基于無(wú)人天車技術(shù)的物流設(shè)備智能集群控制系統(tǒng)

張春杰

摘 要：通過(guò)充分解讀“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略部署，以推進(jìn)鋼鐵企業(yè)智能制造為目的，研發(fā)基于無(wú)人天車技術(shù)的物流設(shè)備智能集群控制系統(tǒng)，增強(qiáng)企業(yè)信息建設(shè)中物流設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的銜接，實(shí)現(xiàn)更積極的物流流轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)保證物料信息不落地，貫通整個(gè)生產(chǎn)物流流程。系統(tǒng)功能包括物流設(shè)備列表、障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)、天車障礙物避讓、過(guò)跨車與天車統(tǒng)一調(diào)度、步進(jìn)梁與天車協(xié)同配合、天車安全避讓機(jī)制、運(yùn)輸汽車管理。

關(guān)鍵詞：無(wú)人天車；智能集群；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：F713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0023-02

1 前言

隨著這“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的部署與推進(jìn)，智能、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同與控制技術(shù)和無(wú)人控制技術(shù)得到了空前發(fā)展。鋼鐵企業(yè)作為第二產(chǎn)業(yè)的排頭兵，肩負(fù)著建設(shè)智能化現(xiàn)代工廠的歷史使命。

國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)目前均已進(jìn)入自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)代，主要產(chǎn)線都有相應(yīng)的信息化管理和控制功能，但是在企業(yè)內(nèi)部的物流管理中還存在著不同程度的薄弱環(huán)節(jié)，特別是信息系統(tǒng)建設(shè)中物流設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的銜接，生產(chǎn)部分不能作為獨(dú)立信息節(jié)點(diǎn)納入到物流管理中，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全流程信息追溯。

冶金物流設(shè)備包括原料入庫(kù)天車、上線天車、原料過(guò)跨車、上線步進(jìn)梁、下線步進(jìn)梁、下線天車、中間庫(kù)過(guò)跨車、成品庫(kù)過(guò)跨車、出庫(kù)天車、運(yùn)輸汽車等設(shè)備。其中，上下線步進(jìn)梁作為生產(chǎn)和物流交互設(shè)備，具有雙重身份。現(xiàn)有物流管理對(duì)于這些設(shè)備屬于松散管理，沒(méi)有統(tǒng)一調(diào)度和控制，容易造成運(yùn)力浪費(fèi)，影響物流流轉(zhuǎn)效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)物流設(shè)備最優(yōu)行走路徑，設(shè)備集群控制，提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率。結(jié)合一級(jí)PLC系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息采集的優(yōu)勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化編程，將整個(gè)程序分為若干個(gè)功能塊。由主程序開(kāi)始依次調(diào)用，分為以太網(wǎng)通訊、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、出入庫(kù)汽車位置坐標(biāo)定點(diǎn)、步進(jìn)梁鞍座位置坐標(biāo)定點(diǎn)、過(guò)跨車位置坐標(biāo)定點(diǎn)、天車三維空間坐標(biāo)定點(diǎn)、庫(kù)區(qū)障礙物信息采集、設(shè)備動(dòng)作命令發(fā)布這一流程劃分程序模塊，程序流程圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)可以很好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的頻繁訪問(wèn)，大流量的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和及時(shí)的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含如下數(shù)據(jù)表：設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)表、出入庫(kù)汽車位置坐標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)表、步進(jìn)梁鞍座坐標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)表、過(guò)跨車位置坐標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)表、天車三維空間坐標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)表、庫(kù)區(qū)障礙物信息數(shù)據(jù)表、設(shè)備動(dòng)作命令發(fā)布數(shù)據(jù)表。

2.2 搭建物流設(shè)備列表

搭建物流設(shè)備列表，將設(shè)備納入到統(tǒng)一系統(tǒng)中。冶金物流設(shè)備包括入庫(kù)汽車、原料入庫(kù)天車、上線天車、原料過(guò)跨車、上線步進(jìn)梁、下線步進(jìn)梁、下線天車、中間庫(kù)過(guò)跨車、成品庫(kù)過(guò)跨車、出庫(kù)天車、出庫(kù)汽車等設(shè)備。這些設(shè)備分別分布在廠區(qū)的原料庫(kù)、軋后庫(kù)、成品庫(kù)，分別鏈接物流工藝的原料入庫(kù)、原料上線、成品下線、成品庫(kù)內(nèi)流轉(zhuǎn)、成品發(fā)貨等流程。

通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵性分析，得出運(yùn)輸汽車、步進(jìn)梁、過(guò)跨車、天車是物流關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)論，在系統(tǒng)中對(duì)這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和集群調(diào)度。

2.3 設(shè)立障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)

在庫(kù)房的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，包含了各種地面附著物、鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備的存在因其不可移動(dòng)，形成了物流設(shè)備工作空間內(nèi)的靜態(tài)障礙物。相對(duì)的，庫(kù)房?jī)?nèi)還有許多可移動(dòng)障礙物，比如運(yùn)輸汽車、可移動(dòng)的貨物等，由此形成物流設(shè)備工作空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)障礙物。這兩種障礙物在設(shè)備工作過(guò)程中，特別是天車工作的時(shí)候，對(duì)設(shè)備安全造成了極大的磕碰隱患，因此，系統(tǒng)在調(diào)度設(shè)備運(yùn)行時(shí)要合理避讓這些障礙物。

為了更加合理的避讓障礙物，需要對(duì)整個(gè)庫(kù)房?jī)?nèi)的障礙物做如下梳理：

建立以庫(kù)區(qū)西北角為原點(diǎn)、大車方向?yàn)閄軸、小車方向?yàn)閅軸的平面坐標(biāo)系。

查驗(yàn)各個(gè)靜態(tài)障礙物的位置、大小、高度信息等。將不規(guī)則的障礙物形狀簡(jiǎn)化成矩形形狀，矩形以地面為投影背景，形成四邊分別平行于坐標(biāo)系X軸和Y軸的矩形，矩形應(yīng)完整包含障礙物并留有一定的安全距離作為天車停止緩沖地帶。

建立系統(tǒng)內(nèi)步進(jìn)梁、過(guò)跨車、天車和車輛識(shí)別系統(tǒng)的通訊和資源共享機(jī)制，獲取各個(gè)動(dòng)態(tài)障礙物的可移動(dòng)范圍、大小、高度信息、最終停止位置等。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，將靜態(tài)障礙物的矩形化投影位置、大小、高度等信息固化到障礙物信息表中；將動(dòng)態(tài)障礙物的矩形化投影可移動(dòng)范圍、大小、高度信息、最終停止位置等關(guān)聯(lián)到障礙物信息表中。由此形成設(shè)備障礙物信息。

2.4 天車障礙物避讓

由分析得知，在設(shè)備運(yùn)行中存在障礙物避讓需求的設(shè)備只有天車，因此針對(duì)天車研發(fā)天車障礙物避讓功能。天車障礙物避讓是直接影響天車工作效率和工作安全的重要功能，障礙物避讓的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性、流暢性和安全性。投入避讓的系統(tǒng)在安全避讓障礙物的基礎(chǔ)上充分考量通過(guò)效率和運(yùn)行平穩(wěn)等因素，采用了以主從控制理念實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)矢量控制的控制方案。

將天車大車和小車運(yùn)行方向，分別命名為X和Y。無(wú)人天車行進(jìn)過(guò)程中，需要對(duì)X和Y方向上有無(wú)障礙物進(jìn)行多次判斷。若有n個(gè)障礙物，則對(duì)應(yīng)的X和Y值也有n次變化，并據(jù)此將一個(gè)工單分解成n+1個(gè)工單，每一個(gè)工單的行走路徑都是基于工單分解中X和Y值變化而規(guī)劃的，使每一個(gè)障礙物的物理坐標(biāo)成為一個(gè)天車行進(jìn)過(guò)程中的路徑拐點(diǎn)。

2.5 設(shè)備集群控制

設(shè)備集群控制是指有交互作業(yè)的物流設(shè)備在協(xié)同工作時(shí)由于工作空間重疊而引起的移動(dòng)沖突和工作交互。設(shè)備集群控制包括過(guò)跨車與天車統(tǒng)一調(diào)度、步進(jìn)梁與天車協(xié)同配合、天車間安全避讓機(jī)制、運(yùn)輸汽車管理。過(guò)跨車與天車統(tǒng)一調(diào)度能夠有效提升原料和成品在庫(kù)房?jī)?nèi)過(guò)跨調(diào)度的流暢性和安全性；步進(jìn)梁與天車協(xié)同配合直接影響生產(chǎn)線工作節(jié)奏和工作效率；天車間安全避讓機(jī)制是系統(tǒng)最重要的安全保障和效率提升途徑，系統(tǒng)在安全避讓其它天車的基礎(chǔ)上充分考量工作效率和運(yùn)行安全等因素，采用了以硬防撞為最終安全屏障，預(yù)防針和軟防撞為主要防撞手段的多級(jí)防撞控制方法；運(yùn)輸汽車管理不僅能夠提前調(diào)度運(yùn)輸車輛進(jìn)入等待位，還能貫通生產(chǎn)物流與廠際間物流，強(qiáng)化運(yùn)輸汽車調(diào)度能力，增強(qiáng)物流收發(fā)能力。

下面詳細(xì)說(shuō)明此控制功能：

2.5.1 過(guò)跨車與天車統(tǒng)一調(diào)度

將過(guò)跨車進(jìn)行PLC改造，增加過(guò)跨車定位傳感器，采集過(guò)跨車位置信息，建立過(guò)跨車與天車間數(shù)據(jù)通訊。因?yàn)檫^(guò)跨車使用頻率遠(yuǎn)低于天車使用頻率，因此在系統(tǒng)中設(shè)定過(guò)跨車優(yōu)先級(jí)低于天車，過(guò)跨車根據(jù)天車工單進(jìn)行工作。

2.5.2 步進(jìn)梁與天車協(xié)同配合

步進(jìn)梁作為生產(chǎn)線的延展，分為上線步進(jìn)梁和下線步進(jìn)梁，其作用主要是為產(chǎn)線提供原料和輸出產(chǎn)線成品。步進(jìn)梁具有雙重身份，首先是與生產(chǎn)線聯(lián)系極為緊密，步進(jìn)梁工作節(jié)奏直接影響生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏；其次步進(jìn)梁作為上線和下線設(shè)備，是物流流程的重要一環(huán)。為了合理分配步進(jìn)梁工作任務(wù)，系統(tǒng)將步進(jìn)梁與天車進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，天車為上線步進(jìn)梁提供上線原料信息，下線步進(jìn)梁為天車提供下線成品信息和位置信息，保證原料和成品信息不落地。步進(jìn)梁接收天車發(fā)送的鎖定和解鎖定命令，由此區(qū)分步進(jìn)梁雙重身份。

2.5.3 天車安全避讓機(jī)制

天車安全避讓機(jī)制主要分為三個(gè)層面，分別為設(shè)立硬防撞、設(shè)立軟防撞和設(shè)立預(yù)防撞。

首先，在無(wú)人天車大車梁兩側(cè)，安裝兩套模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器，共計(jì)4套防撞傳感器，以此保證正常運(yùn)行條件下，無(wú)人天車的運(yùn)行安全性。

其次，在無(wú)人天車控制程序內(nèi)添加相鄰天車距離判斷和通信判定，以期在觸發(fā)硬防撞之前，先期判斷出可能發(fā)生的碰撞，提前控制天車降速或停車，保證天車以更平緩的狀態(tài)剎車。

最后，預(yù)防撞的根本在于協(xié)調(diào)多部天車的協(xié)同工作，使多部天車同時(shí)工作中，不發(fā)生可能出現(xiàn)的防撞現(xiàn)象。

2.5.4 運(yùn)輸汽車管理

根據(jù)物流管理的實(shí)際需求，將進(jìn)出廠區(qū)的運(yùn)輸汽車納入到集群控制系統(tǒng)中，進(jìn)行詳細(xì)路由跟蹤，采集識(shí)別運(yùn)輸汽車信息，生成汽車跟蹤信息情報(bào)，建立汽車跟蹤匯總表。匯總表內(nèi)容包括：裝配單號(hào)、車牌號(hào)、車輛IC卡號(hào)、裝/卸卷停車位置、負(fù)載鋼卷數(shù)量、需裝卸鋼卷數(shù)量、入庫(kù)/出庫(kù)狀態(tài)、是否檢驗(yàn)等信息。其中裝配單號(hào)可以展開(kāi)瀏覽，涉及內(nèi)容包括鋼卷號(hào)、寬度、外徑、內(nèi)徑、重量、鋼種、厚度、產(chǎn)品質(zhì)量、裝卸卷順序等信息。汽車運(yùn)輸管理?yè)碛熊囕v預(yù)約功能，能夠優(yōu)化指定汽車停待位，顯著提高裝卸車效率，建立了生產(chǎn)物流與外界的溝通橋梁，貫通了生產(chǎn)物流全流程的最后一環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)人天車技術(shù)的物流設(shè)備智能集群控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)υO(shè)備間的防撞、沖突進(jìn)行系統(tǒng)化的管理與控制，更能夠合理協(xié)調(diào)調(diào)動(dòng)設(shè)備間的工作關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)更積極的物流流轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)保證物料信息不落地，貫通了整個(gè)生產(chǎn)物流流程。通過(guò)將冶金物流設(shè)備納入到統(tǒng)一系統(tǒng)中，提升物流設(shè)備與信息化系統(tǒng)的契合度，提升設(shè)備調(diào)度能力和整體物流作業(yè)率，有效減少人工用量，減少不必要設(shè)備運(yùn)行，保證物流流轉(zhuǎn)過(guò)程中信息跟蹤可持續(xù)，實(shí)際意義重大。