環形穿梭車調度系統替換方案研究

摘" 要：該文詳細闡述物流穿梭車MCT替代系統的研制過程。在昆明卷煙廠的物流輸送系統中，MCT作為穿梭車系統的控制核心，其穩定性對生產至關重要。然而，原MCT系統不穩定，常導致穿梭車系統停止運行，給工廠生產帶來巨大隱患。為解決此問題，該文通過對3種系統架構模式的分析，選定集中式系統架構模式，并設計MCT替代系統的組成模塊，包括硬件平臺、軟件平臺、與PLC通信及MCT運行軟件。通過具體實施和測試，該替代系統表現出良好的性能和可靠性。

關鍵詞：物流；穿梭車；MCT；替代系統；調度

中圖分類號：TP29" " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：2095-2945（2025）09-0026-07

Abstract： This paper describes in detail the development process of the MCT replacement system for logistics shuttle vehicles. In the logistics transportation system of Kunming Cigarette Factory， MCT serves as the control core of the shuttle system， and its stability is crucial to production. However， the original MCT system is unstable， which often causes the shuttle system to stop operating， causing huge hidden dangers to factory production. In order to solve this problem， this paper selects the centralized system architecture model by analyzing three system architecture models， and designs the components of the MCT replacement system， including hardware platform， software platform， communication with PLC， and MCT running software. Through specific implementation and testing， the alternative system has demonstrated good performance and reliability.

Keywords： logistics; shuttle; MCT; alternative system; dispatching

在現代工業生產中，物流系統的高效運行是保障生產順利進行的關鍵。昆明卷煙廠的物流輸送系統貫穿整個生產環節，其中穿梭車系統在物流運輸中起著重要作用。MCT（Material Control Terminal）作為穿梭車系統的控制核心，負責接收物流調度系統的指令，并控制穿梭車的運行，如圖1所示。

然而，原MCT系統存在不穩定的問題，頻繁出現故障，導致穿梭車系統停止運行，嚴重影響了制絲、卷包等生產工序的正常運轉。例如，當輔料出庫中止30 min，會造成卷包車間輔料斷料；配方出庫中止30 min，會導致煙葉原料斷料，批次煙生產中斷；而成品入庫中止10 min，會引發封箱房堵煙，卷包車間需要手工碼煙。此外，當原MCT系統的硬件系統核心（主板、硬盤）或軟件系統核心（數據庫）出現故障時，物流平均中止時間高達43.4 min，遠遠超過了成品入庫中止而無需人工碼煙的最低容忍時間。這些問題給工廠的生產帶來了巨大的損失和隱患。因此，研制一套穩定可靠的MCT替代系統具有重要的現實意義。

1" MCT替代系統的架構模式

1.1" 分布式系統架構模式

分布式系統架構模式（圖2）利用現有計算機資源，將MCT系統的各個功能單元分別承載于不同的設備上，并通過現有的昆船物流系統以太網進行通信。具體而言，TIMMES服務器承擔MCT數據庫系統的功能，中控室主機安裝監控和操作終端，現場計算機承擔MCT運行軟件的運行任務。這種架構模式的優點是工作負載分散，單個芯片故障對系統的影響較小。然而，它也存在一些缺點，如系統架構復雜，需要分布式軟件系統支持，且可能會影響原有網絡傳輸效率，造成網絡擁塞。

1.2" 集中式系統架構模式

集中式系統架構模式（圖3）另置一套計算機硬件系統，在該硬件平臺上安裝操作系統、數據庫系統和MCT運行軟件，并直接與調度系統和PLC進行網絡連接。該模式的優點是系統結構相對簡單，易于實現和管理。但它也存在一些局限性，如硬件或軟件系統的某一功能模塊出現故障，整個MCT系統將停止運行，且后期可能難以對MCT運行軟件和通信模塊進行升級改造。

1.3" 虛擬機技術架構模式

虛擬機技術架構模式（圖4）在硬件系統上安裝操作系統（HOST's OS），MCT運行軟件和數據庫系統分別安裝于不同的虛擬機上，并由虛擬機進行程序進程間的通信。該模式的優點是能將MCT運行軟件與數據庫系統在邏輯上獨立區分，提高軟件系統的安全性，且某一虛擬機崩潰時可快速恢復。然而，它也存在一些缺點，如應用程序運行速度較慢，通信速率低，且不支持與西門子PLC直接通信。

1.4" 系統架構模式選定

綜合考慮3種架構模式的優缺點，分布式系統架構模式雖然具有一定的容錯性，但系統架構復雜，可能會影響原有網絡傳輸效率；虛擬機技術架構模式雖然提高了軟件系統的安全性，但應用程序運行速度慢，且與西門子PLC的通信存在問題。相比之下，集中式系統架構模式相對簡單，易于實現和管理，盡管存在一些缺點，但可以通過合理的設計和優化來降低其影響。因此，最終選擇采用集中式系統架構模式研制MCT替代系統。

2" MCT替代系統組成模塊詳細設計

集中式架構下的MCT替代系統由4個模塊構成：硬件平臺、軟件平臺、與PLC通信、MCT運行軟件。

2.1" 硬件平臺

硬件選型。目前，工業生產常見的硬件平臺為工控機和主機式計算機（PC機），通過查閱MCT軟件說明書，其運行硬件環境要求：內存1G以上，硬盤250 G以上，CPU主頻大于1.2 GHZ。目前市場流行工控機的配置情況如下。CPU：Intel Atom 1.6 GHZ，內存：支持2G DDR內存，硬盤：最大支持500 G。且工控機的MTBF[MTBF，即平均故障間隔時間，英文全稱是“Mean Time Between Failure”，是衡量一個產品的可靠性指標，大于1×105h，全鋼結構無風扇。適用在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕和震動環境。內置專門電源，有較強的抗干擾能力。適合工業生產長時間使用，特別是風塵高溫環境下使用；體積小，重量輕，易于搬用；價格5 000元以內；MTBFgt;5。因此，硬件平臺選用工控機。

人機互動模式選擇外設輸入式只是在替換故障系統時采用，故障系統替換完后，可進行觸摸屏驅動安裝和屏幕校準。原有觸摸屏仍可正常運用于實際生產中。Mini ITX主板的規格為130 mm×92 mm，由于工控機箱采用200 mm×120 mm規格，Mini ITX主板能夠安入機箱中。

2.2" 軟件平臺

軟件平臺涉及操作系統和數據庫的搭建。

2.2.1" 操作系統

操作系統安裝于工控機硬件平臺上，受工控機配置限制。因工控機配備16 M集成顯卡，故系統安裝顯卡的需求應小于16 M。同時，操作系統需兼容目前的MCT運行軟件版本，成本低廉，且啟動時間小于120 s。綜合評估后，選擇Windows10作為操作系統進行安裝。

2.2.2" 數據庫

常見的數據庫軟件有Access、mysql、SQL Server和ORACLE。ORACLE適用于大型復雜數據庫，對硬件配置要求高，不在考慮范圍內。SQL Server數據庫可直接拷貝現有MCT的數據庫系統，數據表可直接使用，實時性能較好。最終采用SQL Server 2022數據庫。

2.3" 與PLC通信

2.3.1" 數據傳輸情況監測

對部門的6套穿梭車MCT系統安裝“NetSpeedMonitor”進行監測，發現穿梭車MCT與PLC每分鐘進行的數據交換量為350.5 KB，數據量較大。

2.3.2" 通信方案選擇

組態軟件關聯內存變量①的方法受第三方組態軟件處理速度影響，數據處理速度方面，WinCC能提供的最高刷新速度是250 ms，換算成數據處理速度為240 KB/min，采用高級語言編寫通信程序。高級語言編寫通信程序的技術協議有OPC、TCP/IP、串口通信3種。這3種方法實現通信都需要對PLC進行相應的配置和編程，且可在上位計算機的實現中封裝進MCT軟件，對PLC的配置和編程在替代系統移植時進行。

通過對MCT系統的PLC進行配置和編程實驗，并統計完成時間，發現OPC的方法在PLC端的配置和編程時間最短，為4.6 min，且工業以太網的最高傳輸速率為819 200 bit/s，遠高于串口通信方式。

最終采用C++語言編寫通信程序，并采用OPC技術協議實現MCT軟件與PLC的通信。

2.4" MCT運行軟件

2.4.1" 軟件改進需求

分析現有穿梭車MCT程序啟動時的流程圖，發現程序初始化需讀取主板GPIO②信號，否則無法啟動。由于采用了無GPIO模塊的主板進行系統開發，MCT軟件需要進行相應的改進以適應新的硬件環境。

2.4.2" 改進方案

將GPIO模塊需要采集的信號轉為由PLC采集，MCT軟件通過讀取PLC數據進行判斷。改進后的流程圖如圖5方框所示。

3" 具體方案

3.1" 硬件平臺的搭建

3.1.1" 采購工控機機盒

經實際測量，采購的機箱符合200 mm×120 mm×100 mm的尺寸要求。

3.1.2" 采購工控機專用集成主板

采購專業工控機制造商“研華”的小型Intel ATOM ITX主板，該主板集成了Intel Atom 1.6 GHZ CPU和1G DDR內存。

3.1.3" 采購硬盤、鼠標鍵盤

采購希捷160 G機械式移動硬盤、鼠標鍵盤等相關配件。

3.1.4" 組裝硬件并測試

將所有硬件組裝起來，并將搭建好的硬平臺接上顯示器。顯示器顯示主板BIOS設置的視頻輸出正常，確保硬件組裝無誤。

3.2" 軟件平臺的搭建

3.2.1" 設置工控機啟動BIOS檢測

由于工控機沒有軟驅和光驅，采用U盤方式進行操作系統文件的安裝，需設置USB-HDD優先硬件檢測（圖6）。

3.2.2" 安裝Windows10操作系統

成功安裝Windows10操作系統，啟動時間為73 s，滿足系統要求。

3.2.3" 接入物流網絡并測試

將系統接入物流網絡后進行網絡通信測試，通信連接正常，確保系統能與物流網絡良好通信（圖7）。

3.2.4" 拷貝相關數據表

復制穿梭車MCT運行系統的數據表備份，確保數據安全完整（圖8）。

3.2.5" 安裝SQL Server 2022數據庫

安裝SQL Server 2022數據庫，并設置相應的服務端口，為系統正常運行提供數據支持。

3.3" 基于OPC技術協議實現MCT軟件與PLC通信

3.3.1" 添加OPC自動化包裝庫

在 MCT 運行軟件采用C++編程開發環境實現的過程中，建立C++項目后，在菜單的“項目”-“引用”中添加OPC自動化包裝庫OPC Automation 2.0。

3.3.2" C++開發流程及關鍵代碼

變量聲明：使用關鍵字WithEvents表明對象支持事件，并進行連接OPC服務器和建立OPC組的相關操作（圖9）。

添加OPC項：在對OPC服務進行訪問前，先在OPC組里添加要訪問的OPC項，從OPC服務器中瀏覽標簽項，并添加到已建立的組MyGroup中（圖10）。

數據讀寫：進行異步訪問前，建立異步用的通信通路，通過該通路，OPC服務器可回調OPC應用程序的事件處理程序，及時通知數據訪問的結果（圖11）。

3.3.3" 在PLC上建立OPC服務

使用step7打開地操PLC的項目，在PROJECT中插入PC站點（圖13）。

在CONFIG中，插入OPC服務器和IE General，配置好相關參數，將其連接到WLAN_THXS_PF網絡中，點擊“保存并編譯”（圖14）。

在該項目中的XDBs文件夾中，找到pcst_1.xdb，進行復制并保存。在MCT電腦中，安裝好SIMATIC.NET軟件后，點擊電腦右下角的電腦圖標，然后點擊導入站點按鈕，選擇 pcst_1.xdb，點擊確認。

3.3.4" 任務下達與測試

MCT系統將搬運任務寫入穿梭車主PLC的DB11數據塊中。在OPC通信配置好后，利用配方庫環形穿梭車模擬下達任務。模擬任務明細為：任務號32101，托盤號100，起始站臺425，卸貨站臺678，任務類型為自動。將該任務下達至4#穿梭車，并查看PLC的DB11數據塊情況，驗證任務下達是否成功（圖15—17）。

3.4" 安裝MCT運行程序

3.4.1" 修改源代碼

對MCT軟件的源代碼進行修改，使其適應新的硬件環境和通信協議。

3.4.2" 編譯與安裝

編譯成功后，將MCT運行程序安裝在MCT替代系統平臺之上。安裝后，MCT運行程序的啟動時間僅為48 s，滿足系統性能要求（圖18）。

4" 系統測試與驗證

4.1" 功能測試

對MCT替代系統的各項功能進行全面測試，包括與物流調度系統的通信、穿梭車的控制、任務的分配和執行等。測試結果表明，該系統能準確接收指令，并控制穿梭車完成相應任務，各項功能正常。

4.2" 性能測試

對MCT替代系統的性能進行測試，包括系統的響應時間、任務處理能力、網絡負載等。測試結果顯示，該系統響應時間短，任務處理能力強，能滿足物流輸送系統的要求。同時，系統網絡負載較低，不會對原有網絡造成太大影響。

4.3" 穩定性測試

對MCT替代系統進行長時間的穩定性測試，模擬各種可能出現的故障情況。測試結果表明，該系統穩定性高，能在長時間運行中保持正常工作，不會出現頻繁故障。

4.4" 與原MCT系統的對比測試

將MCT替代系統與原MCT系統進行對比測試，在相同工作條件下，對系統的性能、穩定性等方面進行比較。測試結果表明，MCT替代系統在性能和穩定性方面均優于原MCT系統，能更好地滿足物流輸送系統的要求。

5nbsp; 結束語

通過對物流穿梭車MCT替代系統的研制，成功解決了原MCT系統不穩定導致物流中止的問題。該替代系統采用集中式系統架構模式，結構簡單，易于實現和管理。在組成模塊設計方面，選用工控機作為硬件平臺，搭配Windows 10操作系統和SQL Server 2022數據庫的軟件平臺，通過C++語言編寫通信程序實現與PLC的高效通信，并對MCT運行軟件進行改進，使其適應新的硬件環境。在具體實施過程中，順利完成了硬件平臺的搭建、軟件平臺的安裝、基于OPC技術協議的通信實現及MCT運行程序的安裝。經過系統測試與驗證，該替代系統在功能、性能、穩定性等方面表現出色，能滿足物流輸送系統的需求。研制成功的MCT替代系統，對故障MCT系統更換并恢復正常生產的平均時間為9.9 min，有效解決了物流中止時間過長的問題。

注釋：

① 通過第三方組態軟件實現PC與PLC之間的數據鏈接，并提供基于Windows操作系統的DLL函數實現PLC與PC之間的數據交換和處理。

② GPIO的英文全稱General-Purpose Input /Output Ports，中文意思是通用I/O端口。在嵌入式系統中，經常需要控制許多結構簡單的外部設備或者電路，這些設備有的需要通過CPU控制，有的需要CPU提供輸入信號。并且許多設備或電路只要求有開/關2種狀態就夠了。比如LED的亮與滅。對這些設備的控制，使用傳統的串口或者并口就顯得比較復雜，所以，在嵌入式微處理器上通常提供了一種“通用可編程I/O端口”，也就是GPIO。

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