AGV车载控制系统搭建

目的

　　本文介绍 AGV 车载控制系统的实现过程，可以分为硬件搭建和软件设计，并在其中穿插 AGV 控制的基础知识讲解。

1. 车载控制器

1.1 车载控制器的类型

　　车载控制器是控制系统乃至整个 AGV 的核心，那么应该选择什么样的控制器呢？根据笔者的经验，现在的 AGV 厂家采用的车载控制器基本可以分为以下三种：

　　下面简要介绍几种控制器的特点：
　　1. PLC：代表产品例如西门子的 S7-1200/1500，使用厂家例如新松、嘉腾。PLC以稳定性好著称，它主要用于逻辑控制。而且购买大厂家的产品，其附带的编程调试软件会很完善、强大，帮助文档也比较详细，这也是很重要的方面。西门子 PLC 的价格大概在3000元~10000元左右。
　　2. 工控机：代表产品例如倍福的 CX5130，使用厂家例如昆船、罗伯特木牛流马、海通、AAT。工控机其实就是一台电脑，只不过它经过精心的设计使其具有很强的抗干扰能力，适用于工厂恶劣环境；而且工控机结构紧凑、体积小巧，不占用过多的空间；输入电源可以是24V直流，因此适合AGV的电池供电。工控机上运行有通用的操作系统，比如 Windows、Linux。以倍福为例，安装它的 TwinCAT 控制软件后，会在 Windows 操作系统中插入实时内核，将普通电脑变成适合工业场合的实时控制系统。工控机中的高端品牌倍福的售价大概在6000到10000元左右。
　　3. 单片机：代表产品例如 STM32，使用厂家例如新松、昆船、机科、佳顺、科钛。在十几年前，单片机的稳定性不好，容易受干扰，可能会出现死机。但是电子技术突飞猛进，现在的单片机已经非常可靠了，而且价格非常低廉，加上外围器件成本撑死也不过千元左右。使用单片机的一个缺点是，如果要做成成熟的产品，你需要花费很多精力设计外部电路以及各种底层算法。
　　上面的分类并不意味着三者是泾渭分明的，例如 PLC 的核心芯片可能就是一个单片机；而工控机的编程语言很可能就采用了 PLC 领域使用的梯形图、ST等语言；单片机上面也可以装载操作系统，从而形成一个完整的控制器。所以，虽然它们各有自己适用的领域，但是相互之间也会取长补短，演变成你中有我我中有你的局面。

1.1 西门子 S7-1200 PLC

　　本文采用西门子的 S7-1215C 型 PLC 作为 AGV 的车载控制器（以后简称为S1200），订货号见下表（西门子公司的PLC型号非常多，购买时为了准确描述具体是哪个型号，最好使用订货号。西门子的产品都有一个唯一的订货号，在采购时只需要提供这个编号即可）。

名称 订货号 价格 西门子1200 CPU 6ES7215-1AG40-0XB0 3400元

　　想了解 S1200 的各项功能特性和参数设置可以阅读书籍《S7-1200 PLC 编程及应用》或者官方的手册《S7-1200可编程控制器系统手册》。让笔者感到奇怪的是，网上竟然找不到这个手册的完整版本（全长1862页），所以我把它上传到网盘供大家免费下载，点击这里下载。

什么是上位机和下位机？有些设备能够访问其它的设备，比如读取内存中的数据、向内存写数据，这样的设备具有较高的权限和地位，因此被称为上位机。有些设备只能被其它设备访问，而没有访问其它设备的权力，这样的设备就称为下位机。在本文中，PLC就是下位机，而编程计算机就是它的上位机。

　　使用普通网线将 S1200 与上位机连接，只需要将上位机的 IP 地址设置为与 PLC 同一网段即可。S1200 一般默认的 IP 地址是 192.168.0.1，所以可以将你的电脑的 IP 设置为 192.168.0.2。但是对于AGV来说，因为它是移动的，在调试的时候如果拖着一根网线就显得很不方便。实际上，你完全可以使用无线的通信方式，例如 Wifi、ZigBee等等。由于 Wifi 在实际中使用较多，我介绍一下它的配置方法。使用 Wifi 连接西门子 PLC 非常方便，只需要用网线将 PLC 的以太网口连接到无线路由器的任意 LAN 口，然后用笔记本搜索到对应的 Wifi 后连接即可访问 PLC。所用的无线路由器可以是任意品牌，甚至你家用的上网路由器都可以。如果你想追求更可靠、更快的通信，可以选择工业级路由器，例如摩莎（MOXA），它的体积非常小，供电电压从12V到48V都可以。

名称 型号 价格 MOXA 无线AP AWK-1131A-EU 3000元

　　　　　　

2. 驱动器

2.1 AGV使用的驱动器

　　由于 AGV 普遍采用电池供电，其电压一般在 24V~48V 左右。因此 AGV 使用的驱动器属于低压直流伺服驱动器。提供低压驱动器的厂家有：RobotQ、AMC、ZAPI、CURTIS等等。使用低压供电的一个好处是对人没有任何危险（电不死人）。
　　
2.2 PLC与驱动器通信

　　PLC 要想控制驱动器就要向它发送指令数据，这样的通信可以借助 RS-232、RS-485、CAN 等协议实现。因为 S1200 的 CPU 模块本身没有这些通讯接口，所以要想连接驱动器，需要添加相应的通信模块（Communication Module）。上面提到的几种协议西门子都有对应的通信模块支持，比如西门子的 232 和 485 通信模块如下图所示（这两种模块外形完全一样），注意232模块的插头是公头，而485的则是母头。

　　232通信模块　　　　　　　485通信模块　　　　　　CANopen通信模块
　　本文使用的驱动器采用 485 协议，所以我们选择485模块。

名称 订货号 价格 西门子485通信模块 6ES7 241-1CH30-0XB0 500元 西门子232通信模块 6ES7 241-1AH32-0XB0 500元 HMS CANOpen通信模块 021620-B 3000元

　　西门子485模块的接头采用了标准9 针D型插孔式连接器。为了将驱动器和PLC连接起来，我们要购买DB9接头，并用信号线将两个头连接起来。这里我们只利用两个信号线即可。但是请注意，西门子的485接口定义和常规的485不一样，常规485的信号收发是1、2头，而西门子的485则是3、8头（可以参考手册的第1769页）。所以在连线时，要按照 3-2、8-1的对应顺序焊接，如下图所示。

3. 移动机构

3.1 舵轮

　　AGV要想实现移动就要有移动机构，使用最多的移动机构有差速机构和舵轮。舵轮就是既能牵引（驱动），也可以转向的轮子，所以一个舵轮有两个自由度。根据电机的安装位置可以将舵轮分为两种：卧式和立式，分别如下两图所示。卧式舵轮的驱动电机横向安装，因此整体高度很低，有些AGV对高度有要求（例如潜入式的AGV要很矮才能钻到货物底下），这时就适合使用卧式舵轮；立式舵轮的驱动电机竖着安装，其整体高度偏高，它的优点是方便将电机隔离起来，在有些场合（例如危险品工厂），要求舵轮电路与外部环境隔离，这时就适合使用立式舵轮，因为它容易做防爆处理。国外主要的舵轮生产厂家有：意大利的 CFR 和德国的 schabmuller（夏伯穆勒），后来从CFR中又独立出来了一个厂家——马路达。国内的舵轮刚起步，厂家较少。这些舵轮生产厂家一般只卖舵轮，不提供驱动器。

4. 磁循迹传感器和磁条

4.1 磁条

　　磁条导航是目前 AGV 使用最多的导航方式之一。只需要预先在地面铺设好磁条，AGV 就会沿着磁条形成的路径运动。磁条一般宽3~5cm，它像胶带一样，一面光滑、一面带有粘性，将粘性的一面粘贴在地面即可铺设。磁条具有极性，在购买时注意是N极还是S极，磁条的极性对应磁寻迹传感器的极性。

4.2 磁循迹传感器

　　沈阳军航电器有限公司磁循迹传感器如何与PLC接线？PLC有一个COM接口。

5. 电池

　　AGV可以使用锂电池或者铅酸蓄电池，生产厂家有POWERCAN、霍克。下图所示的是POWERCAN公司的容量80Ah，输出电压12V的铅酸蓄电池。

名称 型号 价格 PowerCan 电池 6DM12V-80Ah 1000元

　　

　　配套的充电器：

6. 开关

6.1 电源开关

　　选择电源总开关时要注意它是自锁的还是自动复位的。自锁的意思就是按下后即使手指松开，开关依然保持闭合使供电畅通；而自动复位的开关按下按钮后如果松开手指，电路就会被切断，如下图所示。一般机箱上的电源总开关应该选择自锁型的，否则你要一直按着按钮才能使电路畅通，因此不要购买下图右所示的自复位型开关（代号：XB2-BA31C，价格在22元左右）。假如你买错了也不要紧，你可以再买一个自锁模块 ZB2-BZ21 C，将这个模块添加到 XB2-BA31C 开关上就能将它变成一个自锁开关。

　

6.2 急停开关

　　在所有 AGV 车体上都能找到的一个东西就是急停开关。根据国家标准《GBT 20721-2006 自动导引车 通用技术条件》中第4.2.6项的规定：“AGV 应配备紧急停车按钮，该按钮的安装位置在紧急情况下应便于操作。应采用红色按钮，急停按钮按下应关闭 AGV 驱动电源”。在AGV失去控制的情况下，按下急停开关能让它立即停止运动，从而防止伤害到人。因此急停开关构成了最后的安全屏障。为了保证使用可靠，可以购买施耐德的 XB2-BS542C。急停开关的按钮一般设计得很大，方便按下，因此又被俗称为蘑菇头，它一般都是自锁的，按下后需要旋转才能松开。购买时唯一要注意的是它的安装直径，一般选择 22mm 即可。

7. 接触器、断路器、继电器

　　AGV 上既有强电也有弱电，例如舵轮的驱动器需要的电流通常很大，而控制器和一些传感器只需要很小的电流。我们要合理设计电路，防止它们相互干扰，更主要的是包含弱电器件。根据国家标准《GBT 30029-2013 自动导引车(AGV)设计通则》中第6.7.7.4项的规定，控制器应该具有过压保护、欠压保护、过流保护功能。
　　我们要在电路中加入以下器件：
　　■　接触器：用小电流控制大电流。上面的电源开关只允许通过较小的电流，但有时设备里有些组件需要大电流才能启动，例如舵轮驱动器。我们不能用一个开关既控制小电流也控制大电流，这时就需要借助接触器。接触器内部有个电磁铁，我们用小电流控制电磁铁的吸合，电磁铁带动另一组开关闭合使大电流通过。
　　■　断路器：起到过流、欠压保护的作用。断路器也相当于一个开关，在短路等电流过大时开关断开；
　　■　继电器：也相当于一个开关，它是用小电压控制触点开闭的，但是注意触点不能流过太大电流。
　　AGV 采用电池作为能源，而电池的电压通常不是很稳定，在使用时电压会逐渐下降。虽然西门子的 PLC 对输入电压具有一定的适应能力，但是我们最好用一个24V到24V的稳压模块将电池的电压稳定后再供给 PLC。对于使用24V供电的其它器件，例如传感器，也是这样。

8. 触摸屏

　　现在的 AGV 越来越多地开始配备触摸屏了。使用触摸屏可以方便地设置AGV的参数，例如运动速度、充电电压等等，而不需要每次都将程序下载到 PLC。既然我们选择了西门子的PLC，当然触摸屏选择西门子是最配对的，但是考虑到西门子的触摸屏有点贵，我们选择国产的品牌。国产触摸屏的质量也很可靠，而且价格合理，代表厂家有：昆仑通态、威纶通、步科。

名称 型号 价格 昆仑通态 触摸屏 TPC1561Hi 3800元

　　
　　我们选择昆仑通态的触摸屏，它采用24V直流供电，并配有网口，用普通网线将触摸屏和 S1200 连接，并将触摸屏的 IP 地址设置为与 PLC 所在同一网段（例如192.168.0.3）即可实现和 PLC 的互联。设置 IP 的方法是上电后在进入正式界面之前，在屏幕的任意位置点击一下即可进入设置界面。
　　我们如何使用触摸屏呢？我们需要对触摸屏进行编程，或者说“组态”。编程需要使用昆仑通态自己的组态软件：MCGS，可以在它的官方网站免费下载。

　　在你的电脑上安装该软件，注意在软件中需要输入 PLC 的地址才能读写数据。触摸屏上只有一个网口，所以你可以用网线将触摸屏连接到你的电脑。我们注意到 S1200 有两个网口，所以一种更方便的连接方式是，将触摸屏连接到 S1200 上，然后将 S1200 连接到你的电脑，这样同样能对触摸屏进行编程。
　　触摸屏最基本的功能就是读写 PLC 的内存（因此它也是PLC的上位机）。要实现这个功能非常简单，只需要在 MCGS 中对 PLC 的变量进行关联即可。

8. PLC编程

　　AGV 的运动主要由PLC中的程序控制实现。

8.1 西门子PLC的编程方式

　　要对西门子的 PLC 编程必须使用专用的软件：STEP 7 。不过现在西门子将它和另外几个自动化软件都集成到一起，形成一个大软件包，称为：TIA Portal（博途），安装这个软件包就能使用 STEP 7 了。本文使用的就是 TIA V14 版，如下图所示。

　　购买了S1200并不意味着你能免费使用博途软件，但是没关系，网上有很多破解版本可以下载。有意思的是，其中有些资源就是西门子公司的人故意释放出来的，他们可能想占有更多的市场。