基于無人天車技術的物流設備智能集群控制系統

張春杰

摘 要：通過充分解讀“中國制造2025”戰略部署，以推進鋼鐵企業智能制造為目的，研發基于無人天車技術的物流設備智能集群控制系統，增強企業信息建設中物流設備與生產環節信息的銜接，實現更積極的物流流轉狀態，同時保證物料信息不落地，貫通整個生產物流流程。系統功能包括物流設備列表、障礙物數據庫、天車障礙物避讓、過跨車與天車統一調度、步進梁與天車協同配合、天車安全避讓機制、運輸汽車管理。

關鍵詞：無人天車；智能集群；自動控制

中圖分類號：F713 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0023-02

1 前言

隨著這“中國制造2025”戰略的部署與推進，智能、網絡、協同與控制技術和無人控制技術得到了空前發展。鋼鐵企業作為第二產業的排頭兵，肩負著建設智能化現代工廠的歷史使命。

國內大型鋼鐵企業目前均已進入自動化生產時代，主要產線都有相應的信息化管理和控制功能，但是在企業內部的物流管理中還存在著不同程度的薄弱環節，特別是信息系統建設中物流設備與生產環節信息的銜接，生產部分不能作為獨立信息節點納入到物流管理中，不易實現產品全流程信息追溯。

冶金物流設備包括原料入庫天車、上線天車、原料過跨車、上線步進梁、下線步進梁、下線天車、中間庫過跨車、成品庫過跨車、出庫天車、運輸汽車等設備。其中，上下線步進梁作為生產和物流交互設備，具有雙重身份。現有物流管理對于這些設備屬于松散管理，沒有統一調度和控制，容易造成運力浪費，影響物流流轉效率。

2 系統設計

2.1 系統架構

為了實現物流設備最優行走路徑，設備集群控制，提高整體系統的運行效率。結合一級PLC系統對現場信息采集的優勢，對系統進行模塊化編程，將整個程序分為若干個功能塊。由主程序開始依次調用，分為以太網通訊、設備狀態檢測、出入庫汽車位置坐標定點、步進梁鞍座位置坐標定點、過跨車位置坐標定點、天車三維空間坐標定點、庫區障礙物信息采集、設備動作命令發布這一流程劃分程序模塊，程序流程圖如圖1所示。

系統采用Oracle數據庫來存儲與管理數據。Oracle數據庫可以很好地實現本系統對數據庫的頻繁訪問，大流量的數據訪問和及時的數據交換。系統數據庫主要包含如下數據表：設備狀態檢測數據表、出入庫汽車位置坐標定點數據表、步進梁鞍座坐標定點數據表、過跨車位置坐標定點數據表、天車三維空間坐標定點數據表、庫區障礙物信息數據表、設備動作命令發布數據表。

2.2 搭建物流設備列表

搭建物流設備列表，將設備納入到統一系統中。冶金物流設備包括入庫汽車、原料入庫天車、上線天車、原料過跨車、上線步進梁、下線步進梁、下線天車、中間庫過跨車、成品庫過跨車、出庫天車、出庫汽車等設備。這些設備分別分布在廠區的原料庫、軋后庫、成品庫，分別鏈接物流工藝的原料入庫、原料上線、成品下線、成品庫內流轉、成品發貨等流程。

通過對設備運行關鍵性分析，得出運輸汽車、步進梁、過跨車、天車是物流關鍵設備的結論，在系統中對這些設備實現自動控制和集群調度。

2.3 設立障礙物數據庫

在庫房的整個工作區域內，包含了各種地面附著物、鋼結構和機械設備，這些設備的存在因其不可移動，形成了物流設備工作空間內的靜態障礙物。相對的，庫房內還有許多可移動障礙物，比如運輸汽車、可移動的貨物等，由此形成物流設備工作空間內的動態障礙物。這兩種障礙物在設備工作過程中，特別是天車工作的時候，對設備安全造成了極大的磕碰隱患，因此，系統在調度設備運行時要合理避讓這些障礙物。

為了更加合理的避讓障礙物，需要對整個庫房內的障礙物做如下梳理：

建立以庫區西北角為原點、大車方向為X軸、小車方向為Y軸的平面坐標系。

查驗各個靜態障礙物的位置、大小、高度信息等。將不規則的障礙物形狀簡化成矩形形狀，矩形以地面為投影背景，形成四邊分別平行于坐標系X軸和Y軸的矩形，矩形應完整包含障礙物并留有一定的安全距離作為天車停止緩沖地帶。

建立系統內步進梁、過跨車、天車和車輛識別系統的通訊和資源共享機制，獲取各個動態障礙物的可移動范圍、大小、高度信息、最終停止位置等。根據實際測量，將靜態障礙物的矩形化投影位置、大小、高度等信息固化到障礙物信息表中；將動態障礙物的矩形化投影可移動范圍、大小、高度信息、最終停止位置等關聯到障礙物信息表中。由此形成設備障礙物信息。

2.4 天車障礙物避讓

由分析得知，在設備運行中存在障礙物避讓需求的設備只有天車，因此針對天車研發天車障礙物避讓功能。天車障礙物避讓是直接影響天車工作效率和工作安全的重要功能，障礙物避讓的優劣直接決定了系統運行的平穩性、流暢性和安全性。投入避讓的系統在安全避讓障礙物的基礎上充分考量通過效率和運行平穩等因素，采用了以主從控制理念實現準矢量控制的控制方案。

將天車大車和小車運行方向，分別命名為X和Y。無人天車行進過程中，需要對X和Y方向上有無障礙物進行多次判斷。若有n個障礙物，則對應的X和Y值也有n次變化，并據此將一個工單分解成n+1個工單，每一個工單的行走路徑都是基于工單分解中X和Y值變化而規劃的，使每一個障礙物的物理坐標成為一個天車行進過程中的路徑拐點。

2.5 設備集群控制

設備集群控制是指有交互作業的物流設備在協同工作時由于工作空間重疊而引起的移動沖突和工作交互。設備集群控制包括過跨車與天車統一調度、步進梁與天車協同配合、天車間安全避讓機制、運輸汽車管理。過跨車與天車統一調度能夠有效提升原料和成品在庫房內過跨調度的流暢性和安全性；步進梁與天車協同配合直接影響生產線工作節奏和工作效率；天車間安全避讓機制是系統最重要的安全保障和效率提升途徑，系統在安全避讓其它天車的基礎上充分考量工作效率和運行安全等因素，采用了以硬防撞為最終安全屏障，預防針和軟防撞為主要防撞手段的多級防撞控制方法；運輸汽車管理不僅能夠提前調度運輸車輛進入等待位，還能貫通生產物流與廠際間物流，強化運輸汽車調度能力，增強物流收發能力。

下面詳細說明此控制功能：

2.5.1 過跨車與天車統一調度

將過跨車進行PLC改造，增加過跨車定位傳感器，采集過跨車位置信息，建立過跨車與天車間數據通訊。因為過跨車使用頻率遠低于天車使用頻率，因此在系統中設定過跨車優先級低于天車，過跨車根據天車工單進行工作。

2.5.2 步進梁與天車協同配合

步進梁作為生產線的延展，分為上線步進梁和下線步進梁，其作用主要是為產線提供原料和輸出產線成品。步進梁具有雙重身份，首先是與生產線聯系極為緊密，步進梁工作節奏直接影響生產線生產節奏；其次步進梁作為上線和下線設備，是物流流程的重要一環。為了合理分配步進梁工作任務，系統將步進梁與天車進行數據通訊，天車為上線步進梁提供上線原料信息，下線步進梁為天車提供下線成品信息和位置信息，保證原料和成品信息不落地。步進梁接收天車發送的鎖定和解鎖定命令，由此區分步進梁雙重身份。

2.5.3 天車安全避讓機制

天車安全避讓機制主要分為三個層面，分別為設立硬防撞、設立軟防撞和設立預防撞。

首先，在無人天車大車梁兩側，安裝兩套模擬量傳感器和數字量傳感器，共計4套防撞傳感器，以此保證正常運行條件下，無人天車的運行安全性。

其次，在無人天車控制程序內添加相鄰天車距離判斷和通信判定，以期在觸發硬防撞之前，先期判斷出可能發生的碰撞，提前控制天車降速或停車，保證天車以更平緩的狀態剎車。

最后，預防撞的根本在于協調多部天車的協同工作，使多部天車同時工作中，不發生可能出現的防撞現象。

2.5.4 運輸汽車管理

根據物流管理的實際需求，將進出廠區的運輸汽車納入到集群控制系統中，進行詳細路由跟蹤，采集識別運輸汽車信息，生成汽車跟蹤信息情報，建立汽車跟蹤匯總表。匯總表內容包括：裝配單號、車牌號、車輛IC卡號、裝/卸卷停車位置、負載鋼卷數量、需裝卸鋼卷數量、入庫/出庫狀態、是否檢驗等信息。其中裝配單號可以展開瀏覽，涉及內容包括鋼卷號、寬度、外徑、內徑、重量、鋼種、厚度、產品質量、裝卸卷順序等信息。汽車運輸管理擁有車輛預約功能，能夠優化指定汽車停待位，顯著提高裝卸車效率，建立了生產物流與外界的溝通橋梁，貫通了生產物流全流程的最后一環。

3 結語

基于無人天車技術的物流設備智能集群控制系統不僅能夠對設備間的防撞、沖突進行系統化的管理與控制，更能夠合理協調調動設備間的工作關系，由此實現更積極的物流流轉狀態，同時保證物料信息不落地，貫通了整個生產物流流程。通過將冶金物流設備納入到統一系統中，提升物流設備與信息化系統的契合度，提升設備調度能力和整體物流作業率，有效減少人工用量，減少不必要設備運行，保證物流流轉過程中信息跟蹤可持續，實際意義重大。