一種多路徑電動單軌小車懸掛輸送系統(tǒng)（EMS）設(shè)計

劉曉楠，匡永江，吳 雙，李 斌，吳 振

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

使用電動單軌小車懸掛輸送進行作業(yè)代表了當(dāng)今世界現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)流程中輸送裝備與技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]。EMS系統(tǒng)能夠滿足各種不同廠房、不同生產(chǎn)工藝、不同生產(chǎn)形態(tài)下的生產(chǎn)需要，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、家電等諸多行業(yè)[1]。隨著EMS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形態(tài)呈現(xiàn)多樣化。一般形態(tài)的單點上、單點下的單路徑EMS系統(tǒng)，按生產(chǎn)計劃進行點到點的輸送，對于多點上、多點下、多道岔的多路徑EMS系統(tǒng)，通常需要配送多品種物件。為了滿足企業(yè)對生產(chǎn)物件配送的合理性、準(zhǔn)確性、高效性和實時性的要求，本文采用RFID技術(shù)對物件品種信息進行識別、跟蹤，基于物件品種信息和裝配工位對物件的需求，選取合理的調(diào)度策略對電動小車進行調(diào)度控制。

圖1 EMS系統(tǒng)布局示意圖

1 系統(tǒng)組成及流程

EMS系統(tǒng)的功能是按照企業(yè)生產(chǎn)計劃從上件工位掛裝物件，通過長距離的空中軌道運送到指定的裝配車間下件工位。系統(tǒng)包括環(huán)形軌道，道岔平移機構(gòu)，電動單軌小車，物件上件工位，裝配車間的下件工位，積放存儲區(qū)和雙通道維修工位。在信息識別系統(tǒng)上，每臺電動單軌小車安裝一個電子標(biāo)簽，每個上件工位、道岔和下件工位處均安裝RFID讀寫設(shè)備，用于信息識別與跟蹤。

裝配線EMS系統(tǒng)按功能分為兩個區(qū)：積放存儲區(qū)和配送區(qū)。電動小車在上件工位掛裝物件，送至積放存儲區(qū)存儲，等待系統(tǒng)調(diào)度。配送區(qū)是根據(jù)裝配線下件工位對物件的請求，調(diào)度積放存儲區(qū)的電動小車配送物件。EMS系統(tǒng)的布局示意圖如圖1所示，其基本流程為：根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計劃從上件工位掛裝物件，上件工位A1、A2掛裝裝配線X所需物件，上件工位B1、B2掛裝裝配線Y所需物件，上位機下發(fā)物件信息通過RFID讀寫設(shè)備寫入電子標(biāo)簽并和電動小車號信息綁定，物件信息寫入成功后電動小車沿空中軌道運行，在道岔P1,P2, …, Pn-1處RFID讀寫設(shè)備讀取電動小車的電子標(biāo)簽，上傳給PLC和上位計算機管理系統(tǒng)，PLC依據(jù)積放存儲區(qū)的存儲原則下發(fā)指令控制道岔移動，電動小車存儲于積放存儲區(qū)C1, C2, …, Cn等待系統(tǒng)調(diào)度；裝配線X、Y下件工位請求配送物件，依據(jù)配送策略，積放存儲區(qū)送出下件工位請求物件，在道岔Q1處RFID讀寫設(shè)備讀取物件信息，電動小車將物件運送到指定的下件工位后返回上件工位。

2 調(diào)度策略

本文描述的EMS系統(tǒng)，積放存儲區(qū)的分配原則和配送區(qū)的配送策略直接影響到裝配生產(chǎn)線的工作效率，因此，選取合理的分配原則和配送策略是十分必要的。

2.1 積放存儲區(qū)分配原則

積放存儲區(qū)的存儲功能是EMS系統(tǒng)的一個重要功能，對積放存儲區(qū)的物件品種進行優(yōu)化分配，以減少系統(tǒng)配送等待時間，提高生產(chǎn)效率。常用的分配原則有三種：

1）分類分配

這種分配方法是規(guī)定各積放存儲區(qū)存儲品種的類型，把同一品種的物件存儲于同一段積放存儲區(qū)。

2）隨機分配

隨機分配是指不區(qū)分物件品種隨機存儲在某一段積放存儲區(qū)。一般情況下。隨機分配存儲優(yōu)先存儲于靠近入口的積放存儲區(qū)，待此區(qū)域存滿后分配存儲到下一積放存儲區(qū)。

3）平均分配

平均分配是指把不同品種的物件依次存儲于每一段積放存儲區(qū)，保障每段存儲區(qū)都有裝配工位所需品種的物件。

考慮到流水作業(yè)裝配線的快節(jié)拍，隨機分配和平均分配的方法可能造成裝配工位所需物件不能及時送達(dá)，裝配工位長時間閑置的情況，因此采用分類分配的方法進行存儲，即規(guī)定積放存儲區(qū)C1, C2, …, Cn分別存放品種Za1, Za2, …, Zan，Z，在道岔P2, P3, …, Pn處，RFID讀寫設(shè)備讀取物件信息上傳PLC控制電動小車的輸送路徑。

2.2 配送區(qū)配送策略

配送區(qū)物件配送運輸調(diào)度是依據(jù)工位需求，以工位所需物件準(zhǔn)時送達(dá)為目標(biāo)，為配送小車指派運輸時間。在實際的物料配送中，工位的物件配送需求往往有時間的要求，此EMS 系統(tǒng)使用基于時間窗約束的方法，選取合理的時間窗，即最早配送時間和最晚配送時間，對配送物件的電動小車進行調(diào)度，減少某些工位因缺少裝配物件而引起的等待時間。具體實現(xiàn)方法過程如下：

假設(shè)一組裝配物件W={W1，W2，W3，…，Wn}，T(Wi)表示裝配物件Wi所需時間，物件Wi所需裝配時間T(Wi)是固定的，根據(jù)各下件工位到裝配存儲區(qū)的距離、電動小車的行駛速度和裝配生產(chǎn)線的節(jié)拍，計算出配送物件Wi的最早配送時間 T(Wi)min，最晚配送時間T(Wi)max。例如，生產(chǎn)計劃的裝配順序為W1，W3，W3，W2，W2，W4，EMS系統(tǒng)調(diào)度電動小車從積放存儲區(qū)送出物件W1后，依據(jù)物件W3的時間窗調(diào)度小車進行配送，依次循環(huán)執(zhí)行配送所有物件。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)硬件分為三部分組成：上位機模塊，PLC控制模塊，RFID模塊。其中，上位機模塊包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控機、管理機，PLC控制模塊包括西門子S7-300系列CPU和遠(yuǎn)程I/O模塊，RFID模塊包括識別控制器、讀寫設(shè)備和電子標(biāo)簽。上位機模塊和PLC控制模塊通過交換機互聯(lián)交互，采用Ethernet通訊。PLC控制模塊與RFID模塊采用Profinet現(xiàn)場總線通訊。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

上位機模塊的主要功能是與PLC進行通訊，顯示EMS運行的狀態(tài)、各種故障，完成系統(tǒng)運行控制、調(diào)度、管理、數(shù)據(jù)的存儲、分析、打印等功能。

PLC控制模塊采用集中控制與分散控制相結(jié)合的方式，所有設(shè)備統(tǒng)一由CPU控制。每個電動小車有一個獨立的電氣控制箱，分布式I/O模塊分散布置于現(xiàn)場，采集現(xiàn)場的開關(guān)信號并輸出動作控制信號。

RFID模塊由控制器、讀寫設(shè)備和載碼體（即電子標(biāo)簽）三部分組成。載碼體有一個固定碼存儲空間和一個可重寫的存儲空間。固定碼存儲空間寫入唯一的電動小車號，可重寫存儲空間寫入需運送物件的信息。固定碼中的數(shù)據(jù)只能通過讀寫設(shè)備讀出，可重寫存儲空間中所存儲的信息可通過讀寫設(shè)備讀出或重新寫入。讀或?qū)懚际峭ㄟ^控制系統(tǒng)發(fā)送指令給讀寫設(shè)備完成的。多個讀寫設(shè)備可同時連接到一個控制器，控制器受控于上一級的PLC。

4 結(jié)論

物流系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化已成為物流業(yè)的一個主要趨勢。EMS系統(tǒng)采用RFID技術(shù)進行信息識別、跟蹤，積放存儲區(qū)利用分類動態(tài)存儲的方法存儲，配送區(qū)利用時間窗約束的方法對電動小車進行調(diào)度，提高了信息數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確率，物件配送更合理，減少了裝配工位的閑置時間，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。通過工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，證實了此EMS系統(tǒng)的優(yōu)越性。

[1]余汪洋.自行小車懸掛輸送系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國工程機械學(xué)報,2011(9).

[2]任星球.制造企業(yè)裝配線物料準(zhǔn)時配送優(yōu)化研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[3]岳濤.RFID關(guān)鍵技術(shù)及其在現(xiàn)代物流中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.