雙工位移載車在自動化物流線中的優(yōu)化控制與應(yīng)用

楊 鵬，劉 瑩，孫 昳，汪靈瑤，彭志勇

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

雙工位移載車在自動化物流線中的優(yōu)化控制與應(yīng)用

楊 鵬，劉 瑩，孫 昳，汪靈瑤，彭志勇

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

介紹了雙工位移載車在化纖自動化物流線中的的優(yōu)化控制與應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠替代人工實(shí)現(xiàn)不同批次不同類型的成跺貨物在各個不同功能的工位間的配送。雙工位移載車采用西門子S7-1500系列PLC當(dāng)作其控制系統(tǒng)。目前正在某化纖紡織企業(yè)運(yùn)行良好，節(jié)省了大量勞動力，對提高產(chǎn)品質(zhì)量與高效生產(chǎn)起到了重要作用。

PLC；雙工位移載車；自動化物流線；優(yōu)化控制

0　引言

在我國現(xiàn)有的化纖包裝車間里，由于產(chǎn)品批號與規(guī)格較多，大多需要通過人工的方式來運(yùn)輸作業(yè)，而人工方式存在不確定性因素，屢犯批號規(guī)格不一致等錯誤，導(dǎo)致混批，給客戶與企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。隨著工業(yè)4.0概念的提出，自動化物流設(shè)備在化纖行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而移載車在智能化自動化包裝線中起著出入庫聯(lián)接，貨物分配，信息傳遞等極為重要的作用。雙工位移載與單工位移載車相比，工作方式多樣化、控制程序優(yōu)化、定位更加精確、速度更加快捷，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)作業(yè)，彌補(bǔ)了單工位移載車的生產(chǎn)效率不足等缺點(diǎn)。本文以聚纖企業(yè)實(shí)際需求為基礎(chǔ)，介紹了應(yīng)用于自動化物流生產(chǎn)線的雙工位移載車的結(jié)構(gòu)及工作原理，對其在多位置作業(yè)中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化控制，對智能化的物流系統(tǒng)具有一定的參考性和適用性。

1　系統(tǒng)簡介

1.1主要工藝流程

在化纖自動化物流線中，雙工位移載車主要負(fù)責(zé)接送碼垛站臺的貨物，把碼滿跺的產(chǎn)品接送到滿跺下線站臺，把碼成的未滿跺產(chǎn)品接送到未滿跺的入庫站臺。并根據(jù)碼垛站臺所碼的產(chǎn)品批號和類型給碼垛站臺輸送相應(yīng)的空棧板或未滿跺繼續(xù)補(bǔ)跺的未滿棧板。雙工位移載車能實(shí)現(xiàn)多碼垛站臺的貨物配送，并根據(jù)各個站臺的生產(chǎn)狀態(tài)來合理的分配作業(yè)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)高效與穩(wěn)定的生產(chǎn)。

1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1）控制器結(jié)構(gòu)

雙工位移載車系統(tǒng)采用西門子公司S7-1500系列PLC中的CPU 1511C-1PN作為控制器。此型號CPU集成了數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出，高速計(jì)數(shù)器和工業(yè)以太網(wǎng)接口。本系統(tǒng)根據(jù)需要擴(kuò)展了一個16點(diǎn)的輸入模塊（DI 16×24VDC BA-1）和一個Profibus-DP通訊模塊（CP 1542-5_1）來接入外圍傳感器和定位傳感器如圖1所示。

圖1　雙工位移載車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置

控制器作為系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)接收伙伴站通訊過來的各個站臺的生產(chǎn)狀態(tài)，并根據(jù)車體上的傳感器的狀態(tài)，來制定作業(yè)調(diào)度。確定好當(dāng)前調(diào)度后再控制雙工位移載車進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)。最后并把實(shí)際的貨物與貨物的背景信息上傳到伙伴站。實(shí)現(xiàn)物流與信息流同步傳輸。

2）認(rèn)址方式

本系統(tǒng)認(rèn)址方式為BPS條碼帶方式認(rèn)址，其定位傳感器與CPU之間以Profibus通訊協(xié)議通訊如圖2所示。傳統(tǒng)的認(rèn)址片認(rèn)址方式和編碼器認(rèn)址方式在設(shè)備使用較長時間后會出現(xiàn)編碼異常以及位置偏差，在接送貨物時會導(dǎo)致設(shè)備損壞，減少設(shè)備使用壽命。由于本系統(tǒng)作業(yè)對接工位較多，任務(wù)繁雜，為了提高定位精度保證設(shè)備與貨物的安全運(yùn)行，所以采用BPS條碼帶方式認(rèn)址，相對于傳統(tǒng)認(rèn)址片方式認(rèn)址，BPS條碼帶認(rèn)址定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，不會有誤信號產(chǎn)生。并且移載車在運(yùn)行時能實(shí)時位置監(jiān)控，方便對速度的控制以及作業(yè)的優(yōu)化安排，提高生產(chǎn)效率。另外，相對于傳統(tǒng)認(rèn)址方式，BPS條碼帶認(rèn)址安裝方便、沒有機(jī)械磨損和動力損耗，不會隨著設(shè)備的長時間應(yīng)用而降低精度。

圖2　雙工位移載車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括上位觸摸屏程序以及下位PLC程序兩部分。PLC程序都由TIA Portal V13開發(fā)。

為了降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化，本系統(tǒng)采用模塊化編程。主要方法是為了得到一系列以功能塊為單位的算法描述。以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其求解算法。即程序分為初始化模塊、I/O濾波模塊、通訊模塊、作業(yè)調(diào)度模塊、運(yùn)行模塊、作業(yè)過程模塊和故障處理模塊等。

1）優(yōu)化控制

雙工位移載車與傳統(tǒng)的單工位移載車相比，其核心在于雙工位移載車的工作方式比單工位移載車要多樣化。所以其控制策略要復(fù)雜于單工位移載車。傳統(tǒng)的單工位移載車工作時，只能把站臺上的貨取走運(yùn)送至指定工位，完成本次作業(yè)后才能再給這個站臺送空托盤，這種運(yùn)行模式不利于托盤輸送銜接，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)中由于取貨站臺和放貨站臺比較多對生產(chǎn)效率的影響更為嚴(yán)重。另外，在自動化物流線上，對每臺設(shè)備的運(yùn)行要求很高，單工位車由于只有一個輸送機(jī)，當(dāng)移載車故障時，需要及時維修，如果維修不及時會導(dǎo)致車間全線停產(chǎn)，從而給生產(chǎn)帶來不良影響。

本系統(tǒng)中采用的雙工位移載車，適合多站臺復(fù)雜的邏輯控制。當(dāng)兩個工位都能正常工作時，其中一個工位具有存儲功能，即當(dāng)其中某個站臺有取貨請求或預(yù)備取貨請求時，可以先判斷此站臺貨物取走后需要空托盤還是未滿垛托盤。而后雙工位移載車可以提前工作，存儲相應(yīng)的托盤后再去接此站臺的貨物。接到下線站臺的貨物后，車挪動一個工位，即可將預(yù)存儲的托盤送到當(dāng)前工位進(jìn)行作業(yè)。這樣能縮短更換托盤時的銜接時間、碼垛機(jī)等待時間，極大的提高了運(yùn)輸效率。另外，當(dāng)碼垛工位將下一垛需要未滿垛信息傳給移載車而碼垛工位當(dāng)前正在工作時，移載車可預(yù)先到出入庫棧臺，將從庫里調(diào)出來的未滿垛貨物提前放置在緩存道上，并將其貨物信息即時傳給PLC進(jìn)行存儲。本系統(tǒng)中如果雙工位移載車其中一個工位故障，而現(xiàn)場條件不能及時維修時，為了穩(wěn)定生產(chǎn)，單個工位也能繼續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)兩個工位互相冗余的功能。

2）作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度主要由取貨條件和放貨條件兩部分組成，逐個分析各個站臺的取貨條件，并根據(jù)取貨請求時間考慮的優(yōu)先級來調(diào)度移載車取貨的優(yōu)先順序。其具體流程如圖3所示。

圖3　雙工位移載車取貨作業(yè)流程

雙工位移載車其中一個工位取完貨后，根據(jù)所取貨物的類型查看相應(yīng)能放貨的站臺是否允許放貨，如有多個站臺允許放貨便依據(jù)時間規(guī)則進(jìn)行排序，優(yōu)先給等待時間最長的站臺送貨。其具體流程如圖4所示。

圖4　雙工位移載車存貨作業(yè)流程

1.4觸摸屏程序設(shè)計(jì)

為了便于操作人員對雙工位移載車維護(hù)時的操作，本系統(tǒng)在上位機(jī)觸摸屏上開發(fā)了專業(yè)的人性化操作界面，能都實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，提高人身安全，此界面實(shí)時顯示了移載車的運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)類型、移載車當(dāng)前所處的位置、傳感器狀態(tài)等信息如圖5所示。

圖5　雙工位移載車監(jiān)控界面

由于雙工位移載車所工作的站臺較多，任務(wù)復(fù)雜，為了讓操作人員直觀的了解雙工位移載車接送貨物的分配狀態(tài)，本系統(tǒng)在觸摸屏上能夠顯示站臺的貨物分配狀態(tài)，如圖6所示，此界面顯示了各個站臺貨物的去向、批號、下線類型和上線類型以及取貨請求和放貨允許等信息。方便貨物信息追溯。

圖6　貨物分配信息界面

2　結(jié)束語

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢，通過長期的運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)備的控制優(yōu)化合理、穩(wěn)定可靠，也證明了雙工位移載車的優(yōu)化控制在實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。綜上所述，該控制系統(tǒng)充分結(jié)合了企業(yè)目前的發(fā)展現(xiàn)狀和生產(chǎn)控制要求，大大提高了生產(chǎn)線的自動化程度和物流配送效率，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，極大地提升了企業(yè)在行業(yè)內(nèi)的競爭力，同時促進(jìn)了國內(nèi)自動化物流生產(chǎn)線的發(fā)展。

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Optimal control and application of double station automatic vehicle in the automatic production line

YANG Peng, LIU Ying, SUN Yi, WANG Ling-yao, PENG Zhi-yong

TP273

A

1009-0134(2016)07-0046-03

2016-05-02

楊鵬（1982 -），男，河北石家莊人，本科，研究方向?yàn)槲锪骷伞?/p>