基于路徑規(guī)劃的糧食物流輸送控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，東莞 523083）

0 引言

現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)化企業(yè)在轉(zhuǎn)型的過程中，為了適應(yīng)當(dāng)前消費(fèi)者對(duì)糧食產(chǎn)品安全，快速等需求，提出打通“從田到桌”的戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)為響應(yīng)國家“鼓勵(lì)社會(huì)資本投資建倉”的號(hào)召，紛紛在糧食產(chǎn)地投資建造自動(dòng)化倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)，為糧食就地進(jìn)行深加工提供了硬件基礎(chǔ)[1,2]。而新型自動(dòng)化物流輸送系統(tǒng)是自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)[3,4]，它影響著農(nóng)業(yè)物流作用效益及物流成本[5,6]。在行業(yè)中，物流輸送包括水平輸送和垂直輸送部分，筆者在參與某食品企業(yè)智能倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)目前多數(shù)食品企業(yè)在輸送中采用的是貨梯或者人工搬運(yùn)的輸送方式。貨梯輸送存在操作效率低下，人工參與度高。而人工搬運(yùn)勞動(dòng)成本高，且效率極其低下，且搬運(yùn)過程中路徑隨機(jī)，沒有優(yōu)化，與當(dāng)代農(nóng)業(yè)物流快速反映需求不相匹配，因此針對(duì)存在的問題，設(shè)計(jì)了智能倉儲(chǔ)物流輸送控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的智能物流輸送控制系統(tǒng)包括水平輸送設(shè)備、垂直提升設(shè)備，物流運(yùn)送車，控制器組成。工作過程為：控制器模塊接收到任務(wù)后，根據(jù)路徑優(yōu)化算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，物流小車按照規(guī)劃的最優(yōu)路徑，將貨物送到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)水平輸送機(jī)，自動(dòng)輸送機(jī)將貨物輸送到自動(dòng)升降機(jī)的升降卸貨臺(tái)，完成上升或者下降作業(yè)，同時(shí)對(duì)應(yīng)層的物流小車將糧食輸送到指定地點(diǎn)，根據(jù)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本次課題設(shè)計(jì)的垂直往復(fù)升降機(jī)層數(shù)可選，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)。

設(shè)備主要參數(shù)為：

1）滾筒輸送機(jī)（三套）：

L×W×H=1200mm×1220mm×1680H

2）升降機(jī)：

L×W×H=1887mm×2480mm×13322mm

3）垂直輸送高度：9000mm

4）垂直輸送提升速度：10m/min

5）水平輸送速度：12m/min

6）控制器：西門子PLC1215C

7）HMI：proface（7寸）

8）變頻器：安川變頻器（配制動(dòng)電阻）。

本設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，包含觸摸屏，擴(kuò)展I/O模塊、傳感器、變頻器，電機(jī)等，如下圖1系統(tǒng)框圖所示[7]。PLC控制器通過網(wǎng)絡(luò)接口與HMI觸摸屏通信，通過繼電器輸出和擴(kuò)展I/O模塊控制繼電器、變頻器及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過數(shù)字量輸入模塊采集傳感器信號(hào)及其他數(shù)字量信號(hào)。

控制器獲取物流倉庫的實(shí)時(shí)信息，在觸摸屏中顯示。同時(shí)為了高效的完成貨物運(yùn)送到指定位置，控制器根據(jù)當(dāng)前各提升機(jī)的狀態(tài)與路線情況，按照時(shí)間最優(yōu)和路徑最短等指標(biāo)進(jìn)行路徑規(guī)劃，指定物流小車輸送貨物到最優(yōu)的提升機(jī)，完成輸送。在提升機(jī)工作時(shí)，有超高超重超速等各種報(bào)警措施保證貨物和設(shè)備安全。

2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制模塊

經(jīng)過分析，一組提升機(jī)工作站需要56點(diǎn)輸入，25點(diǎn)輸出，得出PLC的I/O點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分配情況，如果以兩組同時(shí)控制，其中輸入點(diǎn)共有112點(diǎn)，包括預(yù)留輸入點(diǎn)，輸出點(diǎn)共50點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際使用要求，確定選用西門子PLC1200序列[8～10]，擴(kuò)展模塊4組數(shù)字信號(hào)模塊SM1223，2組數(shù)字信號(hào)模塊SM1221，表1和表2列出部分輸出I/O輸出分配情況。圖2為主控制回路電氣原理局部圖。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 PLC的主要輸入分配

表2 PLC的主輸出分配

表2 （續(xù)）

圖2 主控制回路電氣原理局部圖

2.2 水平輸送模塊

水平輸送設(shè)備需要將移動(dòng)運(yùn)載車運(yùn)送過來的貨物，水平輸送到垂直升降機(jī)的轎廂內(nèi)，控制流程如圖3所示。

圖3 水平輸送控制流程圖

當(dāng)貨物由水平輸送機(jī)往轎廂內(nèi)輸送時(shí)，如突入檢測傳感器檢測到已到達(dá)，但轎廂在升降中或者還未到達(dá)指定位置，則容易發(fā)生故障，需要在程序中進(jìn)行聯(lián)鎖控制，當(dāng)突入檢測和轎廂已到達(dá)，即允許水平輸送機(jī)繼續(xù)輸送，否則報(bào)警且暫停，如圖4中1～4所示。當(dāng)轎廂內(nèi)到達(dá)檢測到貨物時(shí)，如果同時(shí)前端到達(dá)和突入檢測也檢測到貨物，此時(shí)不可進(jìn)入下一步的垂直提升流程，否則會(huì)損壞貨物，需要報(bào)警提示貨物有異常，如圖4水平輸送檢測示意圖。

圖4 水平輸送檢測示意圖

2.3 垂直提升模塊

垂直提升設(shè)備及控制裝置如圖5所示。提升機(jī)升降時(shí)通過位置計(jì)數(shù)定位板確定轎廂的位置，根據(jù)數(shù)值確定轎廂上升或下降，減速或加速。如轎廂1F到2F，則會(huì)經(jīng)歷低速，加速到高速，減速到低速的過程，如圖5中3→4→5→6→3的順序所示。下降時(shí)過程剛好相反，如圖5中3→5→4→7→3的順序。在運(yùn)送過程中，設(shè)計(jì)了防坍塌的模塊，原理如圖6所示。

圖5 升降機(jī)速度控制原理圖

圖6 防坍塌檢測原理圖

2.4 路徑規(guī)劃模塊

物流運(yùn)載車從倉庫入口將貨物輸送到轎廂處，放置在水平輸送機(jī)上，為了最大效率的利用轎廂，避免等待，擁堵等情況的發(fā)生，需要對(duì)物流小車的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

針對(duì)多物流小車路徑規(guī)劃，常用的指標(biāo)有：最短路徑，最小化等待時(shí)間，最小化隊(duì)列長度等方式[11]。由于本課題中涉及的倉庫規(guī)劃時(shí)，轎廂之間間距允許小車并行，因此不存在相向沖突，主要需要考慮的是以時(shí)間最優(yōu)為主原則，節(jié)點(diǎn)沖突和最短路徑為輔原則。本課題的指標(biāo)表示方法如下：

物流小車i（i≤N）號(hào)到目標(biāo)轎廂j（j≤M）的距離是Lij，速度為Vij，時(shí)間為：

等待時(shí)間為Rij（Rij∈R）。總的轎廂數(shù)為M，總物流小車數(shù)為N，終點(diǎn)集合為：

本課題通過算法規(guī)劃路線，使物流小車從終點(diǎn)集合中選出最優(yōu)終點(diǎn)，滿足指標(biāo)Z。

轎廂工作剩余時(shí)間集合為E：

這里，在精度允許的范圍內(nèi),物流小車等待時(shí)間與轎廂工作剩余時(shí)間相等，即：

下面僅就三臺(tái)物流車，九架提升機(jī)的情形，如圖7所示，論證路徑規(guī)劃中選擇的時(shí)間最優(yōu)的策略：

圖7 倉庫布局示意圖

1）對(duì)起始點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)，物流車速度，輸送機(jī)速度，集合Z，T，S，E，R等進(jìn)行初始化[12]；

2）實(shí)時(shí)刷新提升機(jī)站的工作狀態(tài)及剩余時(shí)間；

3）物流車在入口點(diǎn)裝滿貨物后，等待控制器發(fā)出指令；

4）控制器實(shí)時(shí)計(jì)算集合E的值。提升機(jī)工作站工作總時(shí)間包括水平輸送機(jī)將貨物輸送到提升機(jī)中，提升機(jī)從起始層到目標(biāo)層；

5）控制器根據(jù)集合Z的值和T（初始化時(shí)完成）的值計(jì)算集合Z；

6）根據(jù)Z的結(jié)果，確認(rèn)是否有沖突，如提升機(jī)是否故障，如果有兩個(gè)相同結(jié)果，啟動(dòng)第二層決策，路徑最短原則，給出最優(yōu)解，并鎖定該最優(yōu)解，避免后續(xù)規(guī)劃時(shí)重復(fù)選擇；

7）將最優(yōu)解發(fā)送給物流車，物流車朝目標(biāo)位置行進(jìn)；

8）返回流程2）。

2.5 軟件模塊

采用編程軟件西門子TIA V14 SP1[13]設(shè)計(jì)PLC程序，程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

按照模塊化的設(shè)計(jì)思路[14,15]，控制系統(tǒng)程序由主模塊Main（OB1），F(xiàn)B，F(xiàn)C和DB構(gòu)成。采用模塊化的思路可使后期設(shè)備維護(hù)方便與高效。

建立函數(shù)塊FC，命名為LifterSystem，若倉庫后期還新增提升點(diǎn)，只需將主程序多調(diào)用一次FC即可，如圖9所示為主程序中調(diào)用的提升機(jī)工作站工作系統(tǒng)函數(shù)；圖10為提升機(jī)工作站的狀態(tài)功能塊，實(shí)時(shí)采集提升機(jī)工作站的狀態(tài)。

圖9 主程序局部圖

圖10 提升機(jī)工作站狀態(tài)程序圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

通過試運(yùn)行，將單臺(tái)提升機(jī)工作站的測試結(jié)果和人工輸送的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 單臺(tái)工作站與人工輸送效率對(duì)比

由表3所示的結(jié)果可知，單臺(tái)提升機(jī)工作站的輸送效率為25托/時(shí)，較人工輸送效率提高了2倍。

將具有九臺(tái)提升機(jī)工作站，三臺(tái)物流車和路徑規(guī)劃的控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，與不進(jìn)行路徑規(guī)劃，隨機(jī)指定提升機(jī)站的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示。

表4 路徑規(guī)劃與隨機(jī)指定效率對(duì)比

由表4所示的結(jié)果可知，采用控制器進(jìn)行路徑規(guī)劃后，輸送效率約為隨機(jī)指定路徑的2倍。

將九臺(tái)提升機(jī)工作站同時(shí)啟動(dòng)，采用系統(tǒng)路徑自動(dòng)規(guī)劃，倉庫只需1人在入口處負(fù)責(zé)貨物確認(rèn)，1人對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，日?？晒?jié)省人力5人左右，高峰時(shí)期可節(jié)省人力8～9人，平均每臺(tái)工作站可節(jié)省1人，減少了企業(yè)的用人成本。

4 結(jié)語

1）傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)倉儲(chǔ)系統(tǒng)多以人工管理，人工運(yùn)輸?shù)哪Ｊ綖橹?，存在操作效率低，人工勞?dòng)強(qiáng)度大，安全隱患等問題，為解決這些問題，設(shè)計(jì)了智能往復(fù)式垂直輸送機(jī)控制系統(tǒng)。

2）該系統(tǒng)以西門子1200序列PLC為核心，以proface序列觸摸屏為人機(jī)交互串口，實(shí)現(xiàn)了糧食貨物輸送的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)測試，物流小車路徑規(guī)劃等多項(xiàng)功能。

3）該系統(tǒng)投入到某食品智能倉儲(chǔ)企業(yè)運(yùn)行，為其自動(dòng)化物流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過一個(gè)月的試運(yùn)行測試后，正式投入使用，其實(shí)現(xiàn)了物流的自動(dòng)輸送，單臺(tái)提升機(jī)工作站提升提升效率2倍以上，多臺(tái)提升機(jī)同時(shí)工作，采用路徑優(yōu)化算法輸送效率提高效率1倍左右。

4）經(jīng)過測試，日常運(yùn)轉(zhuǎn)可節(jié)省人力5人左右，高峰時(shí)期可節(jié)省8～9人，平均每臺(tái)工作站節(jié)省1人，較好的減輕了企業(yè)負(fù)擔(dān)。