AGV調(diào)度控制系統(tǒng)在汽車總裝車間的應(yīng)用

周鵬飛，潘志友，魏 磊

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

汽車制造行業(yè)的物流相較于其他行業(yè)，具有離散性、及時(shí)性、高價(jià)值等復(fù)雜特點(diǎn)[1]。在汽車總裝制造過(guò)程中越來(lái)越強(qiáng)調(diào)高效的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)線旁的物料及時(shí)、精準(zhǔn)供給是關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)多采用多車型共線的混流生產(chǎn)方式[2]，實(shí)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(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

因此，針對(duì)汽車總裝車間在大規(guī)模定制[3]中面臨的線旁物流配送效率、配送成本等新問(wèn)題，本文建立了高效的AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）調(diào)度控制系統(tǒng)。企業(yè)應(yīng)用該系統(tǒng)能夠大幅度提高物流配送效率進(jìn)而提高裝配人員作業(yè)效率、減少器具占用總裝生產(chǎn)線邊空間等，滿足多品種、小批量的混線生產(chǎn)需求。

2 系統(tǒng)需求分析

本文以某品牌汽車總裝車間為例，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際調(diào)研與研究，提出主要的系統(tǒng)需求如下：

（1）實(shí)現(xiàn)SPS（Set Parts Supply，成套零件供應(yīng)）揀配區(qū)和總裝生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)；

（2）實(shí)現(xiàn)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(chǎn)效率；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV 電量、位置以及異常的監(jiān)控，能夠在系統(tǒng)上顯示其運(yùn)行狀態(tài)；

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)多類型AGV的兼容性，使不同類型的AGV均可正常運(yùn)行和管控；

（5）控制充電站對(duì)AGV進(jìn)行自動(dòng)充電，滿足持續(xù)工作的需求。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)架構(gòu)主要包括管理層、監(jiān)控層和執(zhí)行層三部分。AGV調(diào)度控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1 所示。其中，管理層主要由系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器主要承擔(dān)所有的業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)、運(yùn)行工作，并且作為連接數(shù)據(jù)庫(kù)、PTL系統(tǒng)（Pick to light，亮燈揀選系統(tǒng)）[4]的中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。監(jiān)控層由中控屏、上線工位HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）、下線工位HMI、系統(tǒng)維護(hù)客戶端組成。其中，中控屏用于監(jiān)控所有AGV 在總裝車間的運(yùn)行位置、當(dāng)前工作狀態(tài)、電量等信息；上線工位HMI 用于顯示AGV 到達(dá)上線工位后的物料信息，方便工人確認(rèn)物料與車身的對(duì)應(yīng)關(guān)系，工人確認(rèn)后表示生產(chǎn)線已接收該物料，AGV 自動(dòng)返回；下線工位HMI 用于確認(rèn)物料已裝配完畢，并發(fā)送空料車待回收信息給系統(tǒng)；系統(tǒng)維護(hù)客戶端用于維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、物流路徑設(shè)定、位置信息設(shè)定、動(dòng)作信息管理等。執(zhí)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(gè)類型有多臺(tái)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)通信；充電樁自動(dòng)對(duì)進(jìn)站的AGV進(jìn)行充電動(dòng)作；當(dāng)裝配工序完成、空料車脫離產(chǎn)線到達(dá)下線工位后，工人通過(guò)下線工位HMI 發(fā)出呼叫信息，系統(tǒng)發(fā)送指令給待命AGV 將空料車運(yùn)回SPS區(qū)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)功能開發(fā)

4.1 物料配送作業(yè)流程設(shè)計(jì)

AGV 系統(tǒng)通過(guò)接收PTL 系統(tǒng)發(fā)送的SPS 區(qū)物料配送信息（如物料編號(hào)、數(shù)量、任務(wù)起止位置等），生成配送任務(wù)信息。系統(tǒng)下發(fā)任務(wù)至待命點(diǎn)的AGV，AGV接收任務(wù)后開始執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)?shù)竭_(dá)地標(biāo)時(shí)上傳地標(biāo)信息，如果為交通管制點(diǎn)則等待系統(tǒng)放行指令，如果不是則直接放行。AGV到達(dá)任務(wù)地點(diǎn)后放下隨行料車，系統(tǒng)判斷是否需要充電，如需要?jiǎng)t自行充電，否則回到待命點(diǎn)。物料配送作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 物料配送作業(yè)流程圖

4.2 空箱回收作業(yè)流程設(shè)計(jì)

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(diǎn)，工人通過(guò)下線工位HMI 發(fā)送空箱回收作業(yè)指令，調(diào)度系統(tǒng)接收到信息后，發(fā)送空箱回收信號(hào)給待命AGV，AGV 開始空箱回收作業(yè)。回收作業(yè)流程與上述物料配送作業(yè)流程相同，循環(huán)調(diào)度作業(yè)過(guò)程如圖3所示。

4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)聚合層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層。數(shù)據(jù)聚合層是與外圍系統(tǒng)的接口層，目的是將多個(gè)工廠的不同種類數(shù)據(jù)源統(tǒng)一匯總轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式，并分權(quán)限管理。業(yè)務(wù)層包含了所有的業(yè)務(wù)原子操作，形成業(yè)務(wù)功能庫(kù)；業(yè)務(wù)分析人員通過(guò)組合業(yè)務(wù)功能庫(kù)的功能，為現(xiàn)場(chǎng)制造提供服務(wù)。應(yīng)用層將組合好的業(yè)務(wù)功能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)WEB服務(wù)的方式提供給用戶層使用。用戶層根據(jù)用戶的使用環(huán)境和習(xí)慣，提供給用戶多種客戶端類型，如網(wǎng)頁(yè)、PAD、android、IOS等。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。

4.4 交通管制算法

系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好交通管制點(diǎn)（即路徑有匯合后分叉的地標(biāo)站點(diǎn)），當(dāng)AGV即將到達(dá)交通管制點(diǎn)時(shí)發(fā)送通過(guò)請(qǐng)求。如果有多臺(tái)AGV 到達(dá)交通管制點(diǎn)，則采用先請(qǐng)求先通過(guò)的原則根據(jù)交通管制算法計(jì)算通過(guò)順序。交通管制算法如下：

當(dāng)AGV進(jìn)入交通管制點(diǎn)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求通過(guò)指令，系統(tǒng)根據(jù)請(qǐng)求指令計(jì)算放行指令，發(fā)送的放行指令時(shí)間戳計(jì)算過(guò)程如下：

圖4 功能架構(gòu)圖

其中，每臺(tái)AGV通過(guò)交通管制點(diǎn)所需時(shí)間為T，第一臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求指令的時(shí)間戳為tstamp0，第n 臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求指令的時(shí)間戳為tstampn，t'stampn為系統(tǒng)向第n 臺(tái)AGV發(fā)送的放行指令時(shí)間戳。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到交通管制點(diǎn)在超過(guò)T 時(shí)間內(nèi)沒(méi)有車輛通過(guò)，n 置為初始0值。此外，每臺(tái)AGV需要具備自主停止防撞功能，當(dāng)遇到前方有障礙物時(shí)，自動(dòng)停止待命。

圖3 AGV調(diào)度過(guò)程示意圖

4.5 指令報(bào)文格式

請(qǐng)求和發(fā)送指令的報(bào)文格式如圖5所示，所有幀和指令數(shù)據(jù)都遵循高位在先原則，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)高字節(jié)在先。其中，提示符CMD包括2個(gè)字節(jié)字符（IN為數(shù)據(jù)請(qǐng)求，CN為數(shù)據(jù)應(yīng)答）；AGV編號(hào)包括4位ASCII字符，用于標(biāo)識(shí)AGV 設(shè)備編號(hào)；報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度包括4位10進(jìn)制數(shù)，表示數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，包括報(bào)文頭和報(bào)文數(shù)據(jù)；RSV 為18 位固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)段，用于指令定義；time stamp為8位時(shí)間戳，用于標(biāo)識(shí)指令時(shí)間；報(bào)文數(shù)據(jù)為變長(zhǎng)數(shù)據(jù)段，用于AGV狀態(tài)上報(bào)的指令定義。

圖5 報(bào)文格式

4.6 接口設(shè)計(jì)

該總裝車間的AGV 設(shè)備由不同供應(yīng)商提供，工廠之間不能互換及協(xié)同作業(yè)。AGV 調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP Socket通信協(xié)議與AGV小車的工控機(jī)之間實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)交互，作為橋梁主控各個(gè)不同類型的AGV，實(shí)現(xiàn)集成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度并提供了接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。接口定義如圖6所示。

圖6 接口定義

5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)管理

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)操作需求，系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)管理、調(diào)度管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、任務(wù)管理、系統(tǒng)報(bào)表、系統(tǒng)接口六部分。系統(tǒng)管理主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、權(quán)限設(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理主要管理AGV 信息（如編號(hào)、類型、規(guī)格、載重等）、物流路徑、位置信息（如物料上料點(diǎn)、下料點(diǎn)、交通管制點(diǎn)、充點(diǎn)電、上線點(diǎn)、下線點(diǎn)等）、動(dòng)作信息（如運(yùn)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(diào)度管理

調(diào)度管理是AGV 調(diào)度系統(tǒng)的核心功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)信息接收、AGV 選用、路徑計(jì)算、作業(yè)指令下發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制、交通管制、充電、物料上下線管理、作業(yè)完成確認(rèn)等功能。作業(yè)信息接收用于接收需要觸發(fā)AGV 作業(yè)的各種作業(yè)信息，主要包括物料配送、空箱回收、AGV充電等，物料請(qǐng)求界面如圖9所示。

系統(tǒng)獲取到AGV 物料配送、空箱回收等作業(yè)信息時(shí)，首先選擇空閑AGV進(jìn)行指令下發(fā)；如無(wú)空閑則將該項(xiàng)作業(yè)掛起，等待空閑時(shí)再進(jìn)行派發(fā)。同時(shí)，系統(tǒng)接收到AGV作業(yè)指令后，通過(guò)該項(xiàng)作業(yè)的起始/結(jié)束位置結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的RFID 站點(diǎn)號(hào)自動(dòng)計(jì)算作業(yè)路徑。當(dāng)完成一項(xiàng)作業(yè)后，系統(tǒng)對(duì)作業(yè)完成情況進(jìn)行確認(rèn)，并將該AGV設(shè)定為空閑狀態(tài)。

圖9 物料請(qǐng)求界面

5.4 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控主要包括調(diào)度總覽、區(qū)域監(jiān)控、AGV狀態(tài)監(jiān)視、作業(yè)監(jiān)視等功能。系統(tǒng)按照不同的級(jí)別來(lái)監(jiān)控AGV的調(diào)度情況，顯示整個(gè)車間所有AGV的運(yùn)行情況、物料配送情況等；同時(shí)用戶可查看每臺(tái)AGV的運(yùn)行路線、運(yùn)行狀態(tài)（如車輛姿態(tài)、車輛位置、正常與否、停止、恢復(fù)、暫停、開始等）、運(yùn)行速度、電量狀態(tài)、運(yùn)輸?shù)奈锪闲畔⒌葦?shù)據(jù)，方便用戶在系統(tǒng)中查看每臺(tái)AGV所執(zhí)行的作業(yè)及作業(yè)完成情況。監(jiān)控畫面如圖10所示。

6 結(jié)論

圖10 AGV現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度總覽界面

對(duì)于汽車總裝車間面向柔性化混線生產(chǎn)的制造過(guò)程而言，線旁物流配送效率、配送成本對(duì)于企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)至關(guān)重要。物流部門需要將物料快速準(zhǔn)確地送到產(chǎn)線旁，盡量提高庫(kù)存周轉(zhuǎn)率，節(jié)約庫(kù)存和人工成本。AGV 調(diào)度控制系統(tǒng)結(jié)合PTL 系統(tǒng)、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(yīng)，更加準(zhǔn)確快速地響應(yīng)物料需求，減少備料和配送時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。某品牌汽車總裝車間應(yīng)用該系統(tǒng)后，大幅減少了配送人員數(shù)量，提升了揀料與配送效率，有效地支撐了柔性化生產(chǎn)，提升了企業(yè)的核心生產(chǎn)能力。