及自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、PLC的自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高現(xiàn)代化工廠部門(mén)之間物料搬運(yùn)和內(nèi)部運(yùn)輸?shù)膮f(xié)調(diào)性，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全盤(pán)自動(dòng)化的重要舉措。傳統(tǒng)物料運(yùn)輸車(chē)具有設(shè)備復(fù)雜、功耗大、投資高、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，其中有軌運(yùn)輸車(chē)需鋪設(shè)專(zhuān)門(mén)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(wú)軌運(yùn)輸車(chē)包括叉車(chē)及手推運(yùn)料小車(chē)，均需專(zhuān)人駕駛，勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)輸效率低。本設(shè)計(jì)采用光電檢測(cè)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(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(wú)污染的自動(dòng)尋跡運(yùn)輸車(chē)，無(wú)人駕駛、安全可靠、操作方便。可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。1系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體

2、設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，直流電機(jī)固定在運(yùn)輸車(chē)底座下側(cè)，驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)，步進(jìn)電機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，PLC作為控制系統(tǒng)中心，并與步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)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(yīng)的控制命令到直流電機(jī)、電磁制動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)。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(tái)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可劃分為信號(hào)檢測(cè)部分和控制部分。其中，信號(hào)檢測(cè)部分包括軌道線(xiàn)檢測(cè)設(shè)計(jì)、障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)、速度檢測(cè)設(shè)計(jì)，控制部分包括驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)、制動(dòng)控制設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。運(yùn)輸車(chē)循跡采取光電探測(cè)法的原理。在車(chē)體底部安裝3只光電傳感器，運(yùn)輸車(chē)在地板上按照引導(dǎo)線(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)不斷地向地面發(fā)射紅外光。由于光電

3、管對(duì)不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)：當(dāng)紅外光遇到綠色引導(dǎo)線(xiàn)時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在運(yùn)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?jù)3只光電傳感器的狀態(tài)編碼為依據(jù)來(lái)確定引導(dǎo)線(xiàn)的位置和運(yùn)輸車(chē)的行走路線(xiàn)閉。運(yùn)輸車(chē)自動(dòng)尋跡的位置狀態(tài)編碼如圖3所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)21 轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)運(yùn)輸車(chē)載重不超過(guò)70 kg，對(duì)電機(jī)的負(fù)載能力有一定的要求，由于直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，因此選擇xM410125A型直流減速電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)自帶一個(gè)小鏈輪，齒數(shù)z1為9，選取大鏈輪齒數(shù)z2為19，所以傳動(dòng)比i為：

4、正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行速度V為：式中：n為直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，4 r，s；d為運(yùn)輸車(chē)驅(qū)動(dòng)輪直徑，14cm。驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接電路圖如圖4所示。電機(jī)通電后經(jīng)鏈條傳動(dòng)使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)將PLC輸出端Y2與兩相繼電器J5相連，當(dāng)Y2低電平時(shí)，J5活動(dòng)觸點(diǎn)KM與觸點(diǎn)l連接，電機(jī)正轉(zhuǎn)；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(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(CT一30lA9)通過(guò)J5連接電機(jī)，調(diào)整ADJ端子參數(shù)可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，檢測(cè)到的路況輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC控制單元進(jìn)行計(jì)算并按結(jié)果的要求輸出控制信號(hào)到Y(jié)2端，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)的前進(jìn)、后退。如圖5所示，PLC輸出端Yo連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的Pu(步

5、進(jìn)脈沖信號(hào))，Y1連接到DR(方向控制)。PLC根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)行程序控制，當(dāng)運(yùn)輸車(chē)偏離引導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，Yo接通，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作(初始設(shè)置為右轉(zhuǎn))，當(dāng)判斷需要左轉(zhuǎn)時(shí)，Y1接通，控制步進(jìn)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。22光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)綜合各種光電檢測(cè)器件的性能及本設(shè)計(jì)的具體要求，采用RPR220型光電對(duì)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(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。光電檢測(cè)電路如圖6所示。車(chē)體上的3個(gè)光電管對(duì)路徑信息進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)送到PLC輸入端，從左至右記作：x1、x2、x3，當(dāng)PL

6、C檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，則紅外光被地上的綠色引導(dǎo)線(xiàn)反射，表明運(yùn)輸車(chē)處在綠色引導(dǎo)線(xiàn)上；反之運(yùn)輸車(chē)已經(jīng)偏離軌道。光電傳感器的輸入電壓為5 V，而整體設(shè)計(jì)中輸入模塊采用的電壓為24 V。采用穩(wěn)壓管LM317，調(diào)整電位器使其輸出電壓恒為5 V，保證光電傳感器的正常工作。23測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用測(cè)速傳感器來(lái)獲取運(yùn)輸車(chē)當(dāng)前速度，其作用主要有：1)監(jiān)控運(yùn)輸車(chē)速度變化，為彎道速度控制提供參考；2)實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，增加運(yùn)輸車(chē)穩(wěn)定性。系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪。測(cè)速傳感器安裝于運(yùn)輸車(chē)驅(qū)動(dòng)輪附近，測(cè)速輪安裝在靠近運(yùn)輸車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的軸上，測(cè)速輪上開(kāi)有間隔均勻的30個(gè)小齒，即齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，測(cè)速傳感器檢

7、測(cè)到30個(gè)脈沖。當(dāng)運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行時(shí)，測(cè)速傳感器不斷輸出脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)存放到PLC的內(nèi)部寄存器中。測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)如圖7所示。根據(jù)式(3)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)N，再結(jié)合驅(qū)動(dòng)輪的直徑就可算出運(yùn)輸車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行速度V。式中：n為測(cè)速輪每一周測(cè)得脈沖數(shù)，n=30；D5為測(cè)速傳感器測(cè)速時(shí)段輸出脈沖個(gè)數(shù)；t為測(cè)速時(shí)段的計(jì)數(shù)時(shí)間，ms。24速度控制電路設(shè)計(jì)速度控制電路如圖8。由傳感器采集到的信號(hào)輸入到PLC上，經(jīng)PLC處理后傳送到Y(jié)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(jī)驅(qū)動(dòng)器(CT一301A9)輸出發(fā)生變化，從而控制

8、電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度控制。25避障電路設(shè)計(jì)障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖9所示。在運(yùn)輸車(chē)的四周安裝有紅外光電傳感器，其檢測(cè)原理與路面檢測(cè)相似，當(dāng)運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行時(shí)，傳感器檢測(cè)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(shù)據(jù)處理，輸出報(bào)警信號(hào)，反之，輸出高電平。26制動(dòng)電路設(shè)計(jì)制動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖10所示。運(yùn)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)輪上的皮帶控制運(yùn)輸車(chē)的制動(dòng)。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)輸車(chē)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(lái)的道路信息、速度傳感器采集來(lái)的速度信息

9、和避障傳感器檢測(cè)到的障礙物信息經(jīng)PLC處理，輸出PwM信號(hào)到舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。方向控制和速度控制系統(tǒng)分別構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，兩者可相互影響，比如根據(jù)路徑識(shí)別的結(jié)果來(lái)控制速度，使得運(yùn)輸車(chē)在彎道上慢速，而在直道上快速。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示。方向控制：運(yùn)輸車(chē)舵機(jī)是由舵輪、機(jī)械結(jié)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)和控制電路組成的一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)內(nèi)部的位置反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)舵輪輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)將位置傳感器反饋的路面信息、測(cè)速傳感器測(cè)得的速度信息和避障傳感器檢測(cè)到的障礙物信息，經(jīng)過(guò)PLC控制單元進(jìn)行計(jì)算并按結(jié)果的控制要求向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出命令(PWM信號(hào)形式)，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)舵輪的正反轉(zhuǎn)，在脈寬改變時(shí)，使其自動(dòng)變化到對(duì)應(yīng)值。速度控制：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速方法。為進(jìn)一步精確控制運(yùn)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(cè)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(jī)的PWM信號(hào)，從而確定加速或減速?gòu)?qiáng)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)，已完成了樣機(jī)制作，可實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)運(yùn)輸，目前處于程序優(yōu)化階段。相對(duì)于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積較小、安裝方便，軌道鋪設(shè)簡(jiǎn)單，根據(jù)生產(chǎn)工序粘貼軌道紙便可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛；生產(chǎn)工序改變時(shí)，無(wú)需