基于試車線的AGV物流系統(tǒng)設(shè)計研究

張紅陽 劉吉華 龔軍振

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261000）

0 引言

AGV技術(shù)最先出現(xiàn)在美國，并得到廣泛應(yīng)用。AGV物流系統(tǒng)設(shè)計直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率及企業(yè)的智能化、自動化車間建設(shè)。1913年美國福特公司率先使用有軌AGV，開啟了AGV的應(yīng)用之路。1955年AGV系統(tǒng)在英國用于實際生產(chǎn)線，1969年瑞典首次在物流系統(tǒng)中采用了AGV。目前，國內(nèi)應(yīng)用的AGV物流系統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，建造成本較高，AGV物流系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 某制造廠試車線特點

我國企業(yè)國際化進程加快，對中重型發(fā)動機產(chǎn)品的產(chǎn)量要求越來越高，目前的試車生產(chǎn)節(jié)拍已遠不能滿足實際生產(chǎn)要求。發(fā)動機試車時間較多，每臺發(fā)動機都需要至少40 min，且其間需要記錄試車數(shù)據(jù)，每個座臺試車隨機性強，這就對試車期間的AGV物流系統(tǒng)提出更高的要求。如果沒有合理有效的AGV物流系統(tǒng)作為支撐，提升整個生產(chǎn)線的智能化、自動化水平，降低生產(chǎn)節(jié)拍，很難提高企業(yè)的試車效率，增強企業(yè)的國際競爭力。

某車間試車線規(guī)劃通道狹長，運輸較擁擠，此車間試車線的各項數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試車線各項數(shù)據(jù)

2 AGV物流系統(tǒng)設(shè)計

2.1 AGV運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計

本文對AGV物流系統(tǒng)的設(shè)計，采用中央任務(wù)管理和AGV運行管理分開計算，優(yōu)化其軟件系統(tǒng)，明確其任務(wù)，提高系統(tǒng)的運行效率。為實現(xiàn)AGV小車在試車線的全方位運行，采用AGV激光導航的運動控制系統(tǒng)。AGV物流系統(tǒng)由中央控制室監(jiān)控計算機、充電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、各型號設(shè)備PLC等組成。

2.2 AGV系統(tǒng)變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.2.1 與托盤運送線實際運載的網(wǎng)絡(luò)交換

有工件需要試車時，由任務(wù)管理器通過無線電發(fā)送信號給AGV小車，AGV接收信號與托盤線接送轉(zhuǎn)臺進行信號交換。AGV小車在托盤線運輸中的接貨過程如圖1所示。

托盤線輸送轉(zhuǎn)臺：

（1）地面有貨：轉(zhuǎn)臺為復(fù)位狀態(tài)并且轉(zhuǎn)臺上有發(fā)動機。（2）地面調(diào)準完成：轉(zhuǎn)臺有貨并且在接到AGV到位信號后轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)到或反轉(zhuǎn)到。（3）地面停止：轉(zhuǎn)臺出錯。

圖1 AGV小車在托盤線運輸中的接貨過程

AGV信號包括：

（1）AGV到位；（2）轉(zhuǎn)臺方向；（3）AGV開始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV結(jié)束。

在試車完成后，通過任務(wù)管理臺發(fā)布任務(wù)，AGV小車將試車的工件送入到托盤輸送線，在其交接時，托盤接收轉(zhuǎn)臺與AGV小車發(fā)生信號交互，在其信號交互過程中，具體的工作信息交互狀態(tài)如下：

托盤線輸送轉(zhuǎn)臺部分：

（1）地面就位：轉(zhuǎn)臺復(fù)位并且轉(zhuǎn)臺無貨。

（2）地面開始移栽：轉(zhuǎn)臺為復(fù)位狀態(tài)接到AGV到位轉(zhuǎn)臺滾道開始上貨。

（3）地面停止：轉(zhuǎn)臺出錯。

（4）地面結(jié)束：地面轉(zhuǎn)臺接到發(fā)動機。

AGV信號包括：

（1）AGV到位；（2）轉(zhuǎn)臺方向；（3）AGV停止；（4）AGV結(jié)束。

2.2.2 與臺架系統(tǒng)的實際運載的網(wǎng)絡(luò)交換

當臺架系統(tǒng)空機可以進行試車時，操作者按下指令按鈕，臺架系統(tǒng)通過Profibus-DP通信總線與AGV的任務(wù)管理機進行信息交換，把指令傳達給AGV小車，AGV小車按照指令將其輸送到此臺架系統(tǒng)。在完成試車后，操作者按下下貨控制按鈕，傳達給AGV小車指令，其指令為AGV小車接貨任務(wù)。AGV小車與臺架系統(tǒng)的運送貨過程如圖2所示。

臺架系統(tǒng)：

（1）臺架下線：臺架下貨滾道有貨、臺架下線指示亮。（2）地面調(diào)準完成：下貨滾道就位。（3）地面停止：地面出錯，按滅自動指示。

AGV信號包括：

（1）AGV到位；（2）臺架自動指示點亮；（3）AGV開始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV結(jié)束。

圖2 AGV小車與臺架系統(tǒng)的運送貨過程

2.3 AGV路徑設(shè)計及優(yōu)化

2.3.1 AGV運行路徑設(shè)計

根據(jù)試車線現(xiàn)狀，整條AGV小車運行線有72個節(jié)點和路段，其中66、67、69為裝配線的3個接口，62、63為路線中間AGV充電樁，28、24、26等空心方塊為移栽節(jié)點，也是試車座臺的位置點，33、36等有斜線連接點為側(cè)移路線，28、33、36、25為一個局部循環(huán)，AGV小車可在局部循環(huán)里自由運行及旋轉(zhuǎn)等。本設(shè)計系統(tǒng)中，所有AGV小車只能按照圖中標記點運行，如圖3所示。

圖3 AGV行走路徑

經(jīng)總裝裝配線完成各零部件的安裝后，柴油機在測試口等待試車，在試車之前系統(tǒng)對柴油機的信息進行掃描，包括編號、機型、訂貨單號等，將掃描后的信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將柴油機與試車臺架匹配，然后進入試車等待階段，試車臺架、預(yù)裝線、后整理線及返修線組成一個系統(tǒng)，通過CAN總線連接AGV運行系統(tǒng)。待試車臺架需要試車時，進入試車階段。試車完成后，AGV小車收到運輸指令，一般為合格下線或返修下線。

2.3.2 AGV運行路徑優(yōu)化

本試車線中兩節(jié)點之間的距離及初始發(fā)點距離為5 m，兩條車道上斜車道距離為m。試車柴油機上線口為O，試車合格的下線口為O1，試車不合格的下線口為O2，兩條平行車道分別為1號線路和2號線路，試車座臺表示i路線上t座臺任務(wù)指令。

（1）每條道路均為雙向單行道，允許AGV小車雙向行駛，但只能斜道變道。

（2）根據(jù)試車線實際情況，AGV小車速度為1 m/s；同一時間內(nèi)，每條道路最多允許一輛AGV小車，中央控制器只有在當前任務(wù)完成后才能給AGV小車發(fā)送下一任務(wù)。

（3）AGV小車自身長度和行車速度決定小車安全距離Ls；安全距離內(nèi)只允許有一輛AGV小車。

根據(jù)試車線規(guī)劃實際情況，試車線的生產(chǎn)特點是單工位單座臺試車、試車時間長、AGV小車運行距離遠、與裝配線接口唯一、與下線接口唯一。根據(jù)此試車線特點，利用兩種邏輯保證小車運行總距離最小化；當任務(wù)時間在一定時間限定內(nèi)時，采用最短路線搜索算法，以首個站點為搜索目的地，以距離優(yōu)先原則排序，優(yōu)先執(zhí)行最短路線，可以大大減少AGV小車空駛的時間；當任務(wù)時間超過一定時間限定時，拋棄距離優(yōu)先原則。這樣既可以保證系統(tǒng)運行的總距離最小，又能兼顧距離較遠的任務(wù)執(zhí)行，滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需求。其目標函數(shù)（各階段距離之和）如下：

當進行最短路徑求解時，初始狀態(tài)確定，那么整個過程的邏輯也就確定了。目標函數(shù)可表示如下：

根據(jù)以上算法，假設(shè)路線1上節(jié)點t1需要試車發(fā)出指令，即，中央管理系統(tǒng)對AGV物流系統(tǒng)發(fā)送指令，AGV物流系統(tǒng)對AGV小車進行搜索，并在節(jié)點t2處釋放出空AGV小車，通過AGV物流系統(tǒng)下達指令，經(jīng)系統(tǒng)分析AGV小車從t2節(jié)點到t1節(jié)點需要做出|t2-t1+1|次路徑選擇，才能找到最短路徑。目標函數(shù)表示如下：

每次路徑選擇都有兩種方案，假設(shè)第k次選擇路徑為：

依次遞推：

最終可以得出空AGV小車行程總距離的路徑?jīng)Q策，完成AGV小車將試車完的柴油機運輸?shù)胶细衿方涌诘淖疃搪窂接嬎恪?/p>

3 系統(tǒng)實施及效果分析

3.1 AGV物流系統(tǒng)工作流程效果確認

每臺AGV小車開啟后，首先對自身所有構(gòu)件子系統(tǒng)進行檢測，檢測合格后，向AGV物流系統(tǒng)發(fā)出請求，AGV物流系統(tǒng)根據(jù)當前的狀態(tài)判斷是否允許此臺小車加入，在操作者確認后，AGV小車加入當前系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)可以對此臺小車進行調(diào)度。

試車完成后，AGV控制系統(tǒng)對AGV小車發(fā)送運輸指令，如此時無空閑小車，系統(tǒng)指令進入等待狀態(tài)。如果試車為合格，AGV小車根據(jù)物流系統(tǒng)規(guī)劃的路線將柴油機運輸?shù)胶细裣戮€接口；如果試車不合格，試車座臺會向系統(tǒng)發(fā)送返修信號，AGV小車將柴油機運輸?shù)椒敌藿涌谶M行返修。如試車座臺有試車需求時，向中央控制系統(tǒng)發(fā)出需求信息，則中央控制系統(tǒng)下達指令，AGV小車將柴油機運輸?shù)皆囓囎_。

在整個系統(tǒng)運行過程中，AGV小車根據(jù)自身電量定期向系統(tǒng)發(fā)出充電申請，系統(tǒng)會不斷維護AGV小車發(fā)出的申請，當小車發(fā)出申請又處于空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)會通過維護的請求順序向AGV小車發(fā)出充電指令，當小車充電完成后，再恢復(fù)到指令的空閑狀態(tài)。

3.2 AGV物流系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

本次AGV物流系統(tǒng)設(shè)計研究將運輸調(diào)度方式由全列式轉(zhuǎn)化為最短路徑算法，大大降低了系統(tǒng)的運算工作量，提高了對AGV小車的調(diào)度準確性，減少了AGV小車的碰撞次數(shù)及人工的現(xiàn)場操作頻次，從而降低了操作者的勞動強度；本系統(tǒng)設(shè)計研究將試車線的產(chǎn)量由720臺/天提升到800臺/天，大大提升了試車線生產(chǎn)效率。在整個AGV物流系統(tǒng)運行過程中，通過軟件可實時對PLC狀態(tài)進行監(jiān)控。在運行過程中，發(fā)現(xiàn)信號異常時，可隨時對整個系統(tǒng)查檢。

4 結(jié)語

本文根據(jù)試車線特點，設(shè)計與研究了AGV物流系統(tǒng)，滿足了試車線的生產(chǎn)實際需求，從而降低了生產(chǎn)成本。本文從AGV運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、變換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、運行路徑及優(yōu)化方面進行了詳細分析，通過系統(tǒng)實施效果分析，論證了該試車線AGV物流系統(tǒng)的可行性及必要性，提高了試車線的生產(chǎn)效率，增強了企業(yè)對試車線試車情況的管理，為其他試車線的AGV物流系統(tǒng)應(yīng)用提供了一定參考。