基于路徑規劃的糧食物流輸送控制系統設計

（廣東科技學院 機電工程學院，東莞 523083）

0 引言

現代糧食產業化企業在轉型的過程中，為了適應當前消費者對糧食產品安全，快速等需求，提出打通“從田到桌”的戰略目標，同時為響應國家“鼓勵社會資本投資建倉”的號召，紛紛在糧食產地投資建造自動化倉儲物流系統，為糧食就地進行深加工提供了硬件基礎[1,2]。而新型自動化物流輸送系統是自動化倉儲系統中關鍵的一環[3,4]，它影響著農業物流作用效益及物流成本[5,6]。在行業中，物流輸送包括水平輸送和垂直輸送部分，筆者在參與某食品企業智能倉儲控制系統設計時，發現目前多數食品企業在輸送中采用的是貨梯或者人工搬運的輸送方式。貨梯輸送存在操作效率低下，人工參與度高。而人工搬運勞動成本高，且效率極其低下，且搬運過程中路徑隨機，沒有優化，與當代農業物流快速反映需求不相匹配，因此針對存在的問題，設計了智能倉儲物流輸送控制系統。

1 總體設計方案

所設計的智能物流輸送控制系統包括水平輸送設備、垂直提升設備，物流運送車，控制器組成。工作過程為：控制器模塊接收到任務后，根據路徑優化算法進行路徑規劃，物流小車按照規劃的最優路徑，將貨物送到對應節點的自動水平輸送機，自動輸送機將貨物輸送到自動升降機的升降卸貨臺，完成上升或者下降作業，同時對應層的物流小車將糧食輸送到指定地點，根據倉儲系統的結構，本次課題設計的垂直往復升降機層數可選，硬件采用模塊化設計。

設備主要參數為：

1）滾筒輸送機（三套）：

L×W×H=1200mm×1220mm×1680H

2）升降機：

L×W×H=1887mm×2480mm×13322mm

3）垂直輸送高度：9000mm

4）垂直輸送提升速度：10m/min

5）水平輸送速度：12m/min

6）控制器：西門子PLC1215C

7）HMI：proface（7寸）

8）變頻器：安川變頻器（配制動電阻）。

本設計中，控制系統以PLC控制器為核心，包含觸摸屏，擴展I/O模塊、傳感器、變頻器，電機等，如下圖1系統框圖所示[7]。PLC控制器通過網絡接口與HMI觸摸屏通信，通過繼電器輸出和擴展I/O模塊控制繼電器、變頻器及其他執行機構，通過數字量輸入模塊采集傳感器信號及其他數字量信號。

控制器獲取物流倉庫的實時信息，在觸摸屏中顯示。同時為了高效的完成貨物運送到指定位置，控制器根據當前各提升機的狀態與路線情況，按照時間最優和路徑最短等指標進行路徑規劃，指定物流小車輸送貨物到最優的提升機，完成輸送。在提升機工作時，有超高超重超速等各種報警措施保證貨物和設備安全。

2 控制系統模塊設計

2.1 電氣控制模塊

經過分析，一組提升機工作站需要56點輸入，25點輸出，得出PLC的I/O點的個數與分配情況，如果以兩組同時控制，其中輸入點共有112點，包括預留輸入點，輸出點共50點。根據實際使用要求，確定選用西門子PLC1200序列[8～10]，擴展模塊4組數字信號模塊SM1223，2組數字信號模塊SM1221，表1和表2列出部分輸出I/O輸出分配情況。圖2為主控制回路電氣原理局部圖。

圖1 控制系統結構圖

表1 PLC的主要輸入分配

表2 PLC的主輸出分配

表2 （續）

圖2 主控制回路電氣原理局部圖

2.2 水平輸送模塊

水平輸送設備需要將移動運載車運送過來的貨物，水平輸送到垂直升降機的轎廂內，控制流程如圖3所示。

圖3 水平輸送控制流程圖

當貨物由水平輸送機往轎廂內輸送時，如突入檢測傳感器檢測到已到達，但轎廂在升降中或者還未到達指定位置，則容易發生故障，需要在程序中進行聯鎖控制，當突入檢測和轎廂已到達，即允許水平輸送機繼續輸送，否則報警且暫停，如圖4中1～4所示。當轎廂內到達檢測到貨物時，如果同時前端到達和突入檢測也檢測到貨物，此時不可進入下一步的垂直提升流程，否則會損壞貨物，需要報警提示貨物有異常，如圖4水平輸送檢測示意圖。

圖4 水平輸送檢測示意圖

2.3 垂直提升模塊

垂直提升設備及控制裝置如圖5所示。提升機升降時通過位置計數定位板確定轎廂的位置，根據數值確定轎廂上升或下降，減速或加速。如轎廂1F到2F，則會經歷低速，加速到高速，減速到低速的過程，如圖5中3→4→5→6→3的順序所示。下降時過程剛好相反，如圖5中3→5→4→7→3的順序。在運送過程中，設計了防坍塌的模塊，原理如圖6所示。

圖5 升降機速度控制原理圖

圖6 防坍塌檢測原理圖

2.4 路徑規劃模塊

物流運載車從倉庫入口將貨物輸送到轎廂處，放置在水平輸送機上，為了最大效率的利用轎廂，避免等待，擁堵等情況的發生，需要對物流小車的路徑進行規劃。

針對多物流小車路徑規劃，常用的指標有：最短路徑，最小化等待時間，最小化隊列長度等方式[11]。由于本課題中涉及的倉庫規劃時，轎廂之間間距允許小車并行，因此不存在相向沖突，主要需要考慮的是以時間最優為主原則，節點沖突和最短路徑為輔原則。本課題的指標表示方法如下：

物流小車i（i≤N）號到目標轎廂j（j≤M）的距離是Lij，速度為Vij，時間為：

等待時間為Rij（Rij∈R）。總的轎廂數為M，總物流小車數為N，終點集合為：

本課題通過算法規劃路線，使物流小車從終點集合中選出最優終點，滿足指標Z。

轎廂工作剩余時間集合為E：

這里，在精度允許的范圍內,物流小車等待時間與轎廂工作剩余時間相等，即：

下面僅就三臺物流車，九架提升機的情形，如圖7所示，論證路徑規劃中選擇的時間最優的策略：

圖7 倉庫布局示意圖

1）對起始點，目標點，物流車速度，輸送機速度，集合Z，T，S，E，R等進行初始化[12]；

2）實時刷新提升機站的工作狀態及剩余時間；

3）物流車在入口點裝滿貨物后，等待控制器發出指令；

4）控制器實時計算集合E的值。提升機工作站工作總時間包括水平輸送機將貨物輸送到提升機中，提升機從起始層到目標層；

5）控制器根據集合Z的值和T（初始化時完成）的值計算集合Z；

6）根據Z的結果，確認是否有沖突，如提升機是否故障，如果有兩個相同結果，啟動第二層決策，路徑最短原則，給出最優解，并鎖定該最優解，避免后續規劃時重復選擇；

7）將最優解發送給物流車，物流車朝目標位置行進；

8）返回流程2）。

2.5 軟件模塊

采用編程軟件西門子TIA V14 SP1[13]設計PLC程序，程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

按照模塊化的設計思路[14,15]，控制系統程序由主模塊Main（OB1），FB，FC和DB構成。采用模塊化的思路可使后期設備維護方便與高效。

建立函數塊FC，命名為LifterSystem，若倉庫后期還新增提升點，只需將主程序多調用一次FC即可，如圖9所示為主程序中調用的提升機工作站工作系統函數；圖10為提升機工作站的狀態功能塊，實時采集提升機工作站的狀態。

圖9 主程序局部圖

圖10 提升機工作站狀態程序圖

3 試驗數據分析與處理

通過試運行，將單臺提升機工作站的測試結果和人工輸送的結果進行對比，如表3所示。

表3 單臺工作站與人工輸送效率對比

由表3所示的結果可知，單臺提升機工作站的輸送效率為25托/時，較人工輸送效率提高了2倍。

將具有九臺提升機工作站，三臺物流車和路徑規劃的控制系統進行了測試，與不進行路徑規劃，隨機指定提升機站的結果進行了對比，如表4所示。

表4 路徑規劃與隨機指定效率對比

由表4所示的結果可知，采用控制器進行路徑規劃后，輸送效率約為隨機指定路徑的2倍。

將九臺提升機工作站同時啟動，采用系統路徑自動規劃，倉庫只需1人在入口處負責貨物確認，1人對設備進行維護，日常可節省人力5人左右，高峰時期可節省人力8～9人，平均每臺工作站可節省1人，減少了企業的用人成本。

4 結語

1）傳統的農業倉儲系統多以人工管理，人工運輸的模式為主，存在操作效率低，人工勞動強度大，安全隱患等問題，為解決這些問題，設計了智能往復式垂直輸送機控制系統。

2）該系統以西門子1200序列PLC為核心，以proface序列觸摸屏為人機交互串口，實現了糧食貨物輸送的實時監控、自動運行、手動測試，物流小車路徑規劃等多項功能。

3）該系統投入到某食品智能倉儲企業運行，為其自動化物流的一個重要環節，通過一個月的試運行測試后，正式投入使用，其實現了物流的自動輸送，單臺提升機工作站提升提升效率2倍以上，多臺提升機同時工作，采用路徑優化算法輸送效率提高效率1倍左右。

4）經過測試，日常運轉可節省人力5人左右，高峰時期可節省8～9人，平均每臺工作站節省1人，較好的減輕了企業負擔。