李曉濤,李朝暉,趙松濤,侯吉良,姜東升
(1.廣東省智能機(jī)器人研究院,廣東東莞 523808;2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司,湖南株洲 412000)
智能制造[1]中物料需求的多樣性、離散性、多變性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)多樣性。智能制造中的物料需求不僅包括原材料、半成品、產(chǎn)成品等基礎(chǔ)物料,還包括各種生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、維修工具等輔助物料,以及生產(chǎn)過程中的各種消耗品等。這些物料種類繁多,規(guī)格各異,需要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度的要求進(jìn)行合理配置和調(diào)度。
(2)離散性。智能制造中的物料需求通常是非連續(xù)的、離散的。每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有其特定的物料需求,不同環(huán)節(jié)之間的物料需求相互獨(dú)立。同時,由于生產(chǎn)設(shè)備的自動化和智能化程度較高,生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)各種不可預(yù)測的異常情況,如設(shè)備故障、質(zhì)量缺陷等,這些因素也會導(dǎo)致物料需求的離散性。
(3)多變性。智能制造中的物料需求是動態(tài)的、多變的。在生產(chǎn)過程中,物料需求會隨著生產(chǎn)進(jìn)度的變化而不斷調(diào)整,如由于生產(chǎn)計(jì)劃的變更、設(shè)備故障等原因?qū)е律a(chǎn)進(jìn)度發(fā)生變化,從而對物料的需求產(chǎn)生影響。此外,由于市場需求的變化、產(chǎn)品升級換代等因素,也會導(dǎo)致物料需求的多變性。
利用RFID 技術(shù)[2]對物料進(jìn)行識別和追蹤。在物料上粘貼RFID標(biāo)簽,通過讀取設(shè)備對標(biāo)簽進(jìn)行掃描,可以實(shí)現(xiàn)物料的快速、準(zhǔn)確識別。同時,RFID 技術(shù)還可以對物料的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時追蹤,如物料的位置、庫存、使用情況等,從而更好地掌握物料的需求情況。
利用PLC技術(shù)[3]對物料進(jìn)行自動化控制。在生產(chǎn)線上,可以利用PLC技術(shù)對物料進(jìn)行自動化控制,如自動化輸送、自動化排序等,從而減少人工干預(yù),提高生產(chǎn)效率。同時,PLC 技術(shù)還可以與上位機(jī)進(jìn)行通信,將生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和傳輸,以便更好地掌握生產(chǎn)情況。
利用AGV 技術(shù)[4]對物料進(jìn)行自動化搬運(yùn)。AGV 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物料在倉庫和生產(chǎn)線之間的自動化運(yùn)輸和搬運(yùn),從而減少人工搬運(yùn)的勞動強(qiáng)度和錯誤率。同時,AGV 技術(shù)還可以通過無線通信與上位機(jī)進(jìn)行通信,將生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和傳輸,以便更好地掌握生產(chǎn)情況。
本文利用協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)的協(xié)同工作。通過RFID、PLC、AGV 等技術(shù)的協(xié)同工作,可以實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和信息交流,從而更好地掌握生產(chǎn)情況,提高生產(chǎn)效率。同時,協(xié)同技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)整,如對生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化、對設(shè)備故障的及時處理等。基于RFID、PLC、AGV 協(xié)同的智慧物料系統(tǒng)可以通過自動化、智能化地方式解決智能制造中物料需求的多樣性、離散性、多變性帶來的問題,從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。
某保健品生產(chǎn)企業(yè)的包裝車間包裝材料的自動配送。用料車間在2 樓,包裝材料倉庫在1 樓,1~2 樓之間有3部專用電梯。車間有5 條包裝生產(chǎn)線,一條包裝生產(chǎn)線需要9~11 種物料,一個產(chǎn)品的批次所需物料是固定的,也即確定的產(chǎn)線、確定的生產(chǎn)批次,其工位所需物料的種類是確定的。
在本文所述系統(tǒng)投入使用之前,物料的配送是手推車完成的,工位叫料通過對講機(jī)呼叫完成。主要問題是溝通效率低、備料和運(yùn)送目地容易出錯、配送任務(wù)管理難度大。
該物流場景的智能化改造,要達(dá)到如下目標(biāo):(1)改造料車(載具),使其適合AGV 運(yùn)送,同時在適當(dāng)位置放置磁鐵抗金屬RFID;(2)二樓工位一鍵叫料,呼叫成功后指示燈自動點(diǎn)亮;(3)AGV 送料到達(dá)工位后指示燈自動熄滅;(4)可設(shè)置AGV送料到達(dá)工位后是否等待工人清空料車后再回收空料車,或者立即放下料車然后執(zhí)行其他任務(wù);(5)二樓工位一鍵叫車(AGV)回收空料車,呼叫成功后指示燈自動點(diǎn)亮;(6)AGV 到達(dá)工位并馱走料車后指示燈自動熄滅;(7)一樓備料區(qū)部署揀選任務(wù)及配送任務(wù)看板[5],包括任務(wù)創(chuàng)建時間、等待時間、執(zhí)行狀態(tài)等信息;(8)揀選物料放置到料車,并將對應(yīng)的RFID 放置在車把手預(yù)設(shè)的位置;(9)在二樓電梯口上側(cè),部署RFID 讀頭(識別距離5 m)并連接到任務(wù)調(diào)度服務(wù)器,用于讀取料車上的RFID 標(biāo)簽;(10)在二樓電梯口旁側(cè),部署一個PLC 控制的帶燈按鈕(綠色),PLC 同樣連接到任務(wù)調(diào)度服務(wù)器,用于人工確認(rèn)RFID 標(biāo)簽文字和物料是否一致,一致則按下綠色按鈕發(fā)出叫車指令并等待AGV 過來運(yùn)走,否則手工控制電梯將料車退回一樓處理;(11)AGV 根據(jù)任務(wù)調(diào)度服務(wù)器的指令,在電梯和工位之間運(yùn)送料車,電梯到工位運(yùn)送的是裝有物料料車,工位到電梯運(yùn)送的是空料車;(12)RCS系統(tǒng)[6]負(fù)責(zé)監(jiān)控AGV的電池電量并自動充電。
AGV 選用MiR250 自主導(dǎo)航機(jī)器人,負(fù)載為200 kg,最大速度為1.5 m/s,電池續(xù)航為12 h,尺寸為800 mm×580 mm×300 mm。負(fù)載對接方式為卡槽+頂升。本例中使用3臺可滿足配送任務(wù)。
PLC 選用臺達(dá)DVP ES3,每個工位用到2 個I 口用于接收按鈕事件2 個O 口用于控制指示燈,一臺PLC 內(nèi)置80 個I/O 口可滿足一個產(chǎn)線的需求,上位機(jī)通過Modbus/TCP[7]與PLC 通信,間接控制I/O 口。每條產(chǎn)線需使用一臺,電梯位置一臺,共6臺。
服務(wù)器采用戴爾(DELL)機(jī)架式服務(wù)器主機(jī)R250至強(qiáng)E-2314 四核2.8 GB/16 GB 內(nèi)存/2T SATA。本例共需2 臺服務(wù)器,RCS(機(jī)器人控制系統(tǒng))使用一臺,WMS(運(yùn)行叫料、叫車、備料看板等配送任務(wù)管理程序,數(shù)據(jù)庫服務(wù),以及PLC上位機(jī)控制等程序)使用一臺。
RFID 標(biāo)簽為抗金屬無源電子標(biāo)簽,可放在不銹鋼手推料車把手上特制的凹槽中,選用SG-UT-298M。在不便做特制凹槽的場景也可要求RFID 參加定制帶磁性的RFID標(biāo)簽,即可讓標(biāo)簽吸附在車把手上。
料車的設(shè)計(jì)需兼容人工手推和AGV潛入頂升馱運(yùn)兩種場景,使用不銹鋼材料制作,底部有6個萬向腳輪,每側(cè)3個。腳輪之上設(shè)計(jì)支架,支架之上為平板,支架高度的設(shè)計(jì)需能配合AGV的潛入和頂升作業(yè),平板底部卡槽和擋板的設(shè)計(jì)需能配合AGV 負(fù)載機(jī)構(gòu)的形態(tài)。如圖1所示。
圖1 AGV馱運(yùn)料車途中
本文的帶燈按鈕開關(guān)的開關(guān)是常閉觸點(diǎn)式按鈕,指示燈邏輯上和開關(guān)的開/閉是分離的,也即燈的亮/滅并非指示開關(guān)的開/閉,而是指示相關(guān)的物流任務(wù)狀態(tài)。工位紅燈按鈕按下,紅燈亮?xí)r,表示工位需要補(bǔ)充物料,而且系統(tǒng)已收到該工位的叫料消息,AGV 運(yùn)來物料后,紅燈自動熄滅。工位綠燈按鈕按下,綠燈亮?xí)r,表示工位有空料車需運(yùn)回倉庫,而且系統(tǒng)已收到該工位的叫車消息,AGV 過來馱起空料車后,綠燈自動熄滅。電梯門打開時,如果有料車,RFID 讀頭會讀到RFID 標(biāo)簽id,該id 對應(yīng)某種物料,此時該種物料如果在配送任務(wù)列表中,則電梯側(cè)邊的綠燈按鈕亮起,等待人工確認(rèn)標(biāo)簽和物料是否“帳實(shí)相符”,相符則按下按鈕,系統(tǒng)將派AGV 來運(yùn)送到對應(yīng)的工位,不符則不按下,讀頭讀不到標(biāo)簽時,綠燈將自動熄滅。
看板系統(tǒng)由PC、LCD 大屏電視機(jī)、音箱(語音播報(bào)消息用)組成。主要用于顯示當(dāng)前物業(yè)配送任務(wù)狀態(tài),并對超期任務(wù)進(jìn)行催促和異常進(jìn)行播報(bào)。信息只讀,除對歷史信息進(jìn)行查詢外,看板系統(tǒng)工作于無人值守狀態(tài)。
軟件系統(tǒng)包括RCS、WMS、PLC 上位機(jī)程序3 部分。系統(tǒng)邏輯拓?fù)淙鐖D2所示。
圖2 系統(tǒng)邏輯拓?fù)?/p>
RCS 基于AGV 原廠的MiR-Fleet 系統(tǒng)的API 接口開發(fā)。MiR-Fleet 運(yùn)行于Linux 系統(tǒng),也支持Docker 容器化部署。RCS 子系統(tǒng)監(jiān)控AGV 的狀態(tài)并下達(dá)指令,提供地圖編輯、站點(diǎn)設(shè)置、交通管制、充電管理等功能。提供開放API 接口,以便應(yīng)用程序可以提交運(yùn)送任務(wù),或暫停、終止運(yùn)送任務(wù),收到任務(wù)后,根據(jù)AGV 的位置和可用性,將運(yùn)送任務(wù)分派給適合的AGV。
本例WMS 重點(diǎn)是與PLC 上位機(jī)程序進(jìn)行工位叫料、叫車指令的對接,與PLC 上位機(jī)程序進(jìn)行工位點(diǎn)燈、滅燈指令的對接,物料編碼與RFID的綁定,物料運(yùn)送任務(wù)的創(chuàng)建,與RCS 的通信將運(yùn)送任務(wù)分派給AGV,備料區(qū)看板內(nèi)容的更新等。WMS用Java Spring boot[8]開發(fā),運(yùn)行于Windows 10,數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL[9]。
該程序的作用可以理解為PLC與WMS之間的傳輸轉(zhuǎn)換。三者之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為Modbus/TCP 和http,PLC←Modbus/TCP→上位機(jī)程序←http→WMS。主要業(yè)務(wù)是叫料、空車運(yùn)回任務(wù)的創(chuàng)建,以及物料防錯確認(rèn)。其中叫料流程如算法1所示。
空車運(yùn)回任務(wù)創(chuàng)建、物料防錯確認(rèn)的流程和算法,與叫料任務(wù)創(chuàng)建類似。
看板子系統(tǒng)是前后端分離[10]的Web 應(yīng)用程序,后端用Java Spring boot 開發(fā),前端用Vue.js[11]開發(fā)。主要功能是在大屏上顯示備料、空料車退回、錯料退回相關(guān)的任務(wù),對倉庫備料進(jìn)行作業(yè)指導(dǎo)。當(dāng)有叫料任務(wù)創(chuàng)建、備料任務(wù)超期、“帳實(shí)不符”的物料退回一樓等事件發(fā)生,以及任務(wù)由AGV 接手后,屏幕更新信息,并對重要信息進(jìn)行語音播報(bào)??窗遄酉到y(tǒng)還可以顯示配送中的任務(wù),以及已完成的歷史任務(wù)??窗逑到y(tǒng)顯示信息的更新,是根據(jù)WMS 維護(hù)的物料/料車運(yùn)送任務(wù)列表中的狀態(tài)進(jìn)行分級顯示,如算法2所示。
系統(tǒng)交互邏輯如圖3所示。按功能邏輯劃分,有工位PLC子系統(tǒng)、電梯口物料防錯子系統(tǒng)。圖中WMS子系統(tǒng)和看板子系統(tǒng)合稱為“任務(wù)調(diào)度”。主要步驟及接口如下所述。
圖3 軟件系統(tǒng)交互邏輯
(a)工位叫料按鈕按下,PLC 對應(yīng)的輸入口收到信號;叫料任務(wù)創(chuàng)建成功后,PLC 對應(yīng)的輸出口點(diǎn)亮指示燈(綠燈)。
(b)工位空車運(yùn)回按鈕按下,PLC 的輸入口收到信號;空車運(yùn)回任務(wù)創(chuàng)建成功后,PLC 對應(yīng)的輸出口點(diǎn)亮指示燈(綠燈)。
(c)PLC 與其上位機(jī)子系統(tǒng)的雙向通信,采樣Modbus/TCP 協(xié)議,上行為按鈕按下信號,下行為指示燈的亮和滅控制。
(d)PLC 上位機(jī)子系統(tǒng)與WMS 子系統(tǒng)的雙向通信,采用http 協(xié)議。PLC 上位機(jī)子系統(tǒng)收到信號后,根據(jù)輸入口的地址得到工位編號以及信號類型(叫料或空車運(yùn)回),并構(gòu)建運(yùn)輸任務(wù)發(fā)送給WMS子系統(tǒng)。當(dāng)WMS收到RCS 子系統(tǒng)發(fā)來的AGV 運(yùn)輸?shù)秸鞠r,根據(jù)對應(yīng)的運(yùn)輸任務(wù)屬性,向PLC上位機(jī)子系統(tǒng)發(fā)送滅燈指令。同時,根據(jù)步驟g 獲取的物料是否在叫料列表中,給PLC 上位機(jī)子系統(tǒng)發(fā)物料防錯消息。
(e)WMS 維護(hù)運(yùn)輸任務(wù)的進(jìn)行狀態(tài),并以RESTFul接口[12](基于http的協(xié)議)向看板子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
(f)料車攜帶RFID 電子標(biāo)簽,代表裝運(yùn)的包裝材料。電梯開門后RFID讀頭會識別該標(biāo)簽。
(g)WMS 系統(tǒng)實(shí)時獲取RFID 讀頭當(dāng)前讀到的標(biāo)簽信息。
(h)電梯口設(shè)一個按鈕兩個燈,紅燈表示RFID標(biāo)簽代表的物料不在叫料列表中,綠燈表示叫料列表有該物料。不論是哪種燈,均需要人工按下按鈕系統(tǒng)才會進(jìn)行下一步。這里PLC 的1 個輸入口用于接收按鈕按下信號,2 個輸出接口分別用于點(diǎn)亮/熄滅紅燈和綠燈。注:當(dāng)綠燈亮但是RFID 標(biāo)簽和物料不符時,代表RFID 代表的物料是工位需要的但是料車裝錯物料,此時不能按確認(rèn)按鈕,只要手動將料車送回1 樓,切斷RFID 讀頭的識別,系統(tǒng)將自動控制滅燈。
(i)與步驟c同理,PLC 與其上位機(jī)子系統(tǒng)的雙向通信,采樣Modbus/TCP 協(xié)議,上行為按鈕按下信號,下行為指示燈的亮和滅控制。注:此處的PLC部署在電梯處,與用料工位距離較遠(yuǎn),由于I/O 連線的距離限制,不宜與工位的PLC 共用。PLC 上位機(jī)子系統(tǒng)和PLC 通過以太網(wǎng)連接,可以共用。
(j)WMS 子系統(tǒng)和RCS 子系統(tǒng)通過RESTFul 通信,WMS 子系統(tǒng)有運(yùn)輸任務(wù)時,向RCS 子系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)輸指令。RCS 響應(yīng)該指令時,并向WMS 子系統(tǒng)返回步驟k 執(zhí)行任務(wù)的AGV 編號,WMS 將AGV 編號記錄到運(yùn)輸任務(wù),留待后續(xù)步驟使用。當(dāng)AGV 完成運(yùn)輸任務(wù)時,RCS 子系統(tǒng)向WMS 子系統(tǒng)發(fā)送AGV 到站消息,WMS 子系統(tǒng)根據(jù)AGV 編號確認(rèn)對應(yīng)的運(yùn)輸任務(wù),并修改其狀態(tài)。本例中,AGV 的站點(diǎn)是各個工位和3 個電梯轎廂。叫料運(yùn)輸?shù)牡秸军c(diǎn)是工位,空車運(yùn)回的到站點(diǎn)是轎廂。
(k)RCS子系統(tǒng)是AGV廠家提供的專用系統(tǒng),該步驟包括地圖編輯、站點(diǎn)管理、定位、導(dǎo)航、避碰、交通管制、自動充電、運(yùn)輸任務(wù)分派、工作與故障狀態(tài)采集、預(yù)/告警等。此處關(guān)注的重點(diǎn)是運(yùn)輸任務(wù)分派和工作狀態(tài)采集[13]。
項(xiàng)目的實(shí)施過程,首先是平面地圖編輯[14]和站點(diǎn)設(shè)置,地圖的作用是讓RCS 和AGV 知道現(xiàn)場哪些區(qū)域是禁入?yún)^(qū)(設(shè)備、辦公桌地方)哪些地方可以自由行駛,地圖有個世界坐標(biāo),站點(diǎn)(x,y)表示相對世界坐標(biāo)的位置,并用代號表示每一個站點(diǎn)。
然后建立站點(diǎn)與物流建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,工位站點(diǎn)可配置當(dāng)前生產(chǎn)工藝(產(chǎn)品)所需物料(物料的編號、名稱、型號、一次運(yùn)輸?shù)臄?shù)量)。同時建立RFID 與物料編號的對照表。
測試和驗(yàn)證,從這幾個人機(jī)交互用例[15]著手即可確認(rèn)。
(1)叫料用例:按下叫料按鈕,看綠燈是否點(diǎn)亮,同時檢查看板是否有備料任務(wù)顯示。
(2)備料超時告警:看板備料任務(wù)顯示后,等待足夠長時間(例如10 min),看板系統(tǒng)是否出現(xiàn)語音播報(bào),播報(bào)內(nèi)容是否正確,同時該任務(wù)是否轉(zhuǎn)為紅色文字。
(3)防錯確認(rèn)用例:備料后的料車,先放錯誤的RFID 標(biāo)簽(代表工位不需要的物料),手動推入電梯,送上2樓,檢查2樓電梯口的防錯確處是否顯示紅燈。手動按下按鈕,然后控制電梯將料車退回1 樓,將RFID 標(biāo)簽換成正確的(和物料對應(yīng)),再送上2 樓,并檢查2 樓電梯口的防錯確處是否顯示綠燈。
(4)AGV 運(yùn)輸料車用例:防錯確認(rèn)按鈕按下,檢查綠燈是否熄滅,AGV 是否會過來進(jìn)入轎廂馱走料車,并運(yùn)輸?shù)秸_的用料工位、放下料車、離開,再檢查看板對應(yīng)的任務(wù)是否轉(zhuǎn)移到歷史任務(wù)。
(5)空車運(yùn)回用例:工位從料車中拿走物料,按下空車運(yùn)回按鈕,查看AGV是否會過來運(yùn)走空料車,并運(yùn)送到電梯轎廂、離開,電梯是否自動關(guān)門、自動下行到1樓。
以上是功能方面的測試和驗(yàn)證。性能方面的分析,主要是根據(jù)人工配送系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)實(shí)施后的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析和對比[16]。分析表明,本系統(tǒng)實(shí)施后,減少送料人員3 人,效率提高20.6%,錯料率從0.3%降低至0.06%。
車間內(nèi)部物流相關(guān)的智能化改造,涉及到諸多系統(tǒng)之間的協(xié)同,與物料的容器和載具形態(tài)強(qiáng)相關(guān),與在用系統(tǒng)和在建系統(tǒng)的非標(biāo)適配密不可分,既與IT 關(guān)聯(lián)又與OT關(guān)聯(lián),工藝相關(guān)的來料和用料邏輯千差萬別。建設(shè)車間智慧物流系統(tǒng),需在充分研究物流各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上,深入分析相關(guān)要素在諸多系統(tǒng)上的分布情況,統(tǒng)一規(guī)劃以避免功能的缺失和重疊,對手動和自動化程度的取舍進(jìn)行充分論證并達(dá)成共識。本文論述的智慧倉儲與配送系統(tǒng),考慮了以下幾個關(guān)鍵要素。
(1)標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性。為了實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的協(xié)同,對物料容器和載具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),并確保系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互[17]標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。
(2)自動化與人工干預(yù)的平衡[18]。根據(jù)實(shí)際需求和現(xiàn)有條件,評估自動化設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)勢和局限性,確定哪些環(huán)節(jié)可以完全自動化,哪些需要人工干預(yù)。
(3)系統(tǒng)集成[19]。智慧倉儲與配送系統(tǒng)需要與在用系統(tǒng)和在建系統(tǒng)進(jìn)行集成,對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行深入研究,明確接口和數(shù)據(jù)格式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的平滑過渡。
(4)物料信息的可視化[20]。通過對物料配送的實(shí)時監(jiān)控、RFID 等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對物料信息的實(shí)時獲取和更新,提高物料管理的效率和準(zhǔn)確性。
(5)工藝邏輯的定制化??紤]了工藝相關(guān)的來料和用料邏輯的特征,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求,定制化地設(shè)定物料的存儲和配送邏輯。
(6)可持續(xù)優(yōu)化。可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,以滿足生產(chǎn)需求的變化。當(dāng)擴(kuò)充產(chǎn)線,或產(chǎn)品、批次發(fā)生變更時,系統(tǒng)支持工位用料的綁定和解綁。
(7)安全性。已充分考慮了系統(tǒng)的安全性,包括數(shù)據(jù)安全、設(shè)備安全和操作安全等方面,制定了相應(yīng)的安全策略和應(yīng)急預(yù)案。
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng),同樣適用于加工用料的配送、下線半成品的轉(zhuǎn)儲[21]、成品入倉等使用場景,具有較強(qiáng)的示范和推廣意義。