基于AGV的印花車間漿桶配送系統(tǒng)設(shè)計

武興振，孫利瑞 （北京物資學院，北京 101149）

WU Xingzhen,SUN Lirui (Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China)

印花是印染批處理生產(chǎn)流程中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是將已完成染色工藝的織布印成不同花色布料的生產(chǎn)過程。現(xiàn)行織布印花所需漿料是根據(jù)印花樣式和色彩采取人工配送的方式進行。隨著大規(guī)模定制化生產(chǎn)需求的突增，人工配送漿桶的工作效率問題突顯，規(guī)模化印染企業(yè)雖然在印花技術(shù)和印花設(shè)備上達到了先進水平，但漿料的供給成為制約其順應市場發(fā)展的瓶頸[1]。

1 印花工藝生產(chǎn)物流現(xiàn)狀

印花物流是混合型生產(chǎn)物流過程，包括布匹的連續(xù)型供給和漿料的離散型供給[2]。企業(yè)已實現(xiàn)了批處理生產(chǎn)過程中布匹的自動化連續(xù)供給，但人工配送漿料的離線過程無法適應大規(guī)?；ㄖ朴唵蔚纳a(chǎn)需求，漿料供給效率低下，供給成本居高不下。目前漿料的供給使用漿桶容器進行人工配送，是整個印花生產(chǎn)中用工量最多，信息化和自動化水平最低的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)現(xiàn)狀如下：

（1）漿桶配送數(shù)量大，工人作業(yè)勞動強度高，存在用工難的狀況。具有10臺印花機的印花車間，一天所需運輸?shù)臐{桶數(shù)量多達近千桶，加之相同數(shù)量的殘漿桶回收作業(yè)，運輸任務量巨大。

（2）殘漿造成的浪費和環(huán)境污染。人工配送漿料，多采用單桶多裝以減少配送次數(shù)的方式進行作業(yè)，往往造成生產(chǎn)線上漿料的過多剩余，剩余的漿料無法重復利用，增加了額外的處理成本。

（3）漿桶信息核對靠人工完成，工作效率低下。印染設(shè)備的智能化主要體現(xiàn)在信息流和物流兩方面[3]，但現(xiàn)在生產(chǎn)中工人依靠漿桶外壁粘貼的紙質(zhì)任務單將漿桶配送至相應的工位并進行信息核對，人工匹配核對信息的模式工作效率較低且出錯率高。

（4）人工配送漿桶的作業(yè)模式不能滿足大規(guī)模定制化生產(chǎn)的任務需求?？鞎r尚品牌加速了印花產(chǎn)品的迭代速率，現(xiàn)有漿桶配送方式不能快速響應短周期、多品種、大規(guī)模定制化的生產(chǎn)需求[4]。

2 印花車間漿桶配送方案設(shè)計

印花車間漿桶配送通道與工人共用一個作業(yè)通道，為滿足車間物流的柔性化需求，本文選用磁帶導引AGV作為漿桶配送的運載工具。本章對漿桶與AGV和工位的接駁方式、生產(chǎn)物流布局、AGV工作流程和漿桶信息識別方案等進行設(shè)計使其滿足漿桶配送的生產(chǎn)需求。

2.1 AGV配送漿桶的接駁方式設(shè)計

漿桶配送物流包括漿桶由灌漿區(qū)至各印花機工位和殘漿桶至清洗區(qū)的回流運輸，漿桶在各工位間的自動接駁是自動化配送漿桶的關(guān)鍵。本文選擇使用PLC控制的輥軸輸送帶單元作為漿桶接駁模塊，將該模塊安裝在AGV車身頂部和各工位前作為接駁裝置進行自動接駁，接駁裝置的作業(yè)依靠上位機的指令觸發(fā)，接駁方式如圖1示。

圖1 漿桶接駁方式圖

2.2 漿桶信息識別方案

本文提出構(gòu)建基于RFID標簽的漿桶信息識別系統(tǒng)，以實現(xiàn)漿桶在各流通環(huán)節(jié)的自動信息識別和信息核對功能，提高信息識別的效率和準確率，實現(xiàn)漿桶物流的實時信息追溯。

RFID信息識別系統(tǒng)由讀寫器模塊、天線模塊、標簽模塊（封裝的RFID標簽）、信息傳輸模塊、上位機、中間件軟件和信息識別系統(tǒng)軟件組成。在系統(tǒng)實施方面，需要對RFID標簽進行有效封裝，使其具備防水防污功能，將封裝的RFID標簽置于漿桶底部。RFID讀寫器選用圓形天線，安裝在接駁裝置的輥軸正下方，使其在接駁時能讀取到漿桶底部標簽數(shù)據(jù)。AGV車載接駁裝置讀寫器置于AGV車身內(nèi)部，依靠車載設(shè)備進行供電和通信，備漿區(qū)和生產(chǎn)工位的接駁裝置采用有線供電和有線通信方式實施。

2.3 生產(chǎn)物流布局設(shè)計

生產(chǎn)物流布局設(shè)計是在保證生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)物流涉及的場地和作業(yè)流程進行重新規(guī)劃設(shè)計[5]，以滿足智能化、自動化物流實施的需要。本文將生產(chǎn)車間按功能因素劃分為灌漿區(qū)、印染生產(chǎn)區(qū)、桶庫周轉(zhuǎn)區(qū)，同時根據(jù)生產(chǎn)任務的需要尋找合理場地設(shè)置備漿區(qū)和AGV停泊整備區(qū)。備漿區(qū)作為漿桶的緩存區(qū)，用以調(diào)節(jié)灌漿區(qū)和印染生產(chǎn)區(qū)對漿桶需求的作業(yè)時間差和空間差，提高配送系統(tǒng)對生產(chǎn)需求的快速響應能力，生產(chǎn)物流布局圖2示。

圖2 生產(chǎn)物流布局設(shè)計圖

2.4 AGV調(diào)度系統(tǒng)功能設(shè)計

AGV調(diào)度系統(tǒng)向上連接MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，接收上位機系統(tǒng)的任務信息并反饋任務執(zhí)行信息，向下連接AGV、接駁裝置、通信傳輸裝置、充電機等硬件設(shè)施實現(xiàn)資源調(diào)動和任務的執(zhí)行。

（1）人員管理模塊。人員管理模塊是對使用AGV調(diào)度系統(tǒng)的人員信息進行管理的模塊，可進行人員角色設(shè)定、權(quán)限設(shè)定、人員信息添加、查詢、刪除等功能。

（2）通信傳輸模塊。AGV與調(diào)度系統(tǒng)間依靠無線局域網(wǎng)進行通信，通信傳輸模塊提供AGV、接駁裝置與上位機調(diào)度系統(tǒng)的通信配置功能，包括各設(shè)備的上線功能、下線功能、通信地址修改、通信狀態(tài)查詢等功能。

（3）圖形監(jiān)控功能。圖形監(jiān)控功能可以實時顯示作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地圖路徑信息、AGV信息、接駁工位信息等，并支持AGV在線信息查詢、地圖編輯、工位編輯、路徑交通設(shè)置等功能。

（4）AGV調(diào)度管理模塊。管理者通過該功能模塊可進行AGV小車的手動調(diào)度、任務列表加載、任務優(yōu)先級設(shè)置等任務管理功能。

（5）AGV智能充電。AGV使用電池具有低電量檢測技術(shù)，在電量低于設(shè)定的閥值時，AGV會停止接收新的任務，并在執(zhí)行完當前任務后自主前往充電區(qū)進行充電。

2.5 AGV調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)策略

漿桶的配送采取推動式配送策略，該配送策略是一種主動式策略。企業(yè)新上線配漿調(diào)漿系統(tǒng)具備漿料預估功能，能根據(jù)所印布匹的花色、花型和長度計算各漿料的用量，以實現(xiàn)漿料的主動式配送。MES系統(tǒng)根據(jù)估漿系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向AGV調(diào)度系統(tǒng)下達任務序列，調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度AGV和接駁裝置完成相關(guān)作業(yè)。

2.5.1 任務分配策略

（1）配送優(yōu)先等級策略。AGV系統(tǒng)的配送任務分為調(diào)漿區(qū)至備漿區(qū)的滿漿桶配送、備漿區(qū)至生產(chǎn)工位的滿漿桶配送、生產(chǎn)工位至桶庫清洗區(qū)的殘漿桶配送和桶庫清洗區(qū)至調(diào)漿區(qū)的空漿桶配送。每個配送任務是相互獨立的，并依次賦予從高到低的優(yōu)先執(zhí)行等級，以滿足工位對漿桶的生產(chǎn)需求，提高配送系統(tǒng)的響應速度和配送質(zhì)量。

（2）任務組合優(yōu)化策略[6]。對獨立的配送任務根據(jù)任務執(zhí)行的時間節(jié)點和位置信息等進行多任務的組合優(yōu)化，將組合的連續(xù)性任務分配給對應的AGV，可以增加AGV作業(yè)在時間和空間上的連續(xù)性，減少AGV的空載率，提高整體作業(yè)效率。

2.5.2 路徑規(guī)劃策略

（1）沖突避碰策略[7]。AGV采用集中式調(diào)度模式，AGV和接駁裝置是任務的執(zhí)行體，AGV的路徑規(guī)劃由調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)最短路算法計算給出。對追趕沖突和路口轉(zhuǎn)向沖突可通過車輛路徑預定方式和車速控制方式進行避碰。AGV在行進過程中對前方規(guī)劃的路徑進行一定距離的路徑預定，若前方預定距離內(nèi)沒有其他車輛預定，該路徑被該AGV鎖定，其他車輛不能通過，該車輛通過后路徑解鎖，預定路徑隨車身位置動態(tài)變化。若前面規(guī)劃路徑被預定則進行新路徑的規(guī)劃或控制車速進行預定路徑排隊。

（2）雙向雙通道設(shè)置。AGV通道設(shè)置為雙向雙通道，每個通道方向固定只允許同向車輛順序通過，雙通道之間可在固定區(qū)域通過轉(zhuǎn)彎的方式實現(xiàn)聯(lián)通，該通道設(shè)置方式在路徑設(shè)置層面避免了路徑的沖突，提高車輛的作業(yè)速率。

2.5.3 作業(yè)調(diào)度策略

在AGV調(diào)度作業(yè)中，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)上位MES系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)生成自身的作業(yè)任務，并根據(jù)任務的執(zhí)行優(yōu)先權(quán)進行等級劃分和任務組合，經(jīng)組合的任務序列將以待分配的狀態(tài)加入任務池。調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)待分配任務的位置信息和時間窗信息等將任務池中的任務分配給離任務點最近的AGV。

AGV作業(yè)應遵守以下規(guī)則：

（1）每個AGV在執(zhí)行任務時，只能執(zhí)行一個組合好的任務，組合內(nèi)的任務必須依次執(zhí)行，每個組合好的任務只能被分配給一個AGV。

（2）AGV采用集中式部署，由上位機統(tǒng)一調(diào)度，AGV之間不產(chǎn)生信息交互，AGV之間可通過避障裝置和路徑算法實現(xiàn)避障。

（3）AGV狀態(tài)分工作狀態(tài)、空閑狀態(tài)、待充電狀態(tài)、充電狀態(tài)和故障狀態(tài)。AGV狀態(tài)可根據(jù)自身檢測裝置和任務執(zhí)行情況進行動態(tài)變換。AGV在檢測到自身電量低于設(shè)定的安全閥值時，會自主調(diào)節(jié)自身狀態(tài)屬性至待充電狀態(tài)，待執(zhí)行完接受的任務序列后進行自主充電。

3 漿桶配送系統(tǒng)AGV數(shù)量規(guī)劃模型

在配送系統(tǒng)中可將漿桶運輸任務看作“顧客”，AGV看作“服務臺”，整個調(diào)度系統(tǒng)看作“排隊系統(tǒng)”，通過構(gòu)建排隊論模型[8]，利用AGV的運行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算理想工作條件下的AGV數(shù)量。該AGV數(shù)量規(guī)劃模型以物流AGV總成本最低為目標函數(shù)，以系統(tǒng)中AGV數(shù)量為決策變量，并將物流AGV的等待成本考慮在內(nèi)，建立相關(guān)數(shù)學模型并進行解析。

模型假設(shè)：

（1）調(diào)度系統(tǒng)中AGV運輸任務的達到為泊松流，達到的時間間隔服從參數(shù)為λ的負指數(shù)分布，服務時間服從參數(shù)為μ的負指數(shù)分布，該排隊模型為M/M/C型模型，其中M表示負指數(shù)分布，C表示服務臺數(shù)量（本文中為AGV數(shù)量）。

（2）為方便計算，漿桶運輸忽略從灌漿區(qū)至備漿區(qū)間的運輸過程，只計算漿桶從備漿區(qū)至印花機工位和印花機工位至清洗區(qū)的主要運輸過程。

（3）漿桶運輸?shù)焦の坏那爸脮r間為10分鐘，即漿桶應在生產(chǎn)前的前10分鐘內(nèi)將漿桶配送到位。

（4）漿桶配送到工位的時間未超過前置時間節(jié)點的為正常作業(yè)，超過該時間節(jié)點漿桶未配送到位，該任務會受到生產(chǎn)損失的懲罰。

（5）假設(shè)模型中AGV接收的任務組合為：運輸一個滿漿桶到印花機工位，返程時運輸一個殘漿桶至清洗區(qū)，并循環(huán)執(zhí)行。

定義：

（1）C為系統(tǒng)中AGV數(shù)量。

（2）D1為AGV單位使用成本，包括固定資產(chǎn)成本分攤和維護運營費用。

（3）Wq為調(diào)度系統(tǒng)中任務的平均等待時間。

（4）N為該批次布料印花所需漿料的總運輸桶數(shù)（該桶數(shù)不包括殘漿桶的運輸數(shù)量）。

（5）ω為系統(tǒng)中任務因等待錯過運輸至工位的最后時間節(jié)點產(chǎn)生的損失率。

（6）D2為單位時間印花機因停機產(chǎn)生的損失成本。

本文基于生產(chǎn)物流的設(shè)備投入（主要是AGV和調(diào)度系統(tǒng)成本投入）與因任務等待產(chǎn)生的印花機停機損失兩者相加的總成本作為最低的目標函數(shù)建立如下數(shù)學模型。

式（1）中C為AGV系統(tǒng)中小車數(shù)量是該數(shù)量規(guī)劃模型的決策變量，結(jié)合排隊論相關(guān)公式得到：

（1）Lq為系統(tǒng)中運輸任務等待對長（排隊系統(tǒng)中等待的平均顧客數(shù)）

式（2）中P0為系統(tǒng)中所有AGV空閑的概率：

（2）λ為漿桶運輸?shù)臅r間間隔，該漿桶運輸任務為主動式運輸，該時間間隔由調(diào)漿估漿系統(tǒng)根據(jù)布料對染料的總需求量和染料消耗速度估算完成。

（3）μ為單位時間內(nèi)AGV完成循環(huán)任務的次數(shù)，μ=V/S。該式中V為AGV的平均行駛速度，S為完成該任務的AGV行駛的總距離。

（4） ρ為排隊系統(tǒng)中服務強度：ρ=λ/Cμ。

（5）Wq為系統(tǒng)中任務的平均等待時間：Wq=Lq/λ。

4 總 結(jié)

本文以某企業(yè)數(shù)字化車間漿桶物流建設(shè)項目為基礎(chǔ)，對印花車間的漿桶配送系統(tǒng)進行詳細設(shè)計，包括配送方式選擇、接駁裝置設(shè)計、信息識別系統(tǒng)構(gòu)建、AGV調(diào)度系統(tǒng)的功能和調(diào)度策略等，構(gòu)建了AGV數(shù)量規(guī)模。該配送系統(tǒng)是AGV在印染行業(yè)的創(chuàng)新型應用，對行業(yè)企業(yè)具有普遍適用性。該配送系統(tǒng)與MES系統(tǒng)有效銜接，變拉取式配送為主動式物流配送，提高了漿桶配送對生產(chǎn)任務的響應速度和配送效率，提高了企業(yè)生產(chǎn)物流的自動化和數(shù)字化水平，使企業(yè)能從容面對大規(guī)模定制化生產(chǎn)的生產(chǎn)需求。