电气工程及其自动化-AGV实时任务状态监控系统的设计

绪论研究的背景和意义自动导引车（AGV），也称为无人驾驶车，自动导航车和激光导航车.AGV其中的一个特点是可控性，AGV上有磁导航等一系列的可控方向器件，可以保证在无人干预的情况按照既定的路线来行走，将计划的物料或者是其他的配件运送到计划位置。AGV的另一个特点是柔性性强，可以通过现场的需求和实际的位置等调整AGV的行驶路径，对比其他方式（物料位置的更改，配件生产位置，配件摆放位置）来达到相同的目的，这样的方式所需的费用相对低廉。AGV通常配备一个提升机构，该机构可以与其他物流设备连接，以实现货物和物料装卸和搬运的整个过程的自动化，并且可以适应与地形相关的高度差异。AGV采用的是蓄电池作为动力源，在运行过程中具有噪音小，无空气污染，耗能小的特点，可以运用在无尘工作车间，环境需求高的清洁场所。在现在的产业生产方式还是导向式AGV占据了大多数，尤其是发展中国家的比重较高，导向式有导轨式、磁导引式等方法。这些方法都是需要提前规划AGV运行路线，对于路线不能随意更改，无法适应生产安装位置的更改，一旦需要更改路线，所花费使用成本高。因此，非导向式AGV将成为未来物流行业的发展趋势，但是非导向式AGV方法的制造成本较高，但路径设置和变更简单方便，使用费用低。在非引导式AGV系统中，AGV的行进路径不需要固定的导轨（由附加设备决定），并且当工作场所的布局发生变化时，只有规划系统的软件参数才能及时满足路径规划的要求。可以更改。物流正朝着更方便的方向发展以满足现代生产的需求，AGV小车在物流中起着重要作用，AGV小车正在提高每个工厂的效率，并进一步促进了当前社会的快速发展。用AGV推车代替以前的手动重复迭代可降低企业的人工成本，并提高仓库运营和物流管理流程的效率，仅延长5％的处理和制造时间。因此，现在各工业强国均是让自动化程度提高，用机械代替人工或者是协助人工的模式，改变物料单一的结构，使物流展现多样化结构，在企业看来降低运输成本是在企业竞争中取胜的关键，利用同样的时间生产更多的产品是企业壮大的要素，也是市场优胜劣汰的基本法则。对于员工来说，在处理重型和大件的货物时，容易对工人造成损害，这些任务用自动导引车来代替，可以很好地避免潜在的意外或者事故，从而确保生产过程的安全。AGV小车的研究现状国外AGV小车现状1953年，英国公司通过牵引拖拉机的改造制造了世界上第一台引导式AGV。在1950年代中期至1960年代初期，工厂和仓库已使用了许多类型的牵引式AGV。自从第一台AGV诞生以来的100多年来，AGV对人类的改造一直是进步的，并且充满热情，这导致越来越多的人投资于AGV的研究和制造。在1980年代，无线制导技术被引入到使用激光，惯性和磁带，眼内视觉等技术的AGV系统中，以提高AGV系统的灵活性和准确性，并修改路线，改变地面或改变产量无需停止。这些指导方法的引入使指导方法更加多样化。AGV随着计算机技术的发展而发展，降低了成本，提高了性能，加速了普及并创造了新的产业。在欧洲和美国生产的AGV主要使用大型零件进行组装，并且整体外观相对笨重，但它们大多数都可以适应复杂多样的路径规划和生产流程，因此，它们可用于各种处理场所。日本的AGV轻巧而取胜，并重视产品的灵活性。一些公司甚至生产AGC系列套件，即零件和组件，并根据用户需求定制产品。从整个行业的角度来看，AGV广泛应用于工业，军事，交通，电子等领域。总体而言，外国AGV制造商一般都有很深的历史底蕴，这与该国的发展阶段有着非常直接的关系。国内AGV小车研究现状当前的AGV市场面向不同的国家，分为两个方向。一种是开发一种高度自动化的模型，该模型由机械控制，从而减少了手动控制的需求。在一定程度上离不开手册。AGV正在以多方向和智能的方式发展。实现计划的加工计划和使用无人搬运的工具的关键取决于指导系统。电磁感应是最早开发的AGV感应，目前使用最广泛。然而，由于电磁感应方法的缺点，依次示出了光感应方法，磁体感应方法，激光感应方法，标记跟踪向导和图像传感器感应方法。各种归纳方法充分体现了无人控制系统的高灵活性，高效率，高可靠性和低成本的发展特点，并朝着智能化的方向发展，将AGV技术推向了一个新的高度。在AGV的工程可行性分析和验证中，越来越多的系统仿真方法被使用。特殊的仿真语言将使用户易于使用，并且仿真成本将继续降低。通用仿真系统包括彩色图形输入和显示系统，仿真处理器和仿真语言。中国的AGV发展历史相对较短，但仍在继续增加对该领域的投资，以改变中国对进口的长期依赖。经过不断的努力，最终结果出来了。北京起重运输机械研究所，清华大学，邮政科学研究与计划研究所，中国科学院，沉阳自动化研究所，中国科学院，大连复杂机床研究所，国防科技大学和华东技术研究所都在开发各种类型的AGV并小批量生产。自1991年以来，中国科学院沈阳自动化研究所/Shinsong机器人自动化有限公司为沈阳金湾小车厂开发并生产了6辆AGV，用于汽车装配线，这在汽车行业是一个比较成功的案例可以说。并于1996年荣获国家科学技术进步奖第三名。1992年，天津理工学院开发了用于核电站的光感应AGV。可以看出，中国的AGV技术于1995年出口到韩国，而中国自主开发的机器人技术首次进入国际市场。AGV在中国的应用范围主要集中在某些汽车制造业，物流和快递以及大型自动化制造业。当前的大多数情况是在磁导模式下，并且随着5G的出现，因为可以解决诸如网络之类的一系列问题，从而减少了操作中的控制时间。以提高操作效率和节拍。设计AGV时，通常将其与一些辅助机构一起使用。本设计研究的任务本设计以PLC为控制器完成AGV实时任务状态监控系统的设计，主要围绕本课题主要解决的是的如何显示小车的位置和电脑界面上显示这一任务：对AGV小车的结构进行分析，查阅资料，选择合适的PLC型号；对AGV在电脑上建立空间坐标，确定报警内容要求；设计控制系统各功能电路，驱动电路、控制电路及各部分元件选型；根据机AGV动作控制要求，完成控制系统软件设计，制定AGV行走路线。

系统总体设计AGV小车结构电磁感应是AGV操作中使用最广泛的方法之一。根据美国物流协会的定义，AGV是指配备有电磁或光学自动引导装置的运输手推车，可以沿指定的引导路线移动，手推车编程和停车选择装置，安全保护和各种换档功能。功能。AGV是具有非接触式导航和独立编址系统的电池供电自动驾驶自动运输车辆。此设计使用固定路径引导，需要预先识别磁带和识别卡以执行计划的路径行走，并且AGV固定路径引导类型的自由度比自由路径引导少。开发固定路径制导花费的时间更少，技术更成熟。大多数固定路径引导类型由电源，PLC部分，框架部分，通信部分，驱动部分，转向部分，安全控制部分，显示部分，读卡器，定位铁片等组成。小车的总体设计框图，如图2-1:图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC1小车的总体设计框图本设计需要考虑如何定位小车和通信部分，小车将自身读到的数据发送给PLC和Kingscada。在这通信部分我采用的是Modbus通信协议，Modbus是一种串行\t"/item/Modbus%E9%80%9A%E8%AE%AF%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"通信协议，是专门为PLC通信发表的一种协议，是支持互联网协议可以通过网络使得各种设备进行连接。这需要小车上用天线和用户的内部网络连接，同理PLC和Kingscada软件要和小车处于同一个网络中，如图2-2:图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC2通信部分的示意图触摸屏触摸屏使用户可以更直观地查看AGV小车的当前位置，计划的路线及其下一个动作，并控制小车的速度。在此使用西门子触摸屏。西门子触摸屏是西门子设备。目前，触摸屏的标准供应温度为0度——50度，可以满足在室内运行的机器的要求。在室内打开操作没问题，而且在室外也有炎热操作的情况，不能使用这种触摸屏。相比之下，西门子触摸屏具有更大的适应性，可以在-30度-60度的范围内操作。如果光线充足，将出现标准触摸屏，无法清晰看到屏幕。西门子具有高度的保护等级和高分辨率，方便用户观看。最重要的TIAPortal集成了SIMATICWinCC和其他高效工具，可以涵盖工程和可视化软件的所有功能，以实现与所有性能级别的应用程序的无缝连接。因此，我使用SIEMENS700IEV3。注意触摸屏与PLC之间的通讯问题：PLC串行端口通讯参数，协议设置，将PLC设置为主站，设置接口类型和通讯参数，通过触摸屏上的网络接口设置从站。并且通讯线引脚接线正确。此处使用RS485如图2-3图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC3RS485引脚磁导航工作原理与控制方法转向和磁导航工作原理磁导航主要采用磁阻传感器为磁场检测器件，因为我采用的是固定路径引导式，所以路径铺设都是用磁条来完成，通过磁阻传感器来寻找磁条，磁阻传感器因为内部有一块特殊的金属片，在外界磁场发生变化时金属片的阻值发生变化，产生电信号给控制模块判断是否按照路径行走，如果否则停止运行并发出警报，如果是则正常运行。磁阻传感器相当于一个磁敏电阻，都是具有磁阻效应。磁导航体积小，容易安装，使用简便，可以对其定义地址安装多个不会重复在同一通道下，结构封闭对环境适应能力强，对磁场的变化敏感。磁导航具有多个探测点，一般磁场会在磁导航的中间，通过此原理让磁导航和舵轮处于同一水平线上，通过磁导航对磁条的追寻能力可以控制舵轮的方向。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC4磁导航原理图传感器2DLiDAR传感器TiM1xx具有许多优点，并且可以对传感器设计区域进行编程以使其具有快速使用的能力，从而使其能够适应不同位置的不同测试要求。该车具有障碍物检测，合理的设计结构，可确保有足够的安装和拆卸空间，并可通过io连接，从而降低了安装成本。由于传感器小巧且消耗较少的功率，因此减少AGV功耗通常为2.2W。如图2-5：图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC52DLiDAR传感器TiM1xx

系统硬件电路设计PLC为整套系统的控制核心，PLC本身和其他电路的接线必须相对应其触点，防止触点的占用，以确保程序的点和接线图相一致。故PLCs7-200的选择及其外围电路的设计也就显得十分的重要。PLC7-200具有很强的通讯能力，可以很好地连接到触摸屏。计算机软件（Kingscada）用作PLC的上位机，AGV小车中的其他硬件用作PLC的下位机。如图3-1：图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s11PLC和其他硬件，软件的关系图PLC电路设计PLCS7-200的机构部分程序，其他按钮和PLC电路当前思路为一样，当用户用完当前的料需要按下放行按钮啊，按钮会闪烁，AGV会按照相对应的动作指令，执行相关的命令，通过物理按键让PLC给小车任务和Kingscada软件的数据变化，实现对应的功能变化，最后让按键复位为下一次数据变化做准备。如图3-2：图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s12按钮接线图舵轮和磁导航电路设计因为磁导航和舵轮处于同一水平线，磁导航对磁场的追踪能力显著，让磁导航通过对磁场的变化来让舵轮随之移动，在转弯的情况/依然可以让舵轮绝大多数时间保持在磁条上，不轻易出轨。图3-3为磁导航接线，24V为提供电源，图STYLEREF1\s3-4驱动电机和PLC的接线图。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s13磁导航接线图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s14驱动电机和PLC的接线图

系统软件设计随着自动化程度的提高，为了适应自动化行业的发展，为了使亚控能够跟上现代化的步伐，必须改变或其以前以工程为单位的组态开发能力，越来越多的人学习和应用。相应的Kingscada软件功能也得到了丰富，并在使用中不断得到改进和发展。对于简单的脚本，简单的if声明可以满足大多数需求。使用了脚本语言，也称为批处理或作业控制语言。语言，这种语言非常简单，基本，脚本语言通常以文本形式存在，类似于命令，不需要浪费时间来编译。Kingscada软件功能介绍本设计采用Kingscada软件为主要核心内容，Kingscada软件是一切数据的接收方也是管理AGV大部分行动的给予者。在一定程度上拥有着智能的判断能力，通过对数据的接收可以判断当前满足条件的程序应该运行，将所有的AGV统一管理，使其达到不混乱的情况，同时可以让AGV触摸屏和Kingscada软件的监控保持一致的能力。Kingscada软件的画面功能丰富，对色彩的处理能力强，具备强大的画图能力，操作简洁，对比组态王具有更多的点数可以运行更多的程序，数据接收能力强，运算处理能力速度。Kingscada软件具有广泛的开放能力，和企业的其他系统并存，能帮助企业创造更高的收益。Kingscada软件和其他硬件的关系如图4-1：图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s11Kingscada软件和其他硬件的关系图小车定位显示将小车的位置显示到Kingscada中的界面运行过程中，小车位置原理图如图4-2，大致分为三步：第一步通过ioServer数据采集系统应用组可以采集PLC发送的信号，在ioServer应用组中新建变量组，再将新建的变量通过ioServer中的网络配置下的存储配置可以连接配置，通过网络来连接，设置各个io的IP地址端口，在IOServer里面定义的变量如果存储配置里面选择“无”，即不存储，则不会保存历史数据到工业库。第二步在新建变量并将变量和io的关联，再将画面中图形连接到变量。第三步写脚本，将小车读到的RFID卡当前的位置发送给PLC，PLC再将数据发给Kingscada软件，在主界面标出位置点，最后通过确定位置点的x，y再将图形显示到位置点上,置顶图形，完成小车在电脑界面的显示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s12小车位置原理图AGV小车周围的障碍物信息及其它相关信息AGV小车周围的障碍物信息及其它相关信息的信息,如图4-3：第一步通过障碍物在传感器的区域程度来让小车停止运行，或者是减速慢行的情况。第二步让Kingscada软件读取到传感器的数据变化，让脚本其中的io变量=1时在实时报警界面显示小车车号和报警文本。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s13传感器和Kingscada的关系图Kingscada软件中的脚本管制点第一步：要先确定小车和Kingscada软件，PLC之间是相互通信的，不会因为网络波动的原因出现小车继续运行的情况，防止撞车。第二步：将小车的位置和图形显示出来，将位置点的小车数量限制，在互不干扰的情况下划分为几个路线，通过脚本判断小车是否该启动。图4-4脚本流程图：图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s14脚本流程图PLC机构的程序设计一个Q点(物理按钮)，在保证小车，Kingscada软件和PLC之间通信的前提下，Q点可以帮助我判断线上小车运输的料框中是否有料，是否需要新的小车来填补，在线上有小车的情况下，PLC对按钮的上升沿检测，发送给中继触发，中继和软件的点相连，当软件的脚本判断满足条件时在发送任务给空料框的小车和缓存一的小车，执行原先设计好的程序动作，最后按钮复位。如下图4-5所示：图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s15PLC流程图Alwayson是检测机构PLC到系统心跳信号，接通延时型定时器的时间为100ms如图4-6图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s16机构PLC到系统心跳信号检测图4-7是左翼子板按钮的PLC程序，先检测PLC机构和系统的通信，CPU-输入8是车型一空车确认，按钮常闭，当没有车时按按钮没有反应，不会让系统在发任务给小车，避免有人误碰导致车的任务多为相同，当有车时CPU-输入8闭合，检测上升沿（按下按钮）通过置位，让系统给任务给小车，最后通过延时3s后复位。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s17PLC程序

仿真调试在这次设计中我采用的PLC是西门子S7-200,通过wincc软件来做的仿真，先在PLC上对程序的常开常闭设置关联变量，找到相对应的地址，在wincc软件上新建变量将对应的地址写入，在通讯-连接上选择的通讯驱动程序上选择SIMATICS7200Smart，波特率选为19200，这样可以和实物相连，如图5-1：图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s11仿真连接下面图为仿真结果，图5-2显示机构的状态，橙色部分为举升或者沉下的状态，当小车显示为绿色机构下是有小车和料框的，反之灰色则是没有.下面画面中的点右键选择属性-动画，可以对点进行设置和关联，当按钮按下时会闪烁变颜色。图中下一页的按钮选择按下时关联另一个页面图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s12机构状态图5-3是更为直观看出小车的车号和哪里有缺失空位。当小车完成平移并没有报警的情况下发送数据给PLC,再由PLC分别给kingscada软件和触摸屏，让软件和触摸屏显示位置和车号。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s13小车到位显示图5-4是记录报警画面，当小车平移发生舵轮角度故障，没有回正到位，寻不到磁条，网络异常，这些文本在关联的变量属性列文本中的报警文本都写入，当PLC接受到的io点出现报警则显示向对应的报警。图STYLEREF1\s5-4报警画面图5-5，图5-6，图5-7是示PLC的输入/输出端口的信号，可以更精准的观察PLC数据。图STYLEREF1\s5-5PLC的输入/输出端口图STYLEREF1\s5-6PLC的输入/输出端口图STYLEREF1\s5-7PLC的输入/输出端口

总结本文的设计是基于PLC和kingscada软件的AGV实时任务状态监控系统的设计可用于物流运输作业。AGV实时任务状态监控系统主要由AGV小车，PLC，kingscada软件，举升机构组成。AGV小车和PLC，保证硬件的实施运行和网络的畅通，使得本文设计的系统有了一定的可行性。本系统采用的是kingscada软件，在使用上更加稳定，显示更加直观，加上当今网络技术逐渐成熟，kingscada软件的稳定性让小车在线路上运行的更为流畅，减少撞车的几率。直观性，可以让使用者更好的看到小车的状态。本系统设计可在控制一定成本下实现AGV实时任务状态监控，为AGV实时任务状态监控提供一定的设计方向。

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