基于PLC控制系統的自動(dòng)尋跡運輸車(chē)設計

提高現代化工廠(chǎng)部門(mén)之間物料搬運和內部運輸的協(xié)調性，是實(shí)現生產(chǎn)全盤(pán)自動(dòng)化的重要舉措。傳統物料運輸車(chē)具有設備復雜、功耗大、投資高、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，其中有軌運輸車(chē)需鋪設專(zhuān)門(mén)軌道，若生產(chǎn)程序改變，需重新鋪設軌道，破壞路面，投資高;無(wú)軌運輸車(chē)包括叉車(chē)及手推運料小車(chē)，均需專(zhuān)人駕駛，勞動(dòng)強度大，運輸效率低。

本設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(guò)編程實(shí)現智能控制。若生產(chǎn)工序改變，只需重新鋪設光軌便可以相應改變。是一種新型、高效、無(wú)污染的自動(dòng)尋跡運輸車(chē)，無(wú)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、系統總體方案

系統總體設計框圖如圖1所示，直流電機固定在運輸車(chē)底座下側，驅動(dòng)后輪前進(jìn)，步進(jìn)電機控制前輪轉向，PLC作為控制系統中心，并與步進(jìn)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(shí)輸出相應的控制命令到直流電機、電磁制動(dòng)器及步進(jìn)電機。觸摸屏作為操作界面，給用戶(hù)提供一個(gè)可視化的操作平臺。

圖1 系統總體設計框圖

系統設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(xiàn)檢測設計、障礙物檢測設計、速度檢測設計，控制部分包括驅動(dòng)控制設計、制動(dòng)控制設計、轉向控制設計。系統總體設計流程圖如圖2所示。

圖2 系統總體設計流程圖

運輸車(chē)循跡采取光電探測法的原理。在車(chē)體底部安裝3只光電傳感器，運輸車(chē)在地板上按照引導線(xiàn)自動(dòng)運行時(shí)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(diǎn)：當紅外光遇到綠色引導線(xiàn)時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在運輸車(chē)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?只光電傳感器的狀態(tài)編碼為依據來(lái)確定引導線(xiàn)的位置和運輸車(chē)的行走路線(xiàn)閉。運輸車(chē)自動(dòng)尋跡的位置狀態(tài)編碼如圖3 所示。

圖3 運輸車(chē)位置狀態(tài)編碼圖

2、系統硬件設計

2.1轉向及驅動(dòng)控制電路設計

本設計運輸車(chē)載重不超過(guò)70kg，對電機的負載能力有一定的要求，由于直流減速電機轉動(dòng)力矩大，可以產(chǎn)生較大轉矩，因此選擇xM4—10125A型直流減速電機作為該系統的驅動(dòng)電機，該電機自帶一個(gè)小鏈輪，齒數z1為9，選取大鏈輪齒數z2為19，所以傳動(dòng)比i為：

式中：n為直流電機輸出轉速，4r，s;d為運輸車(chē)驅動(dòng)輪直徑，14cm。

驅動(dòng)電機連接電路圖如圖4所示。電機通電后經(jīng)鏈條傳動(dòng)使驅動(dòng)輪轉動(dòng)。本設計將PLC輸出端Y2與兩相繼電器J5相連，當Y2低電平時(shí)，J5活動(dòng)觸點(diǎn)KM 與觸點(diǎn)l連接，電機正轉;反之Y2高電平時(shí)，J5活動(dòng)觸點(diǎn)KM與觸點(diǎn)2連接，電機反轉。電機驅動(dòng)器(CT一30lA9)通過(guò)J5連接電機，調整ADJ端子參數可以改變電機轉速，檢測到的路況輸入信號，經(jīng)過(guò)PLC控制單元進(jìn)行計算并按結果的要求輸出控制信號到Y2端，控制電機的正反轉，從而實(shí)現運輸車(chē)的前進(jìn)、后退。

圖4 驅動(dòng)電機鏈接電路圖

如圖5所示，PLC輸出端Yo連接到步進(jìn)電機驅動(dòng)器的Pu(步進(jìn)脈沖信號)，Y1連接到DR(方向控制)。PLC根據傳感器檢測到的信號，進(jìn)行程序控制，當運輸車(chē)偏離引導線(xiàn)時(shí)，Yo接通，步進(jìn)電機開(kāi)始工作(初始設置為右轉)，當判斷需要左轉時(shí)，Y1接通，控制步進(jìn)電機反方向轉動(dòng)。

圖5 步進(jìn)電機接線(xiàn)圖

2.2光電檢測電路設計

綜合各種光電檢測器件的性能及本設計的具體要求，采用RPR220型光電對管。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。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩定。

光電檢測電路如圖6所示。車(chē)體上的3個(gè)光電管對路徑信息進(jìn)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(shí)，則紅外光被地上的綠色引導線(xiàn)反射，表明運輸車(chē)處在綠色引導線(xiàn)上;反之運輸車(chē)已經(jīng)偏離軌道。光電傳感器的輸入電壓為5V，而整體設計中輸入模塊采用的電壓為24V。采用穩壓管LM317，調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 光電檢測電路設計

2.3測速傳感器電路設計

本設計采用測速傳感器來(lái)獲取運輸車(chē)當前速度，其作用主要有：

1)監控運輸車(chē)速度變化，為彎道速度控制提供參考;

2)實(shí)現速度的閉環(huán)控制，增加運輸車(chē)穩定性。系統的主要控制對象是轉向輪和驅動(dòng)輪。測速傳感器安裝于運輸車(chē)驅動(dòng)輪附近，測速輪安裝在靠近運輸車(chē)驅動(dòng)輪的軸上，測速輪上開(kāi)有間隔均勻的30個(gè)小齒，即齒輪轉動(dòng)一周，測速傳感器檢測到30個(gè)脈沖。當運輸車(chē)運行時(shí)，測速傳感器不斷輸出脈沖，其脈沖個(gè)數存放到 PLC的內部寄存器中。測速傳感器電路設計如圖7所示。根據式(3)計算出驅動(dòng)輪每分鐘轉動(dòng)的轉數N，再結合驅動(dòng)輪的直徑就可算出運輸車(chē)當前的運行速度 V。

圖7 測速傳感器電路設計圖

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

2.4速度控制電路設計

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端，3個(gè)輸出端Y11、Y12、Y13通過(guò)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)電機驅動(dòng)器(CT一301A9)輸出發(fā)生變化，從而控制電機轉速，實(shí)現速度控制。

圖8 速度控制電路設計

2.5避障電路設計

障礙物檢測電路設計如圖9所示。在運輸車(chē)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(chē)運行時(shí)，傳感器檢測到人或其他障礙物，輸出為低電平，通過(guò)輸入端傳送到PLC，進(jìn)行數據處理，輸出報警信號，反之，輸出高電平。

圖9 障礙物檢測電路設計

2.6制動(dòng)電路設計

制動(dòng)電路設計如圖10所示。運輸車(chē)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。本設計由繼電器J4動(dòng)作進(jìn)而通過(guò)電感的吸合作用帶動(dòng)繞在驅動(dòng)輪上的皮帶控制運輸車(chē)的制動(dòng)。

圖10 制動(dòng)控制電路設計

3、系統軟件設計

運輸車(chē)的控制采用模塊化的結構，其基本思路是：將位置傳感器采集來(lái)的道路信息、速度傳感器采集來(lái)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信號到舵機和驅動(dòng)電機。方向控制和速度控制系統分別構成兩個(gè)閉環(huán)系統，兩者可相互影響，比如根據路徑識別的結果來(lái)控制速度，使得運輸車(chē)在彎道上慢速，而在直道上快速。軟件設計流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

方向控制：運輸車(chē)舵機是由舵輪、機械結構、步進(jìn)電機和控制電路組成的一個(gè)位置隨動(dòng)系統。通過(guò)內部的位置反饋來(lái)實(shí)現舵輪輸出轉角正比于給定的控制信號。本設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(guò)PLC控制單元進(jìn)行計算并按結果的控制要求向步進(jìn)電機發(fā)出命令(PWM信號形式)，通過(guò)對步進(jìn)電機的正反轉控制來(lái)實(shí)現舵輪的正反轉，在脈寬改變時(shí)，使其自動(dòng)變化到對應值。

速度控制：直流電機轉速的控制采用PWM(脈寬調制)調速方法。為進(jìn)一步精確控制運輸車(chē)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(shí)時(shí)信息與期望速度之間的比較來(lái)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、結論

本系統采用PLC作為核心控制器，采用機電一體化設計，已完成了樣機制作，可實(shí)現物料的自動(dòng)運輸，目前處于程序優(yōu)化階段。相對于國內常見(jiàn)的軌道運輸系統，本系統體積較小、安裝方便，軌道鋪設簡(jiǎn)單，根據生產(chǎn)工序粘貼軌道紙便可實(shí)現無(wú)人駕駛;生產(chǎn)工序改變時(shí)，無(wú)需重新鋪設鐵軌，不破壞路面，從而確保了自動(dòng)運輸車(chē)的平穩運行。該系統基于光學(xué)引導的思路實(shí)現簡(jiǎn)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用。該系統采用觸摸屏對自動(dòng)尋跡運輸車(chē)進(jìn)行控制，直接選擇屏幕上的菜單，便可操作運輸車(chē)。該系統配備了自動(dòng)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。