陶培勝，刀榮貴，趙 杰，殷 紅

1. 紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司物流中心，云南省玉溪市紅塔大道118 號(hào) 653100 2. 昆船智能技術(shù)股份有限公司，昆明市人民中路6 號(hào) 650051

自動(dòng)化物流系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)［1-3］。物流設(shè)備中的EMS（Electrified Monorail System）小車、巷道堆垛機(jī)、穿梭車等均需要借助軌道運(yùn)行，軌道運(yùn)行物流小車有一軌多車和一軌單車兩種模式，一軌多車通常在環(huán)形軌道上繞行，而一軌單車則是在直形軌道上往復(fù)運(yùn)行。在生產(chǎn)中，EMS 小車多采用一軌多車模式［4-5］；巷道堆垛機(jī)多采用一軌單車模式，近年來也有一軌雙車的應(yīng)用研究［6］；穿梭車則兩種運(yùn)行模式均有應(yīng)用［7-10］。其中，往復(fù)式穿梭車可在兩個(gè)物流區(qū)域輸送線的多個(gè)起始地、目的地之間實(shí)現(xiàn)按需輸送，簡化了生產(chǎn)工藝流程，但搬運(yùn)能力低于由輥道輸送機(jī)和鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)輸送線，是自動(dòng)化物流系統(tǒng)的瓶頸［11］。此外，當(dāng)穿梭車發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成物流系統(tǒng)生產(chǎn)中斷，物料無法正常出入庫，因此對(duì)穿梭車運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)是物流設(shè)備管理的重點(diǎn)。針對(duì)此問題，朱宏輝［12］基于約束理論建立了功能相同的冗余環(huán)節(jié)，并提出了一軌雙車的解決方案；李斌等［13］提出了一種用于倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)的多車同軌模型；趙峰［14］從雙車多區(qū)域交叉避讓的角度設(shè)計(jì)了同軌系統(tǒng)穿梭車作業(yè)流程；楊健等［15］建立了自動(dòng)化立體倉庫一軌雙車的調(diào)度策略，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。上述對(duì)于往復(fù)式穿梭車一軌雙車的研究多為優(yōu)化思路或改善流程，未能提出具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。為此，以玉溪卷煙廠卷包車間卷煙成品入庫物流輸送環(huán)節(jié)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式穿梭車一軌雙車運(yùn)行模式，以期提高穿梭車系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和入庫效率。

1 問題分析

1.1 存在問題

前期卷煙成品物流采用的是雙工位往復(fù)式穿梭車。當(dāng)卷煙成品碼垛滿盤后，雙工位穿梭車載入卷煙成品托盤，同時(shí)向碼垛站臺(tái)自動(dòng)補(bǔ)入一只空托盤；穿梭車搬運(yùn)卷煙成品托盤到下游站臺(tái)將其卸下，同時(shí)載入另一只空托盤。隨著卷煙生產(chǎn)能力的增加，一臺(tái)穿梭車入庫效率不足，且一旦穿梭車發(fā)生故障，即會(huì)造成卷煙成品無法及時(shí)入庫等問題。為解決該問題前期增加了一臺(tái)穿梭車，改進(jìn)后穿梭車入庫布局見圖1。其中，卷煙成品自動(dòng)入庫站臺(tái)M1～M6 和人工站臺(tái)R1～R2 由穿梭車A 負(fù)責(zé)搬運(yùn)，從A 區(qū)入庫；自動(dòng)入庫站臺(tái)M7～M14和人工站臺(tái)R3～R4 由穿梭車B 負(fù)責(zé)搬運(yùn)，從B 區(qū)入庫。A、B 兩車中間采用物理隔離，運(yùn)行在各自區(qū)域中，擁有獨(dú)立的激光測距等控制系統(tǒng)，故稱為獨(dú)立雙車運(yùn)行模式，但該模式也存在若其中一臺(tái)穿梭車發(fā)生故障，會(huì)造成卷煙成品入庫中斷等問題。

圖1 獨(dú)立雙車運(yùn)行模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of independent double-vehicle operation mode

1.2 原因分析

為解決上述問題，需要對(duì)穿梭車進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，打通物理隔離，使兩車在同一軌道上運(yùn)行。目前多采用PC 控制方式實(shí)現(xiàn)一軌多車運(yùn)行模式，控制方案有兩種：采用上位倉儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)（WCS）控制 車 輛［15］，或 單 獨(dú) 使 用 一 臺(tái)PC 進(jìn) 行 調(diào) 度 管理［16-17］。PC 控制具有運(yùn)算能力強(qiáng)、速度快、多線程等特點(diǎn)，其與穿梭車交互，實(shí)現(xiàn)PLC 與PC 的互聯(lián)通信方式有3 種：①使用PLC 開發(fā)商提的系統(tǒng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)適配器；②使用上位機(jī)組態(tài)軟件，例如組態(tài)王、InTouch、WinCC 等；③利用PLC 開發(fā)商提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和用戶自定義的自由口。上述通信方式均通過以太網(wǎng)采用多級(jí)交換機(jī)建立通信鏈路，通信過程為：PLC 采用查詢方式與上位機(jī)通信，當(dāng)PC 下達(dá)啟動(dòng)運(yùn)行命令時(shí)，程序在定時(shí)中斷緩沖區(qū)存儲(chǔ)需發(fā)送的變量數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)存滿后，向上位機(jī)發(fā)送需要傳送數(shù)據(jù)的命令；上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視串口通訊狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)串口傳來PLC 開始傳送數(shù)據(jù)命令時(shí)，即向PLC 發(fā)送可以傳送數(shù)據(jù)的握手命令，于是PLC 將緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

以PC（IBM X3650）和PLC（PHOENIX ILC 200、PHOENIX ILC 350 PN、AB SLC500 1746/1747）為例，分析一軌多車模式PC 控制方式的通信效率。每次握手均為100 ms 左右，現(xiàn)場使用以太網(wǎng)3 層通信，經(jīng)過4 次交互，即PLC→現(xiàn)場交換機(jī)→核心交換機(jī)→機(jī)房交換機(jī)→PC 服務(wù)器，總耗時(shí)Tpc為：

式中：tpc1—PLC 與現(xiàn)場交換機(jī)交互耗時(shí)，ms；tpc2—現(xiàn)場交換機(jī)與核心交換機(jī)交互耗時(shí)，ms；tpc3—核心交換機(jī)與機(jī)房交換機(jī)交互耗時(shí)，ms；tpc4—機(jī)房交換機(jī)與PC 服務(wù)器交互耗時(shí)，ms；tpc5—PC 服務(wù)器與PLC 交互耗時(shí)，ms。

其中，tpc1，tpc2，tpc3，tpc4均為100 ms，tpc5為30 ms，故總耗時(shí)Tpc=430 ms。可見，PC 控制方式的通信響應(yīng)時(shí)間小于最快入庫申請時(shí)間間隔。但采用PC 控制方式實(shí)現(xiàn)一軌雙車運(yùn)行模式，需要重新建立PLC 與上位PC 的通信鏈路并更新穿梭車的大量軟硬件，改造范圍大且費(fèi)用高。若通過現(xiàn)場電控層面設(shè)計(jì)一軌雙車控制方案，則面臨以下問題：①穿梭車運(yùn)行在碼垛區(qū)和庫區(qū)中，需要與兩個(gè)區(qū)域的設(shè)備協(xié)同工作，而兩個(gè)區(qū)域的設(shè)備又分別采用不同的控制平臺(tái)，其中碼垛區(qū)采用AB 控制器，庫區(qū)采用PHOENIX 控制器，兩個(gè)區(qū)域的設(shè)備分屬不同PLC 控制，兩種控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互不兼容；②庫區(qū)和兩臺(tái)穿梭車雖都采用PHOENIX 控制器，但屬于不同控制網(wǎng)絡(luò)，庫區(qū)在CPU2 網(wǎng)絡(luò)中，穿梭車A、B 分別在不同控制網(wǎng)絡(luò)，穿梭車控制系統(tǒng)既要跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PLC 通信，又要在同平臺(tái)不同網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)PLC 通信。為此，改進(jìn)后采用跨平臺(tái)多PLC 控制方式實(shí)現(xiàn)一軌雙車運(yùn)行模式。

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于跨平臺(tái)多PLC 控制方式的卷煙成品物流一軌雙車運(yùn)行模式見圖2。改進(jìn)后兩臺(tái)穿梭車運(yùn)行在同一軌道上，如果兩車都正常運(yùn)行，則按照原入庫方式布局，穿梭車A 負(fù)責(zé)搬運(yùn)M1～M6 和R1～R2站臺(tái)的卷煙成品，從A 區(qū)入庫；穿梭車B 負(fù)責(zé)搬運(yùn)M7～M14 和R3～R4 站臺(tái)的卷煙成品，從B 區(qū)入庫，由此形成一軌雙車模式。如果兩車中任一臺(tái)故障，則將故障車移走，由備用小車負(fù)責(zé)搬運(yùn)全部站臺(tái)的卷煙成品，從A 區(qū)或B 區(qū)入庫，作為應(yīng)急采用一軌單車模式，保障卷煙成品入庫工作不中斷。

改進(jìn)后碼垛區(qū)屬于AB 控制區(qū)，穿梭車A、B分別擁有PLC 控制器，庫區(qū)屬于PHOENIX CPU2控制區(qū)；為提高信息處理能力，庫區(qū)又增加了PHOENIX CPU4 控制區(qū)。其中，PHOENIX CPU2控制區(qū)既負(fù)責(zé)與AB 控制區(qū)進(jìn)行跨平臺(tái)PLC 交互，也負(fù)責(zé)與A、B 兩臺(tái)穿梭車及PHOENIX CPU4 控制區(qū)進(jìn)行同平臺(tái)PLC 交互；A、B 兩臺(tái)穿梭車同時(shí)負(fù)責(zé)與AB 控制區(qū)進(jìn)行跨平臺(tái)PLC 交互。

圖2 一軌雙車運(yùn)行模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of one-rail double-vehicle operation mode

2.2 故障穿梭車維修站臺(tái)設(shè)計(jì)

一軌多車軌道設(shè)置有故障穿梭車維修站臺(tái)，用于對(duì)故障車進(jìn)行維修，一般設(shè)置在軌道中間的空地上（圖2）。維修站臺(tái)包括維修小車、連接片、運(yùn)行軌道、小車定位器、維修小車軌道等部分，見圖3。穿梭車發(fā)生故障后，沿運(yùn)行軌道（3）將其推至維修小車（1）上，卸除連接片（2）和小車定位器I（4）后，將裝載著故障車的維修小車沿維修小車軌道（7）推至維修區(qū)域，采用小車定位器II（6）固定維修小車，再將故障車推至維修軌道（5）上，通過現(xiàn)場計(jì)算機(jī)剔除故障車信息，然后恢復(fù)維修小車位置。

圖3 故障穿梭車維修站臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of maintenance platform for shuttle vehicle failure

2.3 雙車運(yùn)行防撞設(shè)計(jì)

穿梭車A、B 之間的物理隔離被打通后運(yùn)行在同一軌道上，由于運(yùn)行線路有多處交叉，為此增加了雙車運(yùn)行防撞設(shè)計(jì)。在軌道上建立一維基準(zhǔn)坐標(biāo)系，將每臺(tái)車采用激光測距測得的數(shù)值列入坐標(biāo)系中，設(shè)A 車坐標(biāo)為XA，B 車坐標(biāo)為XB，兩車距離為D，即：

式中：f（v）為任一穿梭車的運(yùn)行速度，m/min。

當(dāng)D≥300 mm 時(shí)，穿梭車保持正常車速120 m/min；當(dāng)150 mm≤D＜300 mm 時(shí)，穿梭車減速到30 m/min；當(dāng)D＜150 mm 時(shí)，穿梭車停止運(yùn)行。此外，在兩車相對(duì)應(yīng)位置還安裝了兩組鏡反射式光電傳感器（圖2），當(dāng)兩車位置靠近達(dá)極限值后觸發(fā)急停功能，防止車輛發(fā)生碰撞。

圖4 一軌雙車運(yùn)行機(jī)制的PLC 交互流程圖Fig.4 Flow chart of interaction between PLCs for one-rail double-vehicle operation mechanism

2.4 一軌雙車運(yùn)行機(jī)制

采用一軌雙車運(yùn)行模式后，當(dāng)其中一臺(tái)穿梭車發(fā)生故障時(shí)，可以啟動(dòng)應(yīng)急模式，穿梭車控制系統(tǒng)在雙車正常模式與單車應(yīng)急模式之間切換，形成一軌雙車運(yùn)行機(jī)制。由圖4 可見，卷煙成品碼垛完成后由WMS（Warehouse Management System，倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)）和WCS（Warehouse Control System，倉儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)）下達(dá)入庫申請，產(chǎn)生入庫任務(wù)，碼垛區(qū)AB PLC 控制區(qū)與庫區(qū)PHOENIX PLC CPU2 控制區(qū)交互判斷是否選擇雙車模式。如果是單車模式，M1～M14 和R1～R4 站臺(tái)均由PHOENIX PLC CPU2 控制。使用穿梭車A 車時(shí)PHOENIX PLC CPU2 先與PHOENIX PLC CPU4交互，然后再與穿梭車A 交互，控制其運(yùn)行到碼垛站臺(tái)，A 車與AB PLC 交互載入卷煙成品托盤，并補(bǔ)給空托盤；使用穿梭車B 時(shí)不經(jīng)過PHOENIX PLC CPU4，直接由PHOENIX PLC CPU2 控制，其余操作與穿梭車A 相同。

選擇雙車模式時(shí)，M1～M6 和R1～R2 站臺(tái)的AB PLC 與PHOENIX PLC CPU2 交互，PHOENIX PLC CPU2 與PHOENIX PLC CPU4 交 互，PHOENIX PLC CPU4 再與穿梭車A 交互，控制卷煙成品入庫；同理，M7～M14 和R3～R4 站臺(tái)均由PHOENIX PLC CPU2與穿梭車B交互，控制入庫操作。

一軌雙車運(yùn)行模式采用PLC 交互控制方式，與PC 控制PLC 方式相比，具有以下優(yōu)勢［18］：①PLC 采用大規(guī)模集成電路，內(nèi)部電路使用抗干擾技術(shù)，外部電路使用PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)，減少了電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)；PLC 帶有自檢功能，可靠性和穩(wěn)定性高。②PLC 在局部工業(yè)控制場景下，控制程序執(zhí)行效率高，最多2 個(gè)掃描周期即可完成所有操作。以本研究中所涉及的PLC（PHOENIX ILC 350 PN）為例，其最大掃描周期為10 ms，穿梭車裝載卷煙成品托盤入庫需要經(jīng)過2 次PLC 交互，即碼垛區(qū)PLC→穿梭車PLC→庫區(qū)PLC，總耗時(shí)TPLC：

式中：tPLC1—碼垛區(qū)與穿梭車PLC 交互耗時(shí)，ms；tPLC2—穿梭車與庫區(qū)PLC 交互耗時(shí)，ms。

入庫申請任務(wù)下達(dá)后，碼垛區(qū)M1～M14 和R1～R4 站臺(tái)的控制PLC 發(fā)出入庫申請信號(hào)與穿梭車PLC 交互，控制卷煙成品托盤輸送至穿梭車上，然后將空托盤補(bǔ)入碼垛工位，完成第一次PLC 交互，tPLC1約為10 ms；確定入庫目標(biāo)站臺(tái)后，驅(qū)動(dòng)穿梭車運(yùn)行至庫區(qū)入口時(shí)卸下卷煙成品托盤，同時(shí)載入一只空托盤，完成第二次PLC 交互，tPLC2約為10 ms。根據(jù)公式（4）計(jì)算可得總耗時(shí)TPLC≤20 ms，表明PLC 控制方式具有較高的通信響應(yīng)速度，能夠滿足入庫申請需求。

2.5 PLC 交互技術(shù)

采用PLC 交互控制方式實(shí)現(xiàn)一軌雙車運(yùn)行模式，涉及跨平臺(tái)PLC 以及同平臺(tái)PLC 交互。其中，PHOENIX ILC 350 PN 與AB PLC 之間的連鎖信號(hào)，屬于跨平臺(tái)PLC 交互，包括PHOENIX IO 模塊和AB 控制柜中間繼電器電氣設(shè)計(jì)兩部分，見圖5。PHOENIX ILC 350 PN CPU2 與穿梭車交互，屬于同平臺(tái)PLC 交互，以穿梭車A 為例，表1 定義了硬件組態(tài)后各I/O 信號(hào)對(duì)應(yīng)的符號(hào)表命名；表2 定義了各I/O 信號(hào)的交互內(nèi)容，包括現(xiàn)場安裝硬件的端子號(hào)、對(duì)應(yīng)程序分配地址和業(yè)務(wù)邏輯層面的站臺(tái)號(hào)以及業(yè)務(wù)控制邏輯。

圖5 跨平臺(tái)PLC 交互電氣設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Schematic diagram of electrical design for cross-platform interaction between PLCs

表1 CPU2 與穿梭車通信變量定義Tab.1 Definition of communication variable between CPU2 and shuttle vehicles

表2 CPU2 與穿梭車PLC 交互設(shè)置Tab.2 Setting of PLC interaction between CPU2 and shuttle vehicles

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：用空托盤模擬卷煙成品托盤［由紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司物流中心提供］。

設(shè)備：AB PLC 控制的卷煙成品碼垛區(qū)（云南紫金科貿(mào)有限公司）；PHOENIX PLC 控制的穿梭車A 和B，庫區(qū)CPU2 和CPU4（昆船智能技術(shù)股份有限公司）。

方法：玉溪卷煙廠卷包車間生產(chǎn)能力為110 萬箱/年，每箱為5 件煙，每托盤28 件，工作時(shí)間按250 d/年，21 h/d 計(jì)算，生產(chǎn)入庫需求為37.4 盤/h。①測試改進(jìn)前后入庫能力，模擬碼垛區(qū)所有站臺(tái)M1～M14 和R1～R4 均已碼垛滿盤申請入庫，統(tǒng)計(jì)穿梭車系統(tǒng)1 h 完成搬運(yùn)的托盤數(shù)；②測試一軌雙車運(yùn)行模式下，雙車正常模式切換為單車應(yīng)急模式的耗時(shí)，即模擬穿梭車A、B 其中一臺(tái)發(fā)生故障，將故障車移出運(yùn)行軌道，切換為用一臺(tái)車承擔(dān)碼垛區(qū)所有站臺(tái)的卷煙成品入庫任務(wù)，統(tǒng)計(jì)從發(fā)生故障到單車正常運(yùn)行的耗時(shí)。各測試重復(fù)3次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3 可見，改進(jìn)后穿梭車系統(tǒng)入庫能力由55.0 盤/h 提高到65.3 盤/h，有效提高了卷煙成品入庫效率。改進(jìn)前的獨(dú)立雙車運(yùn)行模式，無法切換為單車模式承擔(dān)所有碼垛站臺(tái)的入庫任務(wù)；改進(jìn)后的一軌雙車運(yùn)行模式，當(dāng)穿梭車發(fā)生故障時(shí)可及時(shí)切換為單車應(yīng)急模式，承擔(dān)所有碼垛站臺(tái)的入庫任務(wù)，平均切換耗時(shí)5 min/次。由于生產(chǎn)入庫需求為37.4 盤/h，即入庫申請最快為1.6 min/盤，5 min 內(nèi)入庫站臺(tái)僅多緩存3 盤煙，穿梭車能夠及時(shí)搬運(yùn)托盤，滿足生產(chǎn)入庫需求。采用單車應(yīng)急模式可保障物流不發(fā)生中斷，當(dāng)穿梭車修復(fù)后再由應(yīng)急模式恢復(fù)為正常模式。

表3 改進(jìn)前后穿梭車入庫能力對(duì)比①Tab.3 Comparison of cigarette warehousing capacityof shuttle vehicles before and after improvement

4 結(jié)論

在現(xiàn)場電控層面，通過AB 與PHOENIX 跨平臺(tái)PLC 交互，以及PHOENIX 同平臺(tái)PLC 交互，基于往復(fù)式穿梭車設(shè)計(jì)了跨平臺(tái)多PLC 控制方式的一軌雙車運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了雙車正常模式與單車應(yīng)急模式之間的快速切換。以玉溪卷煙廠卷包車間為對(duì)象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后穿梭車系統(tǒng)入庫能力提高10.3 盤/h，有效提高了入庫效率；雙車模式與單車應(yīng)急模式之間的切換時(shí)間為5 min/次，能夠滿足生產(chǎn)入庫需求，保障物流不中斷，提高了穿梭車運(yùn)行可靠性。