輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)①

王國富, 游有鵬, 張香港

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 南京 210016)

輸送線廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代物流與生產(chǎn)自動(dòng)化等場合. 目前, 國內(nèi)輸送線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā), 仍大量采用AutoCAD等平面裝配圖設(shè)計(jì)、現(xiàn)場編程調(diào)試的基本模式, 普遍存在以下幾個(gè)痛點(diǎn): (1)方案設(shè)計(jì)交流缺乏有效工具, 平面裝配圖不直觀且工作量大, 三維模型設(shè)計(jì)仿真周期長成本高; (2) PLC控制現(xiàn)場安裝與編程調(diào)試不便; (3)大規(guī)模輸送線的最優(yōu)路徑調(diào)度難度大、調(diào)試驗(yàn)證不便等.

仿真軟件是解決上述問題的有效途徑. 雖然國外的物流仿真軟件功能十分豐富, 仿真功能強(qiáng)大, 但是這些軟件往往價(jià)格較貴且更加注重各不同物流應(yīng)用的廣泛適應(yīng)性, 而沒有只面向輸送線系統(tǒng), 將布局設(shè)計(jì)、控制編程調(diào)試與仿真結(jié)合在一起的全流程仿真軟件. 國內(nèi)的物流設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與國外相比還是有較大的差距,只有一些專用設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng), 如浙江大學(xué)的張勇、范春陽等, 針對灌裝輸送線設(shè)計(jì)的專用系統(tǒng), 提出一套快速設(shè)計(jì)方案, 完成對灌裝輸送機(jī)的布局設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真與運(yùn)動(dòng)仿真功能, 提高灌裝輸送線的設(shè)計(jì)效率[1,2]; 南京航空航天大學(xué)的薛志強(qiáng)、劉楠等提出一種可配置輸送線系統(tǒng)并給出快速設(shè)計(jì)與監(jiān)控方案[3,4], 將輸送線設(shè)計(jì)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合在一起.

本文根據(jù)以上行業(yè)痛點(diǎn), 提出一套模塊化輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)解決方案. 針對痛點(diǎn)(1)采用基于Unity3D的模塊化輸送線設(shè)計(jì)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)快速溝通以及三維模型的可重用性; 針對痛點(diǎn)(2)采用基于模塊化分布式控制器架構(gòu)與軟PLC技術(shù)的輸送線仿真系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)PLC控制編程的仿真驗(yàn)證, 大大提高系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試效率; 針對痛點(diǎn)(3)采用基于遺傳算法的最優(yōu)路徑, 實(shí)現(xiàn)輸送線最優(yōu)路徑調(diào)度與快速仿真校驗(yàn).

1 設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了模塊化輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng), 主要由設(shè)計(jì)模塊、控制模塊、調(diào)度模塊與仿真模塊組成. 基于Winform與Unity3D研發(fā)輸送線系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊, 實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的模塊化與輸送線的設(shè)計(jì)方案的快速構(gòu)建, 有效解決痛點(diǎn)(1); 模塊化分布式控制器架構(gòu)及基于Winform與軟PLC技術(shù)的輸送線系統(tǒng)研發(fā)控制模塊, 可簡化安裝接線, 實(shí)現(xiàn)PLC離線編程與調(diào)試, 有效解決痛點(diǎn)(2);采用基于遺傳算法的輸送線調(diào)度模塊, 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輸送線系統(tǒng)輸送路徑實(shí)時(shí)優(yōu)化與調(diào)度, 有效解決痛點(diǎn)(3);基于Unity3D研發(fā)輸送線系統(tǒng)仿真模塊, 以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊、控制模塊與調(diào)度模塊的可行性與有效性.

圖1為輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的分層系統(tǒng)架構(gòu), 由系統(tǒng)設(shè)計(jì)管理層、仿真運(yùn)行層、專用工具層與虛擬映射資源層組成, 實(shí)現(xiàn)對上述4大模塊的層次化設(shè)計(jì)開發(fā), 以降低系統(tǒng)的耦合性、提高系統(tǒng)的魯棒性.

圖1 模塊化輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)分層系統(tǒng)架構(gòu)

2 設(shè)計(jì)模塊

建立模塊化輸送機(jī)及其電控裝備是模塊化輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ). 本文基于Unity3D的預(yù)制體特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)了三維模型的可重用性; 基于Unity3D的三維展示, 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的三維可視化與有效交流.

為實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)模塊化, 本文將輸送機(jī)屬性抽象為基本屬性、布局屬性、控制屬性與仿真屬性, 其中基本屬性是設(shè)備的基本描述屬性; 布局屬性主要提供該輸送機(jī)的幾何與位置屬性; 控制屬性是面向輸送機(jī)控制的傳感與驅(qū)動(dòng)屬性; 仿真屬性是面向輸送線仿真的運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)屬性. 模塊化輸送機(jī)屬性組成如圖2所示.

圖2 輸送機(jī)模塊化屬性組成

模塊化輸送機(jī)通常包括機(jī)械框架、滾筒與傳感器等, 基于Unity3D的部分常見的輸送機(jī)模型如表1所示.

表1 部分常見的輸送機(jī)模型

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊基于上述模塊化的輸送機(jī)模型,通過Winform開發(fā)相應(yīng)的人機(jī)交互, 設(shè)計(jì)人員可以快速拼裝構(gòu)建出客戶所需的輸送線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的三維模型.

3 控制模塊

輸送線結(jié)構(gòu)模型布局構(gòu)建完成后, 系統(tǒng)的控制采用模塊化分布式架構(gòu)并提供PLC編程與仿真調(diào)試等功能, 以解決PLC現(xiàn)場安裝調(diào)試?yán)щy的痛點(diǎn). 輸送線系統(tǒng)控制模塊基于軟PLC技術(shù)與虛擬控制器設(shè)計(jì)開發(fā), 由管理模塊、編輯模塊、編譯模塊與下載模塊組成.

配置模塊: 完成虛擬控制器輸入輸出接口與輸送機(jī)模型的傳感與控制信號的相應(yīng)配置.

編輯模塊: 為保證PLC程序的通用性, 系統(tǒng)提供了基于梯形圖的PLC程序編輯方法, 界面如圖3所示.

圖3 PLC梯形圖編輯器

編譯模塊: 將梯形圖通過AOV圖、邏輯二叉樹轉(zhuǎn)成語句表[5–7], 語句表常見的操作符如表2所示.

最好的檢驗(yàn)方法當(dāng)然是試射，但不可能把所有炮彈都拿出去射了，所以存在一個(gè)抽樣檢查的問題．類似的問題很多，例如，工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品在上市之前一般也需要技術(shù)部門做合格鑒定，工商部門也會對市場上的商品做合格檢查，但由于這些產(chǎn)品都有包裝，一旦打開，這些產(chǎn)品就不能再賣了，所以不可能將所有產(chǎn)品都拆開檢查．即使是不需要損壞產(chǎn)品包裝，也可能由于數(shù)量的龐大，很難對每件產(chǎn)品都做檢驗(yàn)，只能抽取部分產(chǎn)品做鑒定．在此基礎(chǔ)上引入簡單隨機(jī)抽樣的概念．

表2 語句表常見的操作符

下載模塊: 將編譯完成的PLC程序下載到對應(yīng)的虛擬控制器.

4 調(diào)度模塊

對于規(guī)模較大的輸送線系統(tǒng), 物料輸送路徑的調(diào)度涉及最短輸送路徑與輸送線局部阻塞時(shí)的最優(yōu)路徑規(guī)劃, 具有實(shí)時(shí)性與動(dòng)態(tài)性要求, 往往較復(fù)雜.

常見的調(diào)度算法有Dijkstra算法、Floyd算法、蟻群算法與遺傳算法等[8–11], 其中Dijkstra算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n2), Floyd算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n3), 蟻群算法收斂速度相對較慢, 難以滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求. 本文采用基于優(yōu)先級編碼的遺傳算法, 具有收斂速度快、實(shí)時(shí)性高的顯著優(yōu)點(diǎn).

以圖4所示的某輸送線系統(tǒng)抽象的有向圖為例,討論從入口1到出口10的最優(yōu)路徑規(guī)劃方法, 其中圓圈代表輸送機(jī), 邊代表輸送機(jī)之間的連接, 邊上數(shù)字代表輸送機(jī)之間的當(dāng)量距離.

圖4 某輸送線系統(tǒng)抽象的有向圖

4.1 基于優(yōu)先級的編碼與解碼

編碼: 以各個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號j=1,2,···,m表示染色體的編碼, 染色體值表示備選節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級順序v(j),圖4有向圖編碼成一個(gè)基于優(yōu)先級編碼的染色體如圖5所示.

圖5 表示各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級的染色體

解碼: 解碼過程如圖6所示, 則染色體經(jīng)解碼的路徑是1 →3→6→7→8→10.

圖6 解碼過程

4.2 適應(yīng)度函數(shù)

該遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)如式(1)所示:

因此圖5染色體的適應(yīng)度為:

4.3 基于優(yōu)先級編碼的遺傳算法

基于優(yōu)先級編碼的遺傳算法流程如圖7所示, 其中交叉操作是隨機(jī)選擇兩個(gè)染色體, 采取部分一致交叉法; 變異操作是從父代隨機(jī)選擇一個(gè)染色體的, 采用兩個(gè)基因位置交換的變異的方法; 選擇操作采用輪盤賭選擇法, 即適應(yīng)度越大的染色體被選擇的概率就越大.

圖7 基于優(yōu)先級的遺傳算法處理過程

節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10最優(yōu)路徑的適應(yīng)度過程圖如圖8所示, 其中參數(shù)設(shè)置如表3所示, 最終得出的染色體如圖9所示.

圖8 目標(biāo)函數(shù)值(適應(yīng)度)

表3 遺傳算法參數(shù)設(shè)置表

圖9 最優(yōu)染色體

最終通過解碼得出節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10的最優(yōu)路徑為1→3→6→9→10, 距離當(dāng)量為107, 迭代次數(shù)不超過8次, 運(yùn)算時(shí)間為0.007 982 s, 運(yùn)算迅速, 滿足實(shí)際應(yīng)用需求.

5 仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

輸送線結(jié)構(gòu)模型布局構(gòu)建完成、控制器程序下載成功以及調(diào)度算法運(yùn)算出最優(yōu)路徑之后, 系統(tǒng)的仿真模塊提供了仿真驗(yàn)證功能, 驗(yàn)證輸送線系統(tǒng)方案的可行性和PLC程序的正確性.

本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的輸送線系統(tǒng)如圖10所示, 由輸送機(jī)、物料、控制器組成, 其中S系列為S630型號的輸送機(jī)、T系列為T630型號輸送機(jī)、SS系列為S1080型號輸送機(jī)、C系列為控制器.

圖10 輸送線系統(tǒng)平面圖

圖10中, 為簡化控制器之間連接, 采用了模塊化分布式控制器, 各控制器及其控制的輸送機(jī)連接如圖11,圖12所示, 如controller1控制器控制了輸送機(jī)S1、T1、SS1與O1四個(gè)輸送機(jī).

圖11 控制器連接圖

圖12 輸送線控制器對應(yīng)的輸送機(jī)連接圖

根據(jù)基于優(yōu)先級編碼的遺傳算法運(yùn)算表4的任務(wù)得到的物料輸送最優(yōu)路徑如表5所示.

表4 物料輸送任務(wù)表

表5 物料輸送任務(wù)對應(yīng)最優(yōu)路徑表

基于上述最優(yōu)路徑, 調(diào)度計(jì)算機(jī)將路徑指令發(fā)送給各對應(yīng)的控制器, 最終在各PLC的控制下完成相應(yīng)規(guī)劃路徑的輸送線仿真運(yùn)行過程, 如圖13所示, 直觀驗(yàn)證了系統(tǒng)路徑規(guī)劃與控制編程的正確性.

圖13 輸送線仿真過程

6 結(jié)束語

針對行業(yè)3大痛點(diǎn), 本文設(shè)計(jì)研發(fā)了模塊化輸送線設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng), 其中研發(fā)了基于Winform與Unity3D的輸送線系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊, 實(shí)現(xiàn)輸送線的三維可視化與模塊化, 提高方案交流的有效性與直觀性; 系統(tǒng)控制采用模塊化分布式架構(gòu)簡化了現(xiàn)場安裝接線, 通過Winform與軟PLC技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了PLC控制的離線編程與調(diào)試; 基于遺傳算法的輸送線系統(tǒng)調(diào)度, 實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜的輸送路徑實(shí)時(shí)優(yōu)化與調(diào)度; 采用Unity3D的輸送線系統(tǒng)仿真模塊, 驗(yàn)證了輸送線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、控制編程與輸送路徑規(guī)劃的可行性與正確性. 本文工作為模塊化輸送線系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)、離線編程、運(yùn)行仿真與現(xiàn)場高效安裝調(diào)試探索了一條有效途徑.