AGV調度控制系統在汽車總裝車間的應用

周鵬飛，潘志友，魏 磊

（中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

汽車制造行業的物流相較于其他行業，具有離散性、及時性、高價值等復雜特點[1]。在汽車總裝制造過程中越來越強調高效的生產方式，生產線旁的物料及時、精準供給是關鍵。目前，國內汽車企業多采用多車型共線的混流生產方式[2]，實行一車一BOM（Bill of Material，物料清單）的定制模式，線旁的物料配送能力成為影響生產效率的關鍵環節。

因此，針對汽車總裝車間在大規模定制[3]中面臨的線旁物流配送效率、配送成本等新問題，本文建立了高效的AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車）調度控制系統。企業應用該系統能夠大幅度提高物流配送效率進而提高裝配人員作業效率、減少器具占用總裝生產線邊空間等，滿足多品種、小批量的混線生產需求。

2 系統需求分析

本文以某品牌汽車總裝車間為例，經過多次實際調研與研究，提出主要的系統需求如下：

（1）實現SPS（Set Parts Supply，成套零件供應）揀配區和總裝生產線聯動；

（2）實現交通管制，保證AGV在行駛道路干涉的情況下不撞車，保證生產效率；

（3）實現對AGV 電量、位置以及異常的監控，能夠在系統上顯示其運行狀態；

（4）實現對多類型AGV的兼容性，使不同類型的AGV均可正常運行和管控；

（5）控制充電站對AGV進行自動充電，滿足持續工作的需求。

3 系統架構設計

根據系統需求分析，系統架構主要包括管理層、監控層和執行層三部分。AGV調度控制系統的架構圖如圖1 所示。其中，管理層主要由系統應用服務器、數據庫服務器組成。系統應用服務器主要承擔所有的業務邏輯開發、運行工作，并且作為連接數據庫、PTL系統（Pick to light，亮燈揀選系統）[4]的中心服務器。數據庫服務器主要用于存儲生產過程數據。監控層由中控屏、上線工位HMI（Human Machine Interface，人機界面）、下線工位HMI、系統維護客戶端組成。其中，中控屏用于監控所有AGV 在總裝車間的運行位置、當前工作狀態、電量等信息；上線工位HMI 用于顯示AGV 到達上線工位后的物料信息，方便工人確認物料與車身的對應關系，工人確認后表示生產線已接收該物料，AGV 自動返回；下線工位HMI 用于確認物料已裝配完畢，并發送空料車待回收信息給系統；系統維護客戶端用于維護系統的基礎數據，包括用戶管理、基礎數據管理、物流路徑設定、位置信息設定、動作信息管理等。執行層主要由AGV、充電樁組成。其中，AGV有多種類型（類型1用AGV1表示，類型2用AGV2表示），每個類型有多臺，通過無線網絡與系統通信；充電樁自動對進站的AGV進行充電動作；當裝配工序完成、空料車脫離產線到達下線工位后，工人通過下線工位HMI 發出呼叫信息，系統發送指令給待命AGV 將空料車運回SPS區。

圖1 系統硬件架構圖

4 系統功能開發

4.1 物料配送作業流程設計

AGV 系統通過接收PTL 系統發送的SPS 區物料配送信息（如物料編號、數量、任務起止位置等），生成配送任務信息。系統下發任務至待命點的AGV，AGV接收任務后開始執行動作。當到達地標時上傳地標信息，如果為交通管制點則等待系統放行指令，如果不是則直接放行。AGV到達任務地點后放下隨行料車，系統判斷是否需要充電，如需要則自行充電，否則回到待命點。物料配送作業流程如圖2所示。

圖2 物料配送作業流程圖

4.2 空箱回收作業流程設計

隨行料車上的物料裝配完畢后，空料車由工人推至指定地點，工人通過下線工位HMI 發送空箱回收作業指令，調度系統接收到信息后，發送空箱回收信號給待命AGV，AGV 開始空箱回收作業。回收作業流程與上述物料配送作業流程相同，循環調度作業過程如圖3所示。

4.3 系統功能設計

系統分為數據聚合層、業務層、應用層、用戶層。數據聚合層是與外圍系統的接口層，目的是將多個工廠的不同種類數據源統一匯總轉換為系統的標準格式，并分權限管理。業務層包含了所有的業務原子操作，形成業務功能庫；業務分析人員通過組合業務功能庫的功能，為現場制造提供服務。應用層將組合好的業務功能通過標準WEB服務的方式提供給用戶層使用。用戶層根據用戶的使用環境和習慣，提供給用戶多種客戶端類型，如網頁、PAD、android、IOS等。系統架構圖如圖4所示。

4.4 交通管制算法

系統預先設定好交通管制點（即路徑有匯合后分叉的地標站點），當AGV即將到達交通管制點時發送通過請求。如果有多臺AGV 到達交通管制點，則采用先請求先通過的原則根據交通管制算法計算通過順序。交通管制算法如下：

當AGV進入交通管制點時向系統發出請求通過指令，系統根據請求指令計算放行指令，發送的放行指令時間戳計算過程如下：

圖4 功能架構圖

其中，每臺AGV通過交通管制點所需時間為T，第一臺發出請求指令的時間戳為tstamp0，第n 臺發出請求指令的時間戳為tstampn，t'stampn為系統向第n 臺AGV發送的放行指令時間戳。當系統監測到交通管制點在超過T 時間內沒有車輛通過，n 置為初始0值。此外，每臺AGV需要具備自主停止防撞功能，當遇到前方有障礙物時，自動停止待命。

圖3 AGV調度過程示意圖

4.5 指令報文格式

請求和發送指令的報文格式如圖5所示，所有幀和指令數據都遵循高位在先原則，傳輸數據時高字節在先。其中，提示符CMD包括2個字節字符（IN為數據請求，CN為數據應答）；AGV編號包括4位ASCII字符，用于標識AGV 設備編號；報文數據長度包括4位10進制數，表示數據字節長度，包括報文頭和報文數據；RSV 為18 位固定長度數據段，用于指令定義；time stamp為8位時間戳，用于標識指令時間；報文數據為變長數據段，用于AGV狀態上報的指令定義。

圖5 報文格式

4.6 接口設計

該總裝車間的AGV 設備由不同供應商提供，工廠之間不能互換及協同作業。AGV 調度系統通過TCP/IP Socket通信協議與AGV小車的工控機之間實現接口數據交互，作為橋梁主控各個不同類型的AGV，實現集成現場調度并提供了接口協議標準。接口定義如圖6所示。

圖6 接口定義

5 系統功能實現

5.1 系統管理

根據系統功能設計與現場操作需求，系統功能主要包括系統管理、調度管理、實時監控、任務管理、系統報表、系統接口六部分。系統管理主要實現用戶管理、權限設置、操作日志管理等功能。操作日志管理界面如圖7所示。

圖7 操作日志管理界面

5.2 基礎數據管理

基礎數據管理主要管理AGV 信息（如編號、類型、規格、載重等）、物流路徑、位置信息（如物料上料點、下料點、交通管制點、充點電、上線點、下線點等）、動作信息（如運行、停止、急停、出軌、觸邊、障礙等）。位置信息管理界面如圖8所示。

圖8 位置信息管理界面

5.3 調度管理

調度管理是AGV 調度系統的核心功能模塊，主要實現作業信息接收、AGV 選用、路徑計算、作業指令下發、運動控制、交通管制、充電、物料上下線管理、作業完成確認等功能。作業信息接收用于接收需要觸發AGV 作業的各種作業信息，主要包括物料配送、空箱回收、AGV充電等，物料請求界面如圖9所示。

系統獲取到AGV 物料配送、空箱回收等作業信息時，首先選擇空閑AGV進行指令下發；如無空閑則將該項作業掛起，等待空閑時再進行派發。同時，系統接收到AGV作業指令后，通過該項作業的起始/結束位置結合基礎數據中的RFID 站點號自動計算作業路徑。當完成一項作業后，系統對作業完成情況進行確認，并將該AGV設定為空閑狀態。

圖9 物料請求界面

5.4 實時監控

實時監控主要包括調度總覽、區域監控、AGV狀態監視、作業監視等功能。系統按照不同的級別來監控AGV的調度情況，顯示整個車間所有AGV的運行情況、物料配送情況等；同時用戶可查看每臺AGV的運行路線、運行狀態（如車輛姿態、車輛位置、正常與否、停止、恢復、暫停、開始等）、運行速度、電量狀態、運輸的物料信息等數據，方便用戶在系統中查看每臺AGV所執行的作業及作業完成情況。監控畫面如圖10所示。

6 結論

圖10 AGV現場調度總覽界面

對于汽車總裝車間面向柔性化混線生產的制造過程而言，線旁物流配送效率、配送成本對于企業實現精益生產至關重要。物流部門需要將物料快速準確地送到產線旁，盡量提高庫存周轉率，節約庫存和人工成本。AGV 調度控制系統結合PTL 系統、物流配送載具可以有效地保證汽車總裝車間線旁物料的柔性化供應，更加準確快速地響應物料需求，減少備料和配送時間，降低生產成本，提高生產效率。某品牌汽車總裝車間應用該系統后，大幅減少了配送人員數量，提升了揀料與配送效率，有效地支撐了柔性化生產，提升了企業的核心生產能力。