直径就可 算出运输车当前的运行速度 V。 式中：n 为测速轮每一周测得脉冲数，n=30；D5 为测速传感器测速时段输出脉冲个数；t 为测速时段的计数时间，ms。 24 速度控制电路设计 速度控制电路如图 8。由传感器采集到的信号输入到 PLC 上，经 PLC 处理后传送到 Y 端，3 个输出端 Y11、Y12、Y13 通过继电器 J1、J2 、 J3 分别连接不同的分压电路，电 阻值的不同使得所分电压不同， 同时电机驱动器(CT 一 301A9)输出发生变化，从而控制电机转速，实现速度控制。 深圳稻草人自动化培训 25 避障电路设计 障碍物检测电路设计如图 9 所示。在运输车的四周安装有红外光电传感器，其检测原 理与路面检测相似，当运输车运行时，传感器检测到人或其他障碍物，输出为低电平，通 过输入端传送到 PLC，进行数据处理，输出报警信号，反之，输出高电平。 26 制动电路设计 制动电路设计如图 10 所示。运输车遇到障碍物或到站时，需要自动停止。停止由 PLC 编程控制，因此只需将输出端 Y4 连接制动装置即可。本设计由继电器 J4 动作进而通 过电感的吸合作用带动绕在驱动轮上的皮带控制运输车的制动。 3 系统软件设计 运输车的控制采用模块化的结构，其基本思路是：将位置传感器采集来的道路信息、 速度传感器采集来的速度信息和避障传感器检测到的障碍物信息经 PLC 处理，输出 PwM 信号到舵机和驱动电机。方向控制和速度控制系统分别构成两个闭环系统，两者可相互影 响，比如根据路径识别的结果来控制速度，使得运输车在弯道上慢速，而在直道上快速。 软件设计流程图如图 11 所示。 方向控制：运输车舵机是由舵轮、机械结构、步进电机和控制电路组成的一个位置随 动系统。通过内部的位置反馈来实现舵轮输出转角正比于给定的控制信号。本设计将位置 传感器反馈的路面信息、测速传感器测得的速度信息和避障传感器检测到的障碍物信息， 经过 PLC 控制单元进行计算并按结果的控制要求向步进电机发出命令(PWM 信号形式) ， 通过对步进电机的正反转控制来实现舵轮的正反转，在脉宽改变时，使其自动变化到对应 值。 速度控制：直流电机转速的控制采用 PWM(脉宽调制 )调速方法。为进一步精确控制运 输车速度，还需要引入闭环速度控制。利用位置传感器、速度传感器和避障传感器检测到 的实时信息与期望速度之间的比较来确定输出到直流电机的 PWM 信号，从而确定加速或 减速强度的大小。 4 结论 本系统采用 PLC 作为核心控制器，采用机电一体化设计，已完成了样机制作，可实现 物料的自动运输，目前处于程序优化阶段。相对于国内常见的轨道运输系统，本系统体积 深圳稻草人自动化培训 较小、安装方便，轨道铺设简单，根据生产工序粘贴轨道纸便可实现无人驾