黃宇超
上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司
AGV(Automated Guided Vehicle,自動導(dǎo)引運(yùn)輸車)是自動化集裝箱碼頭主要運(yùn)輸工具,AGV電池組均為鋰電池,在碼頭AGV行駛區(qū)域設(shè)有機(jī)會充電裝置或者換電裝置。目前,廈門遠(yuǎn)海和青島自動化碼頭采用機(jī)會充電方式,某大型自動化碼頭采用的是鋰電池更換的方式。機(jī)會充電一般在電池的電量低于指定電量時,車隊管理系統(tǒng)會自動給AGV下發(fā)充電指令,AGV回到充電樁處進(jìn)行充電;電池更換方式則是當(dāng)AGV的電池電量低于指定電量時,AGV VMS(Vehicle Management System,運(yùn)輸車調(diào)度系統(tǒng))給AGV下達(dá)換電任務(wù),AGV根據(jù)VMS的調(diào)度按生成的路徑前往換電站進(jìn)行電池更換,整個進(jìn)出換電站的電池包更換過程不到10 min,完成電池包更換后,AGV可以持續(xù)高效運(yùn)行。
通過對國內(nèi)外自動化碼頭已有的充換電方式進(jìn)行分析比較,在借鑒其他碼頭成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計了滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的換電站布局模式。
換電站的硬件設(shè)備主要由換電機(jī)器人、充電機(jī)組和充換電倉位組成。
機(jī)器人是換電站的重要組成部分,主要通過行走、升降和貨叉伸縮3個機(jī)構(gòu)的動作完成電池包換電,需要對各個電機(jī)的驅(qū)動器精準(zhǔn)控制(見圖1)。機(jī)器人控制系統(tǒng)由核心控制單元集中控制,在控制層采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù),與底層的I/O、驅(qū)動模塊以及人機(jī)界面進(jìn)行通訊,用以太網(wǎng)協(xié)議與BES系統(tǒng)采進(jìn)行通訊。
1.主框架 2.電控柜 3.行走機(jī)構(gòu) 4.升降機(jī)構(gòu) 5.貨叉機(jī)構(gòu)
充電機(jī)組用于對更換下的乏電電池包充電,并通過CAN通訊傳輸電池包的各項(xiàng)內(nèi)部數(shù)據(jù),傳給BES系統(tǒng),作為換電、故障判斷及維護(hù)的重要依據(jù)。通過搭建電池架,分隔各個充換電池倉,倉位對應(yīng)相應(yīng)的換電車道、機(jī)器人等,并通過浮動頭接插件與電池包連接,對電池進(jìn)行充電。
換電控制系統(tǒng)從上到下由TOS(Terminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))、VMS(Vechicle Management System,車隊調(diào)度系統(tǒng))、BES MS(換電管理系統(tǒng))、BES(換電站系統(tǒng))以及底層機(jī)器人等設(shè)備及系統(tǒng)組成(見圖2)。其中TOS和VMS能夠?qū)Q電站的信息交互到整個港口的信息自動化系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)換電站的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的監(jiān)控和管理,達(dá)到無人值守自動換電的功能。自動換電的任務(wù)是由TOS直接下發(fā)的,經(jīng)由VMS到BES MS,BES MS將指令傳給底層的機(jī)器人或者充電設(shè)備,從而執(zhí)行充換電功能。而BES換電模式則由維護(hù)人員直接在操作界面上操作。BES監(jiān)控界面實(shí)時顯示每個充電機(jī)、換電機(jī)器人和各個閘門的狀態(tài),換電站所有設(shè)備的最新狀態(tài)都可在監(jiān)控界面上查詢到,維護(hù)人員在進(jìn)行操作前,通過觀察分析相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài),從而進(jìn)行各項(xiàng)功能操作和日常的維護(hù)工作。
圖2 換電系統(tǒng)拓?fù)鋱D
目前該自動化碼頭的前期階段使用110臺AGV,后續(xù)階段的AGV規(guī)模會增加至135臺。
設(shè)計大小換電站2個,分為1#換電站(大站)和2#換電站(小站),2個換電站分別位于碼頭的東西兩側(cè),當(dāng)前配備的備用電池包數(shù)量為39個,分布在2個換電站的3條換電車道內(nèi)。
3.2.1 小站布局(2#換電站)
小站設(shè)有1條換電車道(A道),1個換電工位,以及4×6的24個電池倉格(見圖3)。目前在用1臺換電機(jī)器人,1至4層電池倉全部投入使用,共計16個工位,配置15個備用電池包。2#換電站采用單側(cè)進(jìn)出的換電設(shè)計,配備有一扇自動開閉的閘門,采用南進(jìn)南出的換電路徑。
圖3 2#換電站示意圖
3.2.2 大站布局(1#換電站)
大站設(shè)有2條換電車道(B/C道),分海陸兩側(cè),共計4個換電工位,以及兩側(cè)5×7的70個電池倉格(見圖4)。大站兩側(cè)分別在用1臺換電機(jī)器人,各投入1至3層的16個電池倉,共計32個,配置30個備用電池包。后續(xù)根據(jù)AGV的運(yùn)行數(shù)量,以及換電能力等綜合因素陸續(xù)配置機(jī)器人與電池倉位。大站兩側(cè)為貫穿式的換電設(shè)計,共有4扇自動開閉閘門,可采用西進(jìn)東出的穿越式路徑,以及西進(jìn)西出、東進(jìn)東出的多種路徑組合方式。
圖4 1#換電站示意圖
換電任務(wù)的發(fā)起主要是通過底層單機(jī)檢測電池包的SOC(State of Charge,荷電狀態(tài)),并逐級上傳至TOS,再由TOS根據(jù)設(shè)定的換電電量閾值,對未執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的低電量AGV進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)AGV電量低于設(shè)定閾值后,會自動生成一條換電任務(wù),VMS會根據(jù)實(shí)時收集的換電站備用包數(shù)量、可換電池數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息,針對該AGV生成最優(yōu)的路徑,該AGV將根據(jù)路徑行駛至目標(biāo)換電工位執(zhí)行換電任務(wù)。
當(dāng)AGV抵達(dá)換電工位并具備換電條件后,BES會根據(jù)空倉、充電中、待機(jī)及故障等倉位的實(shí)時信息,選取存入乏電電池以及取出滿電電池的目標(biāo)倉位。目前BES基本的換電策略是滿電狀態(tài)、且SOC最高的電池作為優(yōu)先選取,其次會選擇處于恒壓充電階段電池中SOC較高的電池,最后則是選擇SOC已經(jīng)大于90%、正在充電或待機(jī)狀態(tài)的電池,若沒有一個電池包滿足上述各項(xiàng)條件,則該條換電車道會顯示無可更換電池,該條換電車道或換電工位不會被VMS調(diào)度。
針對自動化碼頭AGV實(shí)際作業(yè)中換電需求的特性,為了減少AGV進(jìn)站換電時的排隊等待時間,同時降低換電過程中VMS對AGV調(diào)度的影響,大站采用了當(dāng)前最先進(jìn)的雙機(jī)器人雙工位的換電模式。該模式考慮了電池包的電量以及車輛在不同方向進(jìn)站的差異等條件約束下,通過協(xié)調(diào)AGV作業(yè)任務(wù)與換電機(jī)器人,改變原有的單工位換電模式,交錯不同的AGV到站時間,協(xié)調(diào)AGV從不同站點(diǎn)進(jìn)入,以減少所有車輛的排隊和等待時間。
隨著前期單工位機(jī)器人換電策略穩(wěn)定運(yùn)行,后續(xù)需要再新增2臺機(jī)器人、1批充電工位及備用包,以滿足現(xiàn)場雙工位工況。下面以大站C道為例對新方案進(jìn)行說明,1~3列至少1個空倉作為中轉(zhuǎn)倉,4列至少1個空倉作為中轉(zhuǎn)倉,5~7列至少1個空倉作為中轉(zhuǎn)倉,因此以4×7=28個工位計算,至少3個空倉作為中轉(zhuǎn)倉,最多放置25個可換電池包(見圖5)。
圖5 C道充電機(jī)與換電工位布局
雙工位換電時,C1、C2機(jī)器人各自的職責(zé)范圍和工況簡單描述如下:
C1機(jī)器人負(fù)責(zé)1~3列及C1換電工位換電,C2機(jī)器人負(fù)責(zé)5~7列及C2換電工位換電;第4列在雙機(jī)器人模式下,處于禁用狀態(tài),用于放備用電池包、故障電池包、電池包測試、檢修電池包倒包中轉(zhuǎn),在單機(jī)器人模式下正常換電使用。
當(dāng)C1機(jī)器人故障時,將C1機(jī)器人停至最西側(cè),1列打檢修,放出4列,C2機(jī)器人可以進(jìn)行C2工位、2~7列換電;當(dāng)C2機(jī)器人故障時,將C2機(jī)器人停至最東側(cè),放出4列,C1機(jī)器人可以進(jìn)行C1、1~7列換電。
以上方案示例主要用于確定機(jī)器人在同時雙工位進(jìn)車換電下的職責(zé)分工,由于更換電池的操作需要對空倉、滿電倉二次操作。若雙機(jī)器人采用單軌避讓的運(yùn)行模式,會發(fā)生重復(fù)避讓,或者是過長等待時間的情況,失去了雙機(jī)器人和雙工位的優(yōu)勢,因此采用分區(qū)域分工換電的運(yùn)作模式,能夠在現(xiàn)有的空間和結(jié)構(gòu)下,把換電的效率提到最高。
在確定了上述的換電運(yùn)作模式后,對于后續(xù)充電機(jī)以及備用包的整體布局基本框架就有了明確的方向,后續(xù)增加25臺AGV,每臺車1個電池包,需要25個,主要通過以下3種方案進(jìn)行大小站相應(yīng)的配比,確定最終大站的設(shè)備布局模式。
5.3.1 各方案新增電池包及工位數(shù)量對比
方案一:大站新增雙機(jī)器人模式一,4層放滿,空3個空倉;小站不變,15個備用包。擬增加26個電池包,24個工位。則最終大站B/C車道分別為28個工位+25個備用包,共計56個充電工位,50個備用包(見圖6)。
圖6 換電站新增設(shè)備方案一
方案二:大站新增雙機(jī)器人模式二,1至3列4層放滿,空倉1個;4列空置;5至7列4層放滿,空倉1個;小站不變,15個備用包。擬增加20個電池包,24個工位。則最終大站B/C車道分別為28個工位+22個備用包,共計56個充電工位,44個備用包(見圖7)。
圖7 換電站新增設(shè)備方案二
方案三:大站新增雙機(jī)器人模式二,與方案二相同;小站轉(zhuǎn)運(yùn)2個備用包至大站,減至13個備用包。擬增加18個電池包,24個工位。則最終大站B/C車道分別為28個工位、22個備用包,共計56個充電工位,44個備用包(見圖8)。
圖8 換電站新增設(shè)備方案三
5.3.2 方案對比結(jié)論
根據(jù)已確定的換電運(yùn)作模式布局,對上述3個配置方案進(jìn)行對比,得出以下結(jié)論:
(1)大站新增機(jī)器人后,每個車道(B/C道)均為雙機(jī)器人,充電工位的布局,必須4層7列全部排滿,以滿足雙機(jī)器人的換電覆蓋面積;無論備用包的數(shù)量及換電方式的變化,工位的新增數(shù)量不變,均為大站新增24個。
(2)雙機(jī)器人由于大車同軌,考慮和分析充電工位間距等各項(xiàng)綜合因素,以第4列為中間禁用列,兩側(cè)各覆蓋12個工位,可完全避免因干涉或不必要的避讓等待導(dǎo)致的換電效率降低。
(3)方案一的優(yōu)勢在于根據(jù)換電布局和配置方案,能夠提高大站的換電能力,隨著設(shè)備設(shè)施的使用,后續(xù)的故障等問題勢必增多,備用包數(shù)量適當(dāng)放寬,比較有利于堆積的故障電池包及時更換出站,同時有利于后續(xù)針對電池包的預(yù)防性維修,或者是更新升級等,但是前期的投入會比其他兩個方案略高。
(4)方案二綜合方案一和三,在換電機(jī)器人覆蓋數(shù)量上比較平均,小站機(jī)器人也可以在大站某一根車道完全無法換電時,滿足基本換電需求。但是在日常維護(hù)以及設(shè)備維修、更新時,會較嚴(yán)重地影響充電機(jī)和備用包的出勤率,導(dǎo)致影響整體的換電效率。
(5)方案三的優(yōu)勢主要在于采購的備用包數(shù)量比方案一要少8個,初期投資較少,后續(xù)可以陸續(xù)新增直至方案一最終成形。劣勢在于新增的AGV數(shù)量如果不變的話,每個機(jī)器人換電覆蓋的備用包數(shù)量較少,在AGV全勤的情況下,基本可以滿足現(xiàn)場換電需求;一旦出現(xiàn)了某個機(jī)器人故障或某個車道無法換電時,電池包出勤數(shù)量就會受到影響,并且電池包故障一旦堆積,每個機(jī)器人覆蓋的備用包數(shù)量會嚴(yán)重下降,極大地影響換電的效率及平衡性。
(6)綜合現(xiàn)有因素、現(xiàn)場工況、日常維護(hù)、故障率以及今后電池包故障等因素,在預(yù)算允許范圍內(nèi),確定好換電的方案布局,同時采用配置方案一能夠最大程度地釋放大站換電能力,是一種可選方案。
AGV充換電站是自動化碼頭的重要組成部分,通過對換電站站內(nèi)布局設(shè)計的研究和分析,結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備配置,以及可實(shí)現(xiàn)的整體架構(gòu),確定最有效率且合理的布局方式。實(shí)踐表明,在配置AGV數(shù)量持續(xù)增加的情況下,備用電池及換電設(shè)施設(shè)備的增加勢在必行,采用該方案具有先進(jìn)性。