Details

Данная работа посвящена разработке низкоуровневой системы управления для модернизации АУР цеха окончательной сборки Автозавода Санкт-Петербург до уровня АМР на базе ПЛК Siemens S7-1200 и одноплатного компьютера NVIDIA Jetson Orin Nano с обеспечением функциональной безопасности. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Анализ существующих подходов к модернизации АУР до уровня АМР, архитектур систем управления и применимых стандартов функциональной безопасности. 2. Проектирование аппаратной конфигурации модернизированного АМР: определение состава добавляемых компонентов (ОК, лидар, камера глубины, энкодеры и др.) и разработка схемы их интеграции в существующую платформу. 3. Разработка системы критериев распределения функций управления между ПЛК и ОК и архитектуры их взаимодействия через протоколы OPC UA и Snap7. 4. Разработка программного обеспечения ПЛК: управление приводами с адаптивным ПИД-регулированием, интеграция лидара безопасности Omron OS32C, реализация аварийной остановки. 5. Апробация системы на опытном образце, включая демонстрацию сквозного взаимодействия ПЛК и ОК через контроль состояния. Работа выполнена на базе Автозавода Санкт-Петербург. Исследована текущая конфигурация АУР и выявлены её ключевые ограничения: привязка маршрутов к физической разметке, закрытая архитектура управления, отсутствие централизованного мониторинга и недостаточная вычислительная база для реализации автономной навигации. В результате спроектирована и реализована гетерогенная двухуровневая архитектура управления: низкоуровневый контур на базе ПЛК S7-1200 обеспечивает управление приводами, обработку сигналов энкодеров и функциональную безопасность, верхний уровень на базе ОК с ROS2 реализует SLAM, планирование маршрутов и взаимодействие с менеджером флота. Разработана система критериев разграничения задач между уровнями по признакам принадлежности к контуру безопасности, требованиям реального времени и I/O-ёмкости. Реализовано программное обеспечение ПЛК в составе 11 функциональных блоков FC с адаптивным ПИД-регулятором (9 диапазонов Kp, защита от насыщения интегратора, нейтральная зона ±0,35) и поддержкой до 35 конфигураций защитных зон лидара. Дифференцированное применение протоколов Snap7 для управления приводами и чтения данных энкодеров и OPC UA для конфигурации и диагностики обосновано экспериментально. Для достижения данных результатов в работе использовалось следующее программное обеспечение и инструментарий: среда разработки Siemens TIA Portal V16 для программирования ПЛК, операционная система Linux с middleware ROS2 на ОК, библиотека Snap7 для прямого обмена данными с ПЛК по протоколу S7, стек OPC UA для диагностического взаимодействия, среда 3D-моделирования для проектирования кронштейнов крепления сенсоров, а также NVIDIA Jetson Orin Nano в качестве вычислительной платформы верхнего уровня.

The given work is devoted to the development of a low-level control system for upgrading the AGV of the final assembly shop at the Saint Petersburg Automobile Plant to the АМR level, based on the Siemens S7-1200 PLC and the NVIDIA Jetson Orin Nano single-board computer, with functional safety compliance. The research set the following goals: 1. Analysis of existing approaches to AGV-to-АМR upgrade, control system architectures, and applicable functional safety standards. 2. Design of the hardware configuration of the upgraded АМR: selection of added components (ОК, lidar, depth camera, encoders, etc.) and development of their integration scheme into the existing platform. 3. Development of a function distribution criteria system between PLC and ОК, and design of their interaction architecture via OPC UA and Snap7 protocols. 4. Development of PLC software: drive control with adaptive PID regulation, integration of the Omron OS32C safety lidar, and emergency stop implementation. 5. Prototype validation, including demonstration of end-to-end PLC–ОК interaction via state control. The work was carried out at the Saint Petersburg Automobile Plant. The current AGV configuration was investigated and its key limitations were identified: route dependency on physical floor markings, a closed control architecture, the absence of centralized monitoring, and insufficient computing resources for autonomous navigation. As a result, a heterogeneous two-level control architecture was designed and implemented: the low-level loop based on the S7-1200 PLC handles drive control, encoder signal processing, and functional safety, while the upper level based on an ОК with ROS2 implements SLAM, route planning, and fleet manager interaction. A system of task distribution criteria between levels was developed based on functional safety loop membership, real-time requirements, and I/O intensity. PLC software was implemented comprising 11 functional FC blocks with an adaptive PID controller (9 Kp sub-ranges, anti-windup, neutral zone ±0.35) and support for up to 35 safety lidar zone configurations. The differentiated use of the Snap7 protocol drive control and encoder data retrieval and OPC UA for configuration and diagnostics was validated experimentally. The following software and tools were used in the course of the work: Siemens TIA Portal V16 development environment for PLC programming; Linux operating system with ROS2 middleware deployed on the ОК; the Snap7 library for direct data exchange with the PLC via the S7 protocol; an OPC UA stack for diagnostic interaction; a 3D modelling environment for designing sensor mounting brackets; and the NVIDIA Jetson Orin Nano as the upper-level computing platform.