基于PLC控制系统的自动寻迹运输车设计

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。

图1 系统总体设计框图

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。

图2 系统总体设计流程图

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。

图3 运输车位置状态编码图

2、系统硬件设计

2.1转向及驱动控制电路设计

本设计运输车载重不超过70kg，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xM4—10125A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：

式中：n为直流电机输出转速，4r，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。

图4 驱动电机链接电路图

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。

图5 步进电机接线图

2.2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5V，而整体设计中输入模块采用的电压为24V。采用稳压管LM317，调整电位器使其输出电压恒为5V，保证光电传感器的正常工作。

图6 光电检测电路设计

2.3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。

图7 测速传感器电路设计图

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。

2.4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。

图8 速度控制电路设计

2.5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。

图9 障碍物检测电路设计

2.6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。

图10 制动控制电路设计

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。

图11 主程序流程图

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驶;生产工序改变时，无需重新铺设铁轨，不破坏路面，从而确保了自动运输车的平稳运行。该系统基于光学引导的思路实现简单，导向可靠，可以大幅度降低生产成本，有利于更加广泛推广和应用。该系统采用触摸屏对自动寻迹运输车进行控制，直接选择屏幕上的菜单，便可操作运输车。该系统配备了自动检测、报警及避障装置，更加安全可靠，大大减少了不安全事故的发生。