AGVS在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用

文/ 李建旭

北方工業(yè)大學(xué)

一、引言

1. AGVS概述

自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）作為物料搬運(yùn)輸送的主要設(shè)備，是一種將環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策和運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)融于一體的綜合控制系統(tǒng)，是整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化和物流自動(dòng)化的最重要組成部分之一。實(shí)現(xiàn)的主要功能是在計(jì)算機(jī)、傳感器和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的控制下，經(jīng)電磁、激光等導(dǎo)向裝置引導(dǎo)并沿程序設(shè)定路徑運(yùn)行，能夠自主導(dǎo)航，自動(dòng)路徑規(guī)劃和完成作業(yè)任務(wù)的無(wú)人駕駛自動(dòng)車，它通過電池驅(qū)動(dòng)，并且可以根據(jù)實(shí)際需要配備不同的舉升機(jī)構(gòu)或移載機(jī)構(gòu)，以完成相應(yīng)的移交載荷的操作任務(wù)，具有自動(dòng)化程度高，調(diào)度管理簡(jiǎn)單便捷，性能安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，本質(zhì)上它為現(xiàn)代制造業(yè)物流提供了一種高度柔性化和自動(dòng)化的運(yùn)輸方式，并被廣泛應(yīng)用于煙草、醫(yī)藥和港口等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

2. AGV系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，AGV系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)兩部分組成。

圖1 AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地面控制部分主要由物流系統(tǒng)管理機(jī)、AGV系統(tǒng)管理監(jiān)控主機(jī)組成，其中AGV管理和監(jiān)控計(jì)算機(jī)是AGV系統(tǒng)運(yùn)行的核心，主要功能有：執(zhí)行任務(wù)命令；為不同的運(yùn)輸任務(wù)分配最優(yōu)的AGV小車；為每個(gè)運(yùn)輸任務(wù)安排運(yùn)輸路線；控制AGV系統(tǒng)中的多臺(tái)AGV小車的交通；處理現(xiàn)場(chǎng)的一些輸入、輸出信號(hào)。

車載控制系統(tǒng)主要包括主控制系統(tǒng)、激光導(dǎo)引定位系統(tǒng)、后叉移載控制系統(tǒng)、自動(dòng)充電系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)等組成,負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)控制系統(tǒng)的指令做出響應(yīng)，控制車體的定位、行駛、貨物裝卸和故障診斷等操作，由以下系統(tǒng)組成。

二、 醫(yī)藥行業(yè)的AGVS具體實(shí)現(xiàn)

AGV是一種主要用于貨物搬運(yùn)的機(jī)器人，具有靈活高效的特點(diǎn)。在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，AGV能夠減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮減人員配備，大大改善工作條件和環(huán)境，并且不受場(chǎng)地、道路和空間的限制等優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)出自動(dòng)性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無(wú)人化生產(chǎn)。

在醫(yī)藥行業(yè)，物料搬運(yùn)是一項(xiàng)比較日常的工作，可以發(fā)生在制藥車間、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)、醫(yī)藥運(yùn)輸環(huán)節(jié)甚至是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。利用AGV機(jī)器人可以將物料高效、精準(zhǔn)地完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的搬運(yùn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、柔性化、信息化、縮短物流時(shí)間、降低成本等。

在制藥車間，由于藥品屬于特殊商品，各個(gè)環(huán)節(jié)包括無(wú)菌、潔凈度、人員、設(shè)備等方面都需要進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，因此車間級(jí)的生產(chǎn)過程很難進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)度和安排。而專門的AGV機(jī)器人可以滿足醫(yī)藥行業(yè)對(duì)特定生產(chǎn)環(huán)境的特殊要求，保證其在車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物、疫苗、診斷設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等安全可靠的運(yùn)輸，減少運(yùn)輸過程中受微粒和微生物帶來(lái)的影響，大大消除污染的風(fēng)險(xiǎn)。

在藥品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)，藥品倉(cāng)庫(kù)需滿足GMP等認(rèn)證要求，因此醫(yī)藥行業(yè)倉(cāng)庫(kù)對(duì)于藥品的存儲(chǔ)要求非常高，而滿足條件的機(jī)器人可以分擔(dān)這方面的工作。

在醫(yī)藥運(yùn)輸環(huán)節(jié)，隨著制藥行業(yè)GMP要求越趨嚴(yán)格，無(wú)菌制劑的生產(chǎn)將從硬件和生產(chǎn)過程控制上升級(jí)，因此也面臨廠房及生產(chǎn)設(shè)備重新進(jìn)行技術(shù)改造的需求。在此過程中，AGV可以大量應(yīng)用于成品、半成品輸送，在完全自動(dòng)無(wú)菌工藝系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工搬運(yùn)托盤作業(yè)，可大大提高生產(chǎn)運(yùn)輸效率，減少人工投入。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題和軟件系統(tǒng)界面的創(chuàng)新

1.充電模式優(yōu)化

（1）硬件選擇

硬件選用鋰電池，主要是鋰電池以下優(yōu)點(diǎn)：

①靈活性

在體積和重量上，鋰電池比一般動(dòng)力電池都要小和輕，作為搬運(yùn)工具，鋰電池的清小能夠減少它的負(fù)擔(dān)和更加的靈活。

②免維護(hù)

鋰電池具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只須定期檢查保養(yǎng)即可，減少了人工成本的投入，提高了自動(dòng)化程度。

③可靠性

鋰電池通過CAN總線與AGV車載控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并且可以詳細(xì)的讀取鋰電池各個(gè)參數(shù)，以獲取鋰電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)電量消耗到設(shè)定值后，配合車載控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV的自動(dòng)充電控制，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。

（2）軟件設(shè)計(jì)

在一般情況下，AGV小車的容量在低于一定的值才去充電站充電，但是在一段時(shí)間內(nèi)AGV需要頻繁運(yùn)行，所以擬設(shè)定兩個(gè)充電檔值，當(dāng)小車處于空閑狀態(tài)時(shí)，雖然AGV小車電池容量沒有達(dá)到必須充電的檔值，AGV管理系統(tǒng)也可以調(diào)度AGV小車進(jìn)行充電，當(dāng)充電完畢或有任務(wù)時(shí)小車就可以投入運(yùn)行，在最大程度上提高運(yùn)輸效率。AGV充電完全由AGV管理監(jiān)控主機(jī)和地面智能充電站監(jiān)控。

BMS（電池管理系統(tǒng)）與AGV控制系統(tǒng)的信息交互流程：

圖2 BMS與AGV控制系統(tǒng)信息交互流程圖

2.人車混行交通管理

基于醫(yī)藥工廠的實(shí)際情況看，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人化，因此不可避免的會(huì)出現(xiàn)人車混行的現(xiàn)象。人車混行不僅對(duì)于AGV的運(yùn)行效率造成影響，而且對(duì)于安全也提出了很大的挑戰(zhàn)，因此建立一套合理的交通管理規(guī)則至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)大部分使用AGV的藥業(yè)公司工廠通過增加紅綠燈等外接設(shè)備，并制定一定的規(guī)則，來(lái)解決人車混行帶來(lái)的問題。下面以某藥業(yè)公司工廠的實(shí)際交通管理應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

圖3為某藥業(yè)公司工廠的布局簡(jiǎn)圖，AGV主要是從圖中的Packing Line區(qū)域搬運(yùn)物料至Packing station區(qū)域，中間涉及到工廠工人與AGV交叉混行的路線，因此在1#、2#、3#、4#設(shè)計(jì)4條人行橫道，以此減小交叉運(yùn)行帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)、并且提高AGV的運(yùn)行效率。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布局圖

（1）為提高AGV運(yùn)行效率及流暢性，總體按照人避讓車的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)人行橫道的長(zhǎng)度是4米，人正常行走速度在4～5km/h，因此通過人行橫道的時(shí)間在2.88s～3.6s，從安全及保證AGV運(yùn)行效率的角度考慮，當(dāng)AGV出現(xiàn)在距離人行橫道小于3.6秒時(shí)，信號(hào)燈顯示紅燈，工作人員禁止行走人行橫道，當(dāng)AGV出現(xiàn)在距離人行橫道大于3.6秒時(shí)，信號(hào)燈變?yōu)榫G燈，工作人員可以通過人行橫道。

（2）現(xiàn)場(chǎng)使用情況

當(dāng)距離人行橫道較遠(yuǎn)時(shí)，通過吸頂式燈，在人行橫道地面上顯示“Go通行”，如圖4所示 ；人員可以正常通過，當(dāng)AGV距離人行橫道較近時(shí)，通過吸頂式燈，在人行橫道地面上顯示“Stop 禁止通行”，如圖5所示。

圖4 AGV距離人行橫道較遠(yuǎn)時(shí)

圖5 AGV距離人行橫道較近時(shí)

3.自動(dòng)門的設(shè)計(jì)

考慮到醫(yī)藥行業(yè)的區(qū)域恒溫恒濕的要求，一般都設(shè)計(jì)自動(dòng)門。當(dāng)AGV小車到達(dá)門口時(shí)，會(huì)通過MOXA向自動(dòng)門發(fā)出開門申請(qǐng)信號(hào)，此時(shí)自動(dòng)門上升，待自動(dòng)門上升到達(dá)上到位時(shí)，給AGV小車通過信號(hào)，AGV小車通過自動(dòng)門，待AGV小車完全通過自動(dòng)門后，自動(dòng)門下降。自動(dòng)門的設(shè)計(jì)充分滿足了恒溫恒濕的要求。

4.操作終端的設(shè)計(jì)

AGV在醫(yī)藥工廠的應(yīng)用，由于涉及到現(xiàn)場(chǎng)空間及生產(chǎn)流程的限制，不能實(shí)現(xiàn)所有的工作流程自動(dòng)化，因此在一些工作環(huán)節(jié)涉及到人機(jī)交互，因此針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)情況，加入了研華的工業(yè)級(jí)操作終端，此操作終端通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配備10個(gè)操作終端分配給原材料區(qū)、包裝區(qū)和成品區(qū)進(jìn)行使用。通過操作終端一方面可以實(shí)時(shí)獲取AGV系統(tǒng)的運(yùn)行情況，另一方面現(xiàn)場(chǎng)的需求可以通過操作終端傳達(dá)給AGV系統(tǒng)。

接下來(lái)對(duì)操作終端的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹：

（1）成品區(qū)界面

貨位顏色如圖6所示。AGV系統(tǒng)在某貨位卸貨完成后，該貨位將變?yōu)榧t色（凍結(jié)貨位除外），且AGV系統(tǒng)不會(huì)向該貨位繼續(xù)卸貨（同產(chǎn)線的多條任務(wù)卸貨方式為：從左到右。從上到下）。AGV系統(tǒng)將該列全部卸貨完成后，該貨位顏色為紅色。點(diǎn)擊文本“未綁定”（如果某列綁定產(chǎn)線后，會(huì)文本“未綁定”會(huì)變?yōu)樗壎óa(chǎn)線號(hào)，如：Line1，Line2...）后，會(huì)有彈窗確認(rèn)該列已經(jīng)空。確認(rèn)后，該列所有貨位（凍結(jié)貨位除外）變?yōu)榫G色，AGV將繼續(xù)向該列依次卸貨；

圖6 成品區(qū)界面

（2）原材料區(qū)界面

操作方式與成品區(qū)域一樣,具體見圖7。非JIT區(qū)域，員工按照包裝線要料明細(xì)所指定位置放料，放料完成后，點(diǎn)擊相應(yīng)貨位即可觸發(fā)該任務(wù)，任務(wù)觸發(fā)方式為：相同貨位多條任務(wù)，AGV系統(tǒng)按照任務(wù)創(chuàng)建時(shí)間依次執(zhí)行。

圖7 原材料區(qū)界面

（3）包裝線界面

系統(tǒng)會(huì)根據(jù)配置文件所確定該P(yáng)DA所屬產(chǎn)線，生產(chǎn)產(chǎn)品清單（見圖8）也是該產(chǎn)線所成產(chǎn)產(chǎn)品名稱。下方5個(gè)按鈕，其中“外紙箱”、“說明書”、“小紙盒”、“防揭換封口簽”為要料按鈕，點(diǎn)擊后系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)線，當(dāng)前產(chǎn)線所生產(chǎn)產(chǎn)品種類相應(yīng)的任務(wù)?！俺善啡霂?kù)”為5線臨時(shí)入成品庫(kù)貨位；點(diǎn)擊后，即可生成任務(wù)。

圖8 包裝線界面

5.安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的安全等級(jí)，該AGV安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照CE的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在元器件的使用中加入了安全PLC，其接收信息并進(jìn)行邏輯控制，作用于車體的安全開關(guān)，最大限度保證AGV運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

（1）安全控制器的設(shè)計(jì)

安全PLC的設(shè)備器件如圖9所示，安全設(shè)備部件主要包括CPU、GCAN、XTIO、MOC、安全編碼器、安全激光傳感器、急停按鈕、接觸器和貨叉尖觸須急停開關(guān)等。

圖9 SICK安全控制器件

對(duì)于整個(gè)安全控制系統(tǒng)的調(diào)試，可以采用SICK的專用軟件進(jìn)行編輯調(diào)試。如圖10所示是安全控制器的控制流程，通過安全驅(qū)動(dòng)編碼器獲得舵輪的速度，通過CAN通訊模塊從車載控制器獲得轉(zhuǎn)向的角度信息，通過速度和角度信息，激光安全傳感器進(jìn)行區(qū)域切換，結(jié)合激光安全傳感器在當(dāng)前區(qū)域是否有障礙物進(jìn)入停止區(qū)、AGV手自動(dòng)操作模式和AGV當(dāng)前的舵輪速度，確定激光安全傳感器是否有急停報(bào)警。當(dāng)復(fù)位按鈕、急停按鈕、激光安全傳感器和貨叉急停開關(guān)都處于正常狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力回路接觸器閉合，急停繼電器斷電，AGV處于正常供電狀態(tài)，反之動(dòng)力回路接觸器斷開，急停繼電器上電，AGV處于正常斷電狀態(tài)。

圖10 安全控制系統(tǒng)的控制流程圖

（2）激光安全傳感器的使用

從安全的角度出發(fā)，此AGV在車體右上角和左下角分別安裝S300傳感器，安裝方式為倒置斜裝，可以實(shí)現(xiàn)車體周圍360度覆蓋，調(diào)試安全激光傳感器就是對(duì)傳感器的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)I/O口進(jìn)行配置使用，以此達(dá)到在不同情境下，通過安全PLC發(fā)送指令控制S300傳感器進(jìn)行區(qū)域的切換。

①如圖11所示，S300傳感器最多支持5個(gè)I/O口進(jìn)行分配，具體為3個(gè)輸出口、2個(gè)輸入口，輸出部分主要包括S300表面污染警告、S300表面污染錯(cuò)誤、復(fù)位需求、危險(xiǎn)區(qū)域警告、區(qū)域1警告和區(qū)域2警告，輸入主要包括外部設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)區(qū)域和S300自復(fù)位功能。

圖11 安全傳感器S300的I/O口配置圖

②對(duì)預(yù)警區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，其中灰色區(qū)域?yàn)轭A(yù)警區(qū)，障礙物進(jìn)入此范圍AGV開始進(jìn)行減速，紅色區(qū)域?yàn)榫鎱^(qū)，障礙物進(jìn)入此區(qū)域，AGV開始進(jìn)行緊急停車。因此對(duì)此區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證AGV能夠及時(shí)停車，同時(shí)AGV的預(yù)警區(qū)和警告區(qū)又不能過大，避免無(wú)謂的停車，造成AGV的效率降低。

因此，以AGV在直行高速運(yùn)行時(shí)的場(chǎng)景為例，需要結(jié)合兩種情況進(jìn)行討論：

AGV前方有固定障礙物，該障礙物逐步進(jìn)入減速區(qū)、停止區(qū)

AGV正常運(yùn)行，前方突然進(jìn)入障礙物

測(cè)試AGV在直行高速運(yùn)行情景下，制動(dòng)距離為L(zhǎng)_1，則警告區(qū)從傳感器位置開始，正前方距離L_警告區(qū)>L_1，同時(shí)假設(shè)AGV高速運(yùn)行情景下的速度為v_h，在進(jìn)入警告區(qū)時(shí)，希望AGV的速度達(dá)到v_2，AGV在預(yù)警區(qū)的減速度為a_2，且AGV的減速度恒定，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可以得出從速度v_h降到v_2，經(jīng)過的位移為：

因此警告區(qū)外沿至停止區(qū)的外沿距離L_預(yù)警區(qū)≥L_2,因此在進(jìn)行區(qū)域范圍設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足以下條件：

根據(jù)上面的分析，并結(jié)合AGV的使用場(chǎng)景對(duì)S300傳感器進(jìn)行掃描區(qū)域的劃分和分配，如圖12所示。

圖12 安全傳感器S300的區(qū)域設(shè)計(jì)圖

四、總結(jié)

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作情況，對(duì)充電系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，既保證了充電的及時(shí)性，又有效地利用了車輛空閑的時(shí)間，提高了系統(tǒng)工作效率；采用紅綠燈交通管理系統(tǒng)，既避免了人車混行帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，又保證了AGV的正常運(yùn)行；自動(dòng)門的設(shè)計(jì)，很好的保證了現(xiàn)場(chǎng)部分區(qū)域恒溫恒濕的需求；操作終端的加入能夠更加便利的獲取AGV系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且方便呼叫AGV執(zhí)行任務(wù)；安全系統(tǒng)采用CE的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加入了安全PLC，控制車體的安全開關(guān)和安全傳感器等，在對(duì)安全PLC進(jìn)行邏輯控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)S300安全掃描區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，使AGV在任意位置實(shí)現(xiàn)360度安全防護(hù)，在保證安全的同時(shí)又加入盡可能的保證運(yùn)行效率。醫(yī)藥行業(yè)AGV項(xiàng)目通過對(duì)AGVS的研究和技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一套符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的AGV系統(tǒng)，既滿足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，又提高了系統(tǒng)的工作效率。