王世勇 萬加富 張春華 張舞杰

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

面向智能產(chǎn)線的柔性輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與智能控制*

王世勇 萬加富 張春華 張舞杰

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

為了滿足智能產(chǎn)線對新型傳送帶的需求,設計并實現(xiàn)了一種模塊化傳送帶,并且提出基于協(xié)商的智能控制方法.利用傳送帶模塊能夠靈活構(gòu)造多種輸送路徑,處理設備、傳送帶、智能工件之間能夠通過協(xié)商進行自組織以實現(xiàn)柔性高效的動態(tài)重構(gòu).實驗結(jié)果表明,所提傳送帶及其智能控制方法能夠根據(jù)工件類型選擇加工設備和輸送路徑.基于所提技術(shù)實現(xiàn)的智能產(chǎn)線能夠進行多類型工件的混流制造.

智能制造;傳送帶;分布式控制;智能協(xié)商

傳統(tǒng)的制造模式日益面臨消費需求個性化(多品種、小批量、定制化產(chǎn)品以及快速變化的市場)以及資源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖、人口老化等全球性挑戰(zhàn).為了應對挑戰(zhàn),需要將云計算[1]、大數(shù)據(jù)[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]、移動互聯(lián)網(wǎng)[4]等新興信息技術(shù)與自動化技術(shù)深度融合,實現(xiàn)柔性、高效、綠色、友好的智能制造[5].智能制造是面向制造環(huán)境的信息物理融合系統(tǒng)(CPS)[6],被譽為第四次工業(yè)革命,即“工業(yè)4.0”[7].

在智能制造環(huán)境中,基于云計算技術(shù),服務器集群虛擬化為邏輯上統(tǒng)一的巨大資源池,為系統(tǒng)提供彈性計算與存儲服務.現(xiàn)場設備、監(jiān)控終端等通過工業(yè)網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)與云平臺相連.制造現(xiàn)場的實時過程數(shù)據(jù)、CAD/CAE/CAM等設計仿真數(shù)據(jù)、ERP/MES等信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到云平臺,形成完整、連續(xù)、一致、實時的制造業(yè)大數(shù)據(jù),從而為生產(chǎn)過程的透明化和性能優(yōu)化提供基礎[8].另外,基于機-機通信和人工智能技術(shù),加工/檢測/裝配等處理設備、輸送裝置、智能工件等能夠相互通信與協(xié)調(diào),實現(xiàn)自組織動態(tài)重構(gòu)[9]，所以智能制造系統(tǒng)具有高度互聯(lián)、動態(tài)重構(gòu)、海量數(shù)據(jù)、深度集成等顯著特征.

在制造車間中分布著多種處理設備,每個設備完成一個或幾個工序.通常需要多臺設備的接力才能完成一個工件的加工,所以需要物料輸送系統(tǒng)(HMS)在設備間輸送工件.常見的輸送裝置包括傳送帶、機械手、自動導引車(AGV)等.傳送帶是一種經(jīng)濟高效的輸送裝置,應用范圍非常廣泛.但是現(xiàn)有的傳送帶通常為單線或單環(huán)結(jié)構(gòu),采用單控制器進行集中控制,不具有決策和通訊能力,難以支撐智能制造環(huán)境下的資源動態(tài)重構(gòu)[10- 11].

為了適應智能制造的需求,文中提出一種新型結(jié)構(gòu)的傳送帶及其智能控制方法,使得傳送帶既能夠靈活地改變結(jié)構(gòu),又能與處理設備、智能工件等進行通訊與協(xié)調(diào),從而動態(tài)生成輸送路徑,有力支撐智能制造過程的自組織動態(tài)重構(gòu),以適應小批量、多品種產(chǎn)品的柔性制造需求.

1 系統(tǒng)設計

智能輸送系統(tǒng)的設計需要綜合考慮機械結(jié)構(gòu)和控制架構(gòu),即具有模塊化結(jié)構(gòu)、分布式控制、網(wǎng)絡化通訊等特點,從而能夠靈活地改變輸送系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),快速實現(xiàn)多種配置,以適應高度動態(tài)的制造環(huán)境.現(xiàn)有的傳送帶采用單線或單環(huán)結(jié)構(gòu)、單控制器控制,在機械結(jié)構(gòu)和控制方法方面耦合緊密,所以無法重構(gòu)，缺少靈活性.

圖1中的輸送系統(tǒng)由6段傳送帶(分別記為L1,L2,…,L6)組成,每一段都由獨立的伺服系統(tǒng)(分別記為C1,C2,…,C6)進行驅(qū)動和控制.沿著順時針方向存在3個分流站,其中L1與L3相交于分流站S1,L2與L4相交于分流站S2,L2與L5相交于分流站S3,每個分流站都配有獨立的氣動系統(tǒng)和控制器.沿著輸送系統(tǒng)可以布置各種加工、檢測、裝配設備,或者物料、工件倉儲系統(tǒng),如圖1中的M1、M2、M3與M4所示.

圖1 輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊示意圖

Fig.1 Schematic diagram of structural and functional modules of conveying system

1.1 模塊化結(jié)構(gòu)

各段傳送帶均由若干基本的直線模塊(分為375、750、1 500 mm3種)和直角圓弧模塊(φ390 mm分度圓)拼接而成,如表1所示.直線模塊用于調(diào)整傳送帶的長度,而圓弧模塊用于改變傳送帶的方向.基于此模塊化設計,可以方便地調(diào)節(jié)輸送系統(tǒng)的輸送范圍和布局,從而有力支撐智能制造系統(tǒng)對工件品種或者產(chǎn)能變化的支持.

表1 各段傳送帶包含的基本模塊數(shù)量Table 1 Combination of basic modules of each conveyor belt

1.2 分布式控制

各段傳送帶以及各個分流站都由獨立的控制器進行控制,這些控制器不僅在地理位置上是分散的,在控制邏輯上也是平等的.傳送帶控制器負責本段的啟?？刂啤⑺俣日{(diào)節(jié)以及通訊與決策.分流站控制器用于控制該站分流機構(gòu)的動作以及負責相關(guān)的檢測、通訊與決策.

1.3 網(wǎng)絡化通信

在智能制造環(huán)境中,傳送帶、分流站、處理設備以及智能工件要求能夠相互通信,從而支持智能化的協(xié)商.本設計選用具有以太網(wǎng)通信能力的控制器,各控制器利用交換機進行組網(wǎng),從而能夠快速地交換信息,為各種對象的通信與協(xié)調(diào)奠定可靠基礎.

1.4 循環(huán)多路徑

該輸送系統(tǒng)除了由L1與L2組成主回路外,L3、L4以及L5、L6分別組成另外3個小型回路,各回路相交從而形成多路徑.分流站用于路徑選擇,由于共有3個分流站,所以該系統(tǒng)存在8種不同的路徑.每種路徑包含的傳送帶如表2所示.分流站S1、S2、S3取值0對應L1、L2(對應S2)、L2(對應S3)開通而L3、L4、L5關(guān)閉,取值1對應L1、L2(對應S2)、L2(對應S3)關(guān)閉而L3、L4、L5開通.

表2 輸送系統(tǒng)的路徑構(gòu)成與控制方法1)Table 2 Path and control pattern of conveying system

1)“√”表示該段傳送帶屬于相應路徑的組成部分.

由于可以獨立地控制每段傳送帶的啟停,所以除了可以配置成表2所示的環(huán)形輸送系統(tǒng),還可以配置成單線、多線形式的開環(huán)輸送系統(tǒng),從而支持多種不同的應用需求.例如,僅開啟L1可以形成單線開環(huán)路徑,而同時開啟L2與L5可以形成雙線交叉開環(huán)路徑.

2 基于協(xié)商的智能控制

智能輸送系統(tǒng)由多段獨立的傳送帶組成,具有多條路徑以及動態(tài)的結(jié)構(gòu)與狀態(tài).另外,智能制造系統(tǒng)面向多種工件混流制造,每種工件需要的路徑不同,所以需要針對每種工件動態(tài)地確定輸送路徑.然而,現(xiàn)有的單控制器集中控制,只能靜態(tài)地確定一種固定的路徑,無法適應智能制造的需要.而基于協(xié)商的智能控制,利用多個傳送帶的交互與協(xié)商,根據(jù)工件要求實時、動態(tài)的確定路徑,因此具有很高的靈活性.

智能制造環(huán)境下,智能工件需要與處理設備、輸送裝置等進行動態(tài)的交互.嵌入式系統(tǒng)是一種高性能的智能工件實現(xiàn)方法,但為了降低成本,通常采用條形碼、二維碼,RFID標簽等智能化程度較低的解決方案[12].條形碼能夠表示的信息很少,通常只作為身份標識符使用;二維碼雖然能夠攜帶更多的信息,但與條形碼一樣是只讀的.相比之下,RFID標簽不僅容量大而且是可讀、可寫的,所以不僅能夠保存靜態(tài)信息,也能夠保存動態(tài)(例如狀態(tài))信息.綜上所述,采用RFID標簽可以在性能與成本之間取得較好的平衡,因此該方案日益成為智能制造環(huán)境應用最為廣泛的解決方案[13].

智能工件的RFID標簽中預置加工工藝要求,RFID標簽中的動態(tài)信息在加工過程中會根據(jù)情況進行更新.工件動態(tài)變量的定義如表3所示.

表3 工件動態(tài)變量定義Table 3 Dynamic varieties’ definition of work piece

基于協(xié)商的智能控制包括4個階段,下面基于圖1所示的場景,描述各個階段的基本過程.

2.1 確定目標處理設備

制造、檢測、裝配、存儲等處理設備利用光電傳感器、RFID讀寫器、網(wǎng)絡通信等多種手段與工件以及傳送帶進行交互.工件在傳送帶上運動,經(jīng)過傳感器時將觸發(fā)相應的信號,處理設備接收到信號后發(fā)送消息給傳送帶.傳送帶收到消息后停止運動,并發(fā)送確認消息給處理設備.然后處理設備控制RFID讀寫器讀取工件RFID標簽信息,并根據(jù)“State”取值進行相應的動作.

若State為0,檢測到工件的處理設備作為智能工件代理與其他處理設備以及輸送裝置進行協(xié)商,從而確定目標處理設備.基于合同網(wǎng)協(xié)議[14]的協(xié)商過程如圖2所示,主要包括10個步驟.智能工件代理作為招標方發(fā)布操作需求,處理設備根據(jù)自身能力與狀態(tài)決定是否投標,然后經(jīng)過評標確定中標的處理設備,最后智能工件代理通知中標設備,并將State賦值1.

圖2 智能工件、處理設備以及輸送裝置之間的交互過程[9]

Fig.2 Interaction process of smart work pieces,processing machines and conveyers[9]

1)具有計算能力的智能工件(例如攜帶嵌入式系統(tǒng)的工件),能夠自主發(fā)起協(xié)商,而不需要處理設備代理.

2.2 確定輸送路徑

若State為1表示已確定處理設備,但是還必須確定智能工件代理到目標處理設備的輸送路徑.每個輸送裝置必須知道與其他設備的位置關(guān)系,包括沿前進方向與該輸送裝置相連的其他輸送裝置以及該輸送裝置可以送達的處理設備.例如,圖1中各條傳送帶的連接情況可以表示為：L1[M2,L3,L2]、L2[L4,M1,L5,L1]、L3[M3,L1]、L4[M4,L2]、L5[L6]、L6[L1],即每個輸送裝置都有一個可達集,表示通過該裝置能夠依次到達的其他輸送裝置和處理設備.處理設備也需要知道其與輸送裝置的連接關(guān)系,圖1中的設備可以表示為：M1[L2]、M2[L1]、M3[L3]、M4[L4].

不失一般性,假設M1是智能工件代理,M4是中標設備,現(xiàn)確定M1至M4的加工路徑.雖然每個處理設備、輸送裝置僅知道自己的可達集,但是通過若干輪協(xié)商最終能夠確定合適的輸送路徑.如圖3所示,經(jīng)過5輪協(xié)商確定所需輸送路徑為M1→L2→L1→L2→L4→M4.

圖3 確定輸送路徑的接力協(xié)商過程

每一輪協(xié)商包括3個步驟,由1個發(fā)起方和若干個響應方組成.下面以第1輪協(xié)商為例,演示協(xié)商過程.

①發(fā)起：M1作為發(fā)起方,查看其可達集,知道L2是其唯一可達的輸送裝置,即唯一響應方，所以M1問L2是否可達M4;

②響應：L2查看其可達集,然后回答否;

③確認：M1要求L2接力查詢過程.

接下來,L2作為發(fā)起方查看其可達集,確定L5與L1為合法響應方,從而開始新一輪協(xié)商.注意：由于傳送帶是單向的,M1位于L4之后表示工件無法經(jīng)由L2直接從M1到達L4,所以L4不是可選的響應方.L2由于在第2輪協(xié)商中沒有完全使用其可達集中的輸送裝置,所以能夠作為合法的發(fā)起方出現(xiàn)在第4輪協(xié)商中.相反,L1與L5在第3輪協(xié)商中已經(jīng)完全使用其可達集中的輸送裝置,所以不能作為合法的發(fā)起方出現(xiàn)在第5輪協(xié)商中,以避免循環(huán)協(xié)商.這樣,每一輪協(xié)商至少確定一個新增成員,直至最終到達M4.

2.3 路由控制

工件在運動過程中會經(jīng)過分流站,每個分流站利用光電傳感器、攔截機構(gòu)、分流機構(gòu)、RFID讀寫器等與工件進行交互.傳感器檢測到工件后,攔截機構(gòu)將工件攔下,RFID讀寫器讀取工件RFID標簽信息,并根據(jù)“State”值進行操作,“State”取值0,1,3,4時,分流站不改變流向,直接放行.

若“State”取值為2,分流站查詢工件的輸送路徑,并進行相應的操作.例如,對于路徑M1→L2→L1→L2→L4→M4,分流站S3、S1、S2將依次開啟L2、L1、L4通道,實現(xiàn)表2中的路徑3,然后根據(jù)計算結(jié)果控制分流機構(gòu)動作以生成所需路徑,操作完成后將工件放行.

綜上所述,智能工件代理與處理設備之間通過協(xié)商確定執(zhí)行操作所需的處理設備,智能工件代理與輸送裝置之間以及各個輸送裝置之間經(jīng)過協(xié)商確定智能工件代理到目標設備的輸送路徑,而分流站負責構(gòu)造所需的路徑.

2.4 操作執(zhí)行

處理設備檢測到工件的“State”的值為2時,若該設備是目標處理設備,對“State”賦值3然后進行定位、裝夾等操作,然后對“State”賦值4并開始所需的加工、檢測或裝配等操作,完成后將“State”賦值為0,并將CurOp加1.然后該處理設備作為智能工件代理就下一工序進行協(xié)商.若設備不是目標處理設備或者“State”取值為3或4,則直接將其放行.

上述4個步驟對操作序列中的每個操作都要執(zhí)行一次.待全部操作完成后,布置在輸送系統(tǒng)周圍的自動倉儲裝置將工件從托盤中取下,放入存儲裝置.

3 實現(xiàn)

基于模塊化結(jié)構(gòu)和智能協(xié)商實現(xiàn)的智能輸送系統(tǒng)需要滿足多種功能與性能要求.單段傳送帶要具有啟、停、調(diào)速能力,匯流機構(gòu)動作正常.對于多個傳送帶組成的系統(tǒng),要能夠互相通信與協(xié)商,從而根據(jù)工件要求動態(tài)地確定路徑;分流機構(gòu)根據(jù)協(xié)商結(jié)果正常地構(gòu)造路徑;多個工件同時加工時,系統(tǒng)不會發(fā)生死鎖.設計額定速度為20 mm/s，支持的工件種類數(shù)量為20種，能夠24 h連續(xù)運行.基于文中所提的輸送系統(tǒng),構(gòu)建如圖4所示的智能制造平臺,主要組件選型與關(guān)鍵設計參數(shù)介紹如下.

圖4 柔性輸送系統(tǒng)布置實物圖

3.1 主體機構(gòu)

傳送帶的主體框架由鋁合金型材制成,可調(diào)支撐柱使得傳送帶高度范圍為500～800 mm,鏈板用白色PVC材料制成,寬度為105 mm.該系統(tǒng)包括6段傳送帶,每段傳送帶由若干基本模塊拼接而成.每段傳送帶包括一個驅(qū)動頭(主動輪)與一個驅(qū)動尾(從動輪),驅(qū)動頭轉(zhuǎn)軸與減速機輸出端相連.

3.2 分流機構(gòu)與匯流機構(gòu)

圖5中箭頭表示工件運動方向,所以來自傳送帶B的工件在分流機構(gòu)的控制下可以沿著傳送帶B繼續(xù)運動,也可以運動到傳送帶A上.分流機構(gòu)主要由擺桿、攔截氣缸以及光電傳感器組成.傳感器檢測到工件時攔截氣缸的攔截桿伸出,阻止傳送帶B上的工件.一段時間以后(使分流區(qū)的工件全部通過),擺桿機構(gòu)在另一臺氣缸帶動下動作,根據(jù)需要選擇傳送帶A或傳送帶B.擺桿到位后,攔截氣缸的攔截桿退回,工件繼續(xù)向前運動.在圖5位置時,工件將由傳送帶B運動到傳送帶A.

圖5 分流機構(gòu)實物圖

如圖6所示,來自傳送帶A和傳送帶B的工件在匯流機構(gòu)的控制下可以安全地匯流到傳送帶B上.匯流機構(gòu)由兩對相對布置的氣缸與光電傳感器組成.傳感器A檢測到工件時,氣缸A的攔截桿退回而氣缸B的攔截桿伸出.這樣,傳送帶B上的工件被攔下,傳送帶A上的工件能夠順利運動到傳送帶B上,并且不會發(fā)生碰撞.同理,傳感器B檢測到工件時,兩個氣缸配合動作,使得傳送帶B上的工件順利通過.

圖6 匯流機構(gòu)實物圖

3.3 傳感器與RFID系統(tǒng)

光電傳感器為西克公司產(chǎn)品.RFID系統(tǒng)為國內(nèi)東芯公司產(chǎn)品,標簽容量為2 kb.

3.4 伺服驅(qū)動與控制

如圖7所示,選用松下伺服電機與驅(qū)動器,傳送帶1與傳送帶2所用電機轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m,驅(qū)動器功率為750 W,其他4段傳送帶所用電機轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m,驅(qū)動器功率為370 W.伺服電機與普通異步電機相比調(diào)速方便并且位置精度高.電機輸出軸經(jīng)連軸器與渦輪蝸桿減速機相連.減速機為歐特士公司產(chǎn)品,減速比為80.控制器采用西門子S7-200 SMART型PLC控制器,具有以太網(wǎng)通信和脈沖輸出功能,能夠進行控制器間通信以及伺服電機運動控制.

圖7 伺服系統(tǒng)實物圖

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 實驗配置

實驗布置如圖1所示.處理設備M1、M2、M3、M4的控制器選用2B型樹莓派,并利用控制器延時來模擬處理操作.每個樹莓派連接一個西克光電傳感器和一個東芯RFID讀寫器.樹莓派與傳送帶控制器(西門子S7-200 SMART型PLC)通過以太網(wǎng)通信.工件為糖果盒,并貼有RFID標簽.指定M1、M2、M3、M4分別負責操作A、B、C、D,其中A、B、C為加工操作,D為存儲操作,各種操作用時均為10 s.現(xiàn)模擬加工兩種類型工件,工件代號及操作序列為：P1[A,C,D]，P2[B,D].工件從圖1中“L2”字符位置處放入L2段傳送帶.

4.2 實驗結(jié)果

1)單段傳送帶能夠正常啟動、停止,速度在線可調(diào),調(diào)整范圍為0～50 mm/s.

2)模擬加工兩種類型工件,工件代號及操作序列為：P1[A,C,D]，P2[B,D].工件從圖1中“L2”字符位置處放入L2段傳送帶.觀察到系統(tǒng)動態(tài)過程為：工件P1依次通過L2→L1→L3→L1→L2→L4,先后經(jīng)過設備M1、M2、M3、M4,停留時間分別約為12、1、12、12 s.M1、M3、M4需要對工件進行讀、寫以及處理操作，所以用時最長；而M2只需進行讀操作，所以用時最短.實驗結(jié)果與理論分析一致.工件P2通過L2→L1→L2→L4,先后經(jīng)過設備M1、M2、M4,停留時間分別約為2、12、12 s,也與理論分析一致.工件運動過程中經(jīng)過的分流與匯流機構(gòu)動作正常.實驗結(jié)果表明輸送系統(tǒng)滿足設計要求.

3)通過調(diào)整操作的順序以及每個操作的個數(shù),實現(xiàn)30種不同的類型工件各10個,這些工件依次進入系統(tǒng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)各工件均能按要求到達處理設備處,系統(tǒng)沒有死鎖,總的完成時間為116 min.

4)系統(tǒng)連續(xù)運行72 h,沒有出現(xiàn)故障.

5 結(jié)語

文中提出一種模塊化傳送帶結(jié)構(gòu)設計與智能控制方法.傳送帶具有模塊化結(jié)構(gòu)、分布式控制和網(wǎng)絡化通信的特點,能夠構(gòu)造循環(huán)多路徑,從而支撐智能制造所需的動態(tài)重構(gòu)能力.所提的基于協(xié)商的智能控制方法使得傳送帶、處理設備、智能工件等能夠基于協(xié)商進行自組織,從而能夠為不同種類的工件動態(tài)選擇合適的處理設備與輸送路徑,并且多個傳送帶能夠互相協(xié)調(diào),從而成功將工件送往目標處理設備.基于所提傳送帶和智能控制方法,初步建成了智能制造實驗平臺,實驗表明該平臺具有動態(tài)重構(gòu)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)多類型工件的混流制造.

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Structural Design and Intelligent Control of Flexible Conveying System for Smart Production Lines

WANGShi-yongWANJia-fuZHANGChun-huaZHANGWu-jie

(School of Mechanical and Electrical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Smart production lines require novel conveyor belts. In order to meet this requirement, a modular conveyor belt is designed and implemented, and a negotiation-based intelligent control method is proposed. With the help of the designed modular conveyor belt, multiple types of conveying paths can be constructed, and processing devices, the conveyors and the smart work pieces can self-organize based on the negotiation to implement a flexibly and efficiently dynamic reconfiguration. Experimental results indicate that, the designed conveyor belt and the proposed intelligent control method can select processing devices and the paths according to the types work pieces. In addition, based on the above-mentioned technologies, smart production lines can simultaneously process multiple types of work pieces.

smart production; conveyor belt; distributed control; intelligent negotiation

2015- 10- 19

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF20B01);國家自然科學基金資助項目(51605168)；廣東省科技計劃項目(2016A010102008,2013B011302016, 2014A050503009,2014B090921003);廣州市科技計劃項目(201508030007，201604010064);華南理工大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2014ZM0014, 2014ZM0017) Foundation items: Supported by the National Key Technology Research and Development Program(2015BAF20B01),the National Natural Science Foundation of China(51605168) and the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2016A010102008,2013B011302016,2014A050503009,2014B090921003)

王世勇(1981-),男,博士，副教授,主要從事嵌入式控制系統(tǒng)與智能制造系統(tǒng)研究.E-mail:mesywang@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)12- 0030- 06

TP 23

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.12.005