電能表自動化檢定系統(tǒng)上、下料單元任務(wù)分配策略研究

劉岑岑，蔡文嘉，庹 璟，夏 天

（國網(wǎng)湖北省電力公司計量中心，武漢 430080）

0 引言

電能表自動化檢定系統(tǒng)是一種新型的計量自動化檢測系統(tǒng)[1]，它能自動完成電能表的出庫、運輸、檢定、分揀、回庫等一系列任務(wù)，是自動化系統(tǒng)的“出入關(guān)口”，其運行速率直接關(guān)乎著系統(tǒng)的運行效率。

上下料單元主要承擔(dān)電能表由周轉(zhuǎn)箱[2]至計量托盤或計量托盤至周轉(zhuǎn)箱的雙向移載的任務(wù)。由于電能表從智能立庫輸送出時是盛裝于周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的，而電能表在自動化檢定系統(tǒng)內(nèi)部流轉(zhuǎn)運輸是借助計量托盤進(jìn)行的，故電能表在兩種運輸載體之間的移載必須借助機器人完成的，單個周轉(zhuǎn)箱最多可盛放15只電能表，而一個計量托盤可盛裝6只電能表。

1 上下料單元運行概況

上下料單元由上、下料機器人、上、下料線、周轉(zhuǎn)箱運輸線A/B、計量托盤運輸線和一系列監(jiān)控傳感器[3]組成，如圖1所示。其中，機器人夾爪[4]一次能抓取3只電能表或1個空周轉(zhuǎn)箱（后簡稱“空箱”），上料機器人操作半徑覆蓋上料位、放表位、疊垛位，而下料機器人操作半徑覆蓋下料位、取表位和拆垛位。

圖1 自動化檢定系統(tǒng)布局圖

電能表上料環(huán)節(jié)是機器人在上料位抓取電能表移載至放表位放置，簡稱“抓表上料”，如圖2所示。

電能表下料環(huán)節(jié)是機器人在取表位抓取電能表移載至下料位放置，簡稱“抓表下料”，如圖3所示。

圖2 上料環(huán)節(jié)流程圖

圖3 下料環(huán)節(jié)流程圖

上料位產(chǎn)生的空箱由機器人移載至疊垛位進(jìn)行緩存[5]，簡稱“空箱疊垛[6]”，反之，機器人拆垛過程稱為“空箱拆垛”。

按每個周轉(zhuǎn)箱盛放15只電能表，周轉(zhuǎn)箱運輸線A和B最大緩存空箱量均為6層7垛，合計84箱，其緩存量對應(yīng)系統(tǒng)電能表最大檢定表位數(shù)。機器人以15°角度差將周轉(zhuǎn)箱依次向上疊垛，每垛最多6層，當(dāng)疊滿6層后，周轉(zhuǎn)箱運輸線會自動向拆垛位方向移動，騰出下一個周轉(zhuǎn)箱疊垛位，當(dāng)拆垛位發(fā)出空箱申請時，周轉(zhuǎn)箱運輸線會自動將疊垛位的空箱運輸至拆垛位。

該單元各抓取位上分別安裝有監(jiān)視[7]用傳感器，傳感器輸出端連接PLC控制器以自動控制上料線、下料線、周轉(zhuǎn)箱運輸線和托盤運輸線的運行/停止?fàn)顟B(tài)。

2 上、下料單元問題分析

2.1 機器人閑置

電能表上下料單元上、下料機器人執(zhí)行策略是將全部上料或下料任務(wù)下發(fā)給同一個機器人，即上料機器人在完成15只電能表的抓表上料任務(wù)后，需要抓取上料位產(chǎn)生的空箱進(jìn)行空箱疊垛動作，以便下一箱電能表進(jìn)入上料位，此時下料位若沒有執(zhí)行下料任務(wù)，下料機器人將處于空閑狀態(tài)，任務(wù)分配[8]原則是機器人動作“各負(fù)其責(zé)，自給自足”，同樣，當(dāng)系統(tǒng)僅有下料任務(wù)時，下料機器人一直處于忙碌狀態(tài)，而上料機器人處于空閑狀態(tài)。

監(jiān)控一批次電能表自動化檢定任務(wù)來反映機器人任務(wù)分配策略[9]。以一個批次電能表數(shù)量為10000只的檢定任務(wù)為例進(jìn)行上下料速率統(tǒng)計，繪制了統(tǒng)計圖，如圖4所示，設(shè)X軸為完整檢定流程時間軸，X軸分度值為30s，Y軸對應(yīng)機器人單位時間內(nèi)抓表數(shù)量（單位：只），其中Y軸正方向?qū)?yīng)上料機器人抓表數(shù)量，Y軸負(fù)方向?qū)?yīng)下料機器人抓表數(shù)量。

圖4 上、下料機器人運動周期利用率

按照檢定流程的特點，將檢定流程分為T1、T2和T3階段。

T1階段為檢定流程初始階段，僅有上料機器人執(zhí)行上料任務(wù)；T2階段為上、下料同時發(fā)生階段，既有上料任務(wù)又有下料任務(wù)，批次數(shù)量越大，T2占整個時間軸比例越大；T3階段為檢定流程結(jié)束階段，僅有下料機器執(zhí)行下料任務(wù)。

T1階段上料機器人每30s上表量為4.82只，下料機器人移載量幾乎為零，處于空閑狀態(tài)；T2階段上料機器人和下料機器人運動速率幾乎相同；T3階段下料機器人每30s上表量為4.92只，上料機器人移載量為零，處于空閑狀態(tài)。

綜上，上、下料機器人在T1、T3階段均存在空閑時間段，機器人設(shè)備利用率[10]有提升空間，若能合理搭配上、下料機器人同一時刻工作任務(wù)，使其分工合作，協(xié)調(diào)配合，電能表上下料單元運行速率將可加快。

2.2 周轉(zhuǎn)箱反復(fù)拆垛、疊垛

周轉(zhuǎn)箱作為電能表出庫、回庫的盛裝載體，是銜接智能立庫與自動化檢定系統(tǒng)的運輸媒介，周轉(zhuǎn)箱在電能表移載完畢變成空箱后，將被再次利用到后續(xù)的電能表下料環(huán)節(jié)，盛裝檢定合格的電能表并運輸回庫，故系統(tǒng)設(shè)計周轉(zhuǎn)箱運輸線A、B的主要目的是實現(xiàn)空箱的合理緩存，確保周轉(zhuǎn)箱在自動化檢定系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)利用。

隨機選取5個不同批次的周轉(zhuǎn)箱的進(jìn)行跟蹤，統(tǒng)計周轉(zhuǎn)箱和電能表在系統(tǒng)內(nèi)流轉(zhuǎn)時間，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，對比發(fā)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱流轉(zhuǎn)時間遠(yuǎn)短于電能表的檢定耗時，即空箱在被機器人疊垛后，在約13.85min后再次被運輸?shù)讲鸲馕槐粰C器人拆垛，機器人短時間內(nèi)反復(fù)拆垛、疊垛不僅占用了機器人抓表時間，也降低了系統(tǒng)上、下料速率，說明周轉(zhuǎn)箱緩存空間過大，降低了自動化系統(tǒng)運行效率，制約了系統(tǒng)檢定能力。

表1 周轉(zhuǎn)箱流轉(zhuǎn)情況跟蹤

2.3 電能表上、下料單元任務(wù)剖析

考慮到機器人任務(wù)配合問題和承擔(dān)任務(wù)的獨立性，周轉(zhuǎn)箱的緩存方式、最大緩存容量設(shè)計需滿足系統(tǒng)快速上下料和空箱反復(fù)利用的要求，即：上料位要及時清空空箱以便下一箱表入位上料，而下料位要確保始終放置有空箱，下料速率不受空箱制約，使得電能表上、下料任務(wù)的有序推進(jìn)。

在現(xiàn)有系統(tǒng)硬件布局下，機器人執(zhí)行能力如圖5所示，抓表上料任務(wù)僅能由上料機器人完成，抓表下料任務(wù)僅能由下料機器人完成，而剩余的空箱疊垛和空箱拆垛任務(wù)可按任務(wù)均衡原則合理分配給不同機器人，盡量使得同一時間上、下料機器人任務(wù)不空閑。

圖5 機器人任務(wù)能力

策略設(shè)計將空箱疊垛任務(wù)分配給下料機器人，則T1階段上料機器人負(fù)責(zé)抓表上料的同時，下料機器人負(fù)責(zé)疊垛，如表2所示，上料機器人的動作路徑得以簡化，執(zhí)行對象僅為電能表，上料機器人抓表速率將提高；同理，將空箱拆垛任務(wù)分配給上料機器人，則T3階段下料機器人負(fù)責(zé)抓表下料的同時，上料機器人負(fù)責(zé)拆垛，下料機器人動作路徑得以簡化，執(zhí)行對象僅為電能表，下料機器人抓表速率將提高。

表2 任務(wù)分配策略

當(dāng)上、下料速率近似相等情況下，僅需少量空箱緩存即可調(diào)節(jié)T2階段上、下料環(huán)節(jié)空箱產(chǎn)生和使用需求，即設(shè)置單層周轉(zhuǎn)箱運輸線。通過安裝在單層周轉(zhuǎn)箱運輸線上的傳感器，自動控制運輸線的運輸，使得上料位產(chǎn)生的空箱能自動運輸?shù)较铝衔?，供給下料機器人使用。

3 策略優(yōu)化對比

策略設(shè)計需要實現(xiàn)各硬件聯(lián)動控制，設(shè)計如圖6所示，控制系統(tǒng)與PLC控制器聯(lián)動，上、下料機器人接收控制系統(tǒng)指令，PLC控制器信號輸入為上料位傳感器、下料位傳感器和周轉(zhuǎn)箱緩存監(jiān)視傳感器，PLC控制器信號輸出為控制周轉(zhuǎn)箱單層運輸線、周轉(zhuǎn)箱多層運輸線和托盤運輸線運行/停止。

圖6 系統(tǒng)控制

3.1 系統(tǒng)布局改進(jìn)

系統(tǒng)優(yōu)化布局圖如圖7所示，周轉(zhuǎn)箱單層運輸線設(shè)置8個單層緩存空箱位，即可緩存8個空箱，空箱由上料位產(chǎn)生后由上料位傳感器感應(yīng)，并控制向下料位方向緩

圖7 優(yōu)化后自動化檢定系統(tǒng)布局圖

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存一個箱位，以此類推，一旦周轉(zhuǎn)箱單層運輸線滿載，則可由周轉(zhuǎn)箱多層緩存線進(jìn)行空箱疊垛緩存，最多可緩存6層7垛空箱。

綜上，僅在周轉(zhuǎn)箱多層緩存線需要投入使用時，上下料機器人才需要執(zhí)行空箱疊垛和空箱拆垛動作。

3.2 優(yōu)化效果對比

按照電能表上、下料單元策略優(yōu)化設(shè)計，對10個新到貨批次的自動化檢定任務(wù)中電能表上、下單元機器人抓表數(shù)量進(jìn)行監(jiān)視，隨機選取了其中一個10000只電能表的批次繪制運行效果，如圖8所示，圖中保留了優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，清晰看出策略設(shè)計的優(yōu)勢，主要有以下三個方面：

1）單位時間內(nèi)上、下料機器人抓表量均大幅提高。優(yōu)化后，上料機器人每30s上表量為6.91只，較優(yōu)化前提高了43.26%；下料機器人每30s下表量為7.05只，較優(yōu)化前提高了43.30%，策略優(yōu)化效果明顯。

2）在T1，T3階段中，同一時刻上、下料機器人執(zhí)行任務(wù)得以均衡分配。T1階段，上料機器人負(fù)責(zé)抓表上料，下料機器人負(fù)責(zé)空箱疊垛，每30s疊垛量為4.88只；T3階段，下料機器人抓表下料，上料機器人空箱拆垛，每30s疊垛量為4.87只。

3）周轉(zhuǎn)箱運輸線優(yōu)化改進(jìn)為周轉(zhuǎn)箱單層緩存線后，T2階段，上、下料機器人抓取周轉(zhuǎn)箱的頻次大幅降低，尤其是上、下料速率近似相同時，上下料機器人可以省略抓箱疊垛、拆垛動作，系統(tǒng)效率較優(yōu)化前提高35.87%。

圖8 策略優(yōu)化效果對比

4 結(jié)束語

該優(yōu)化設(shè)計將系統(tǒng)中各自動化設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，簡化了機器人同一時刻任務(wù)對象，任務(wù)速率得以提升，加之空箱緩存策略的配合，大幅縮短任務(wù)執(zhí)行周期。該策略設(shè)計在湖北省電力公司計量中心單相二期自動化系統(tǒng)中得到驗證，系統(tǒng)年檢定效率提高25.01%，策略優(yōu)化效果明顯，具有推廣應(yīng)用價值。

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