AGV车载控制系统搭建（初学者入门）

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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和1500，使用厂家有新松、嘉腾。PLC 以稳定性好、可靠性高著称，它主要用于逻辑控制。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。西门子 PLC 的价格大概在3000元~12000元左右。 
　　2. 工控机：代表产品例如倍福的 CX5130，使用厂家有昆船、海通、罗伯特木牛流马。工控机其实就是一台电脑，只不过经过精心的设计使其具有很强的抗干扰能力和稳定性，可以用于工厂恶劣环境。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4000到10000元左右。 
　　3. 单片机：代表产品例如 STM32，使用厂家有昆船、机科、嘉腾、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，加上外围器件成本最多也不过千元左右。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（西门子公司的产品非常丰富，各个型号在接口种类、性能等方面有细微的差别，购买时为了准确描述具体是哪个型号，最好使用订货号。西门子的每种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》或者官方文档《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。

　　想对PLC进行操作，需要使用普通网线将 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。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 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，甚至家用路由器都可以。如果你想追求更稳定可靠的通信，可以选择工业级路由器，例如摩莎（MOXA），它的体积非常小，供电电压兼容12V~48V。

名称	型号	价格
MOXA 无线AP	AWK-1131A-EU	3000元

　　　　 　　

2. 驱动器

　　如果说车载控制器是 AGV 的大脑，那么 AGV 还要有心脏和肌肉才能运动起来，驱动器给车轮的电机提供电流，相对于心脏。

2.1 AGV使用的驱动器

　　由于 AGV 普遍采用蓄电池供电，其电压一般在 24V~72V 左右。因此 AGV 使用的驱动器属于低压直流型伺服驱动器。提供低压驱动器的厂家有：AMC、RobotQ、ZAPI、CURTIS等等。使用低压供电附带的一个好处是对人没有任何危险（电压太低电不死人）。

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 模块没有这些通讯接口，所以要想连接驱动器，需要购买额外的通信模块（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 、485 和 CANopen 通信模块如下图所示（这三种模块外形完全一样），注意 232 和 CANopen 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	3800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。值得注意的是，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（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

　　AGV要想实现移动就要有移动机构，使用最多的移动机构形式有舵轮、差速轮和麦克纳姆轮。那么它们各自有什么特点呢？什么场合又该使用哪种轮子呢？ 
　　小负载（<200kg）AGV通常采用差速轮和麦克纳姆轮，而中大负载（>1000kg）AGV采用舵轮较多（也有使用麦克纳姆轮的）。如下图所示，麦克纳姆轮的结构复杂，车轮两侧的支撑轮廓紧贴地面，因此只能用于平整的地面，遇到坑洼的地形容易出现接触摩擦。如果AGV使用麦克纳姆轮，那么所有车轮全部都要用麦克纳姆轮，这也就解释了为什么有的重载AGV用了很多麦克纳姆轮（多的甚至能达到 12~24个）。而如果AGV使用舵轮则可以通过安装承重轮（例如万象支撑轮，俗称脚轮）的方式分担一部分重量，所以舵轮的数量不需要很多。 

 
　　 舵轮由齿轮箱、驱动电机、转向电机、编码器、限位开关等组成，它既能提供牵引力（驱动），也可以主动转向，因此一个舵轮有两个自由度。AGV 使用一个或以上的舵轮就可以实现全向移动：原地旋转、斜行、横移等等。舵轮一般用于地面条件较好的室内环境，所以轮面的材料多为聚氨酯。舵轮的运动精度决定了AGV的重复定位精度，所以舵轮的好坏对AGV的性能有重要的影响。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），要求舵轮电机与外部环境隔离，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。这些舵轮生产厂家一般只卖舵轮，不提供驱动器，驱动器则由代理商提供。一台AGV上最贵的部件就是舵轮，以一台成本10万元左右的AGV为例，如果配备两个舵轮，就需要4~5万元，占整车成本将近一半。不过好消息是，国内的舵轮厂家开始参与竞争，这将降低AGV的成本。 

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完成铺设。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，但有些传感器两种都兼容。注意磁条一般不抗压，所以如果被轮子反复碾压可能会压扁。

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HAWKER。下左图所示的是POWERCAN公司的容量80Ah，输出电压12V的铅酸蓄电池。下右图所示的是霍克AGV专用电池。

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

　　要对西门子 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。

8.1 西门子PLC的特点

　　要想用好PLC，就要熟悉它的一些特点，下面我们就了解一下这款PLC的特点。 
　　1215C的内存有多大呢？ 
　　我们用电脑连接上PLC，如何打开博途软件，在左侧双击“在线和诊断”，然后在打开窗口中点击“存储器”，如下图所示。 

　　 
　　 可以看到这里有三个存储器，分别是：装载存储器、工作存储器和保持存储器。并且可以看到三个存储器的大小，分别是： 
　　1. 装载存储器：　4194304 Byte ÷1024÷1024=4MB 
　　2. 工作存储器：　128000 Byte ÷1024=125KB 
　　3. 保持存储器：　10240 Byte ÷1024=10KB 
　　这和系统手册中给出的数值是一样的，如下： 
　 
　　 你看完是不是都哭了，10年前的手机存储器都比这要大。 
　　这三个存储器各有什么作用呢？ 
　　1. 装载存储器：用于存储用户项目文件（例如：用户程序、组态信息），相当于硬盘； 
　　2. 工作存储器：CPU在执行用户程序时会将一些项目内容从装载存储区复制到工作存储区，相当于电脑的内存； 
　　3. 保持存储器：掉电后数据仍然保持。如果你希望一些数据能在断电后一直保持就要使用这个存储器。但遗憾的是，小气的西门子公司只给了我们10KB。 
　　PLC 扫描一次程序需要多长时间呢？ 
　　PLC会自动记录时间，在同一页面，打开“循环时间”，就能看到PLC完整执行一遍程序需要的时间，如下图所示。这个时间不是固定的，取决于你的程序长短，一般的执行时间在3毫秒以内。