基于无人天车技术的物流设备智能集群控制系统

张春杰

摘 要：通过充分解读“中国制造2025”战略部署，以推进钢铁企业智能制造为目的，研发基于无人天车技术的物流设备智能集群控制系统，增强企业信息建设中物流设备与生产环节信息的衔接，实现更积极的物流流转状态，同时保证物料信息不落地，贯通整个生产物流流程。系统功能包括物流设备列表、障碍物数据库、天车障碍物避让、过跨车与天车统一调度、步进梁与天车协同配合、天车安全避让机制、运输汽车管理。

关键词：无人天车；智能集群；自动控制

中图分类号：F713 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0023-02

1 前言

随着这“中国制造2025”战略的部署与推进，智能、网络、协同与控制技术和无人控制技术得到了空前发展。钢铁企业作为第二产业的排头兵，肩负着建设智能化现代工厂的历史使命。

国内大型钢铁企业目前均已进入自动化生产时代，主要产线都有相应的信息化管理和控制功能，但是在企业内部的物流管理中还存在着不同程度的薄弱环节，特别是信息系统建設中物流设备与生产环节信息的衔接，生产部分不能作为独立信息节点纳入到物流管理中，不易实现产品全流程信息追溯。

冶金物流设备包括原料入库天车、上线天车、原料过跨车、上线步进梁、下线步进梁、下线天车、中间库过跨车、成品库过跨车、出库天车、运输汽车等设备。其中，上下线步进梁作为生产和物流交互设备，具有双重身份。现有物流管理对于这些设备属于松散管理，没有统一调度和控制，容易造成运力浪费，影响物流流转效率。

2 系统设计

2.1 系统架构

为了实现物流设备最优行走路径，设备集群控制，提高整体系统的运行效率。结合一级PLC系统对现场信息采集的优势，对系统进行模块化编程，将整个程序分为若干个功能块。由主程序开始依次调用，分为以太网通讯、设备状态检测、出入库汽车位置坐标定点、步进梁鞍座位置坐标定点、过跨车位置坐标定点、天车三维空间坐标定点、库区障碍物信息采集、设备动作命令发布这一流程划分程序模块，程序流程图如图1所示。

系统采用Oracle数据库来存储与管理数据。Oracle数据库可以很好地实现本系统对数据库的频繁访问，大流量的数据访问和及时的数据交换。系统数据库主要包含如下数据表：设备状态检测数据表、出入库汽车位置坐标定点数据表、步进梁鞍座坐标定点数据表、过跨车位置坐标定点数据表、天车三维空间坐标定点数据表、库区障碍物信息数据表、设备动作命令发布数据表。

2.2 搭建物流设备列表

搭建物流设备列表，将设备纳入到统一系统中。冶金物流设备包括入库汽车、原料入库天车、上线天车、原料过跨车、上线步进梁、下线步进梁、下线天车、中间库过跨车、成品库过跨车、出库天车、出库汽车等设备。这些设备分别分布在厂区的原料库、轧后库、成品库，分别链接物流工艺的原料入库、原料上线、成品下线、成品库内流转、成品发货等流程。

通过对设备运行关键性分析，得出运输汽车、步进梁、过跨车、天车是物流关键设备的结论，在系统中对这些设备实现自动控制和集群调度。

2.3 设立障碍物数据库

在库房的整个工作区域内，包含了各种地面附着物、钢结构和机械设备，这些设备的存在因其不可移动，形成了物流设备工作空间内的静态障碍物。相对的，库房内还有许多可移动障碍物，比如运输汽车、可移动的货物等，由此形成物流设备工作空间内的动态障碍物。这两种障碍物在设备工作过程中，特别是天车工作的时候，对设备安全造成了极大的磕碰隐患，因此，系统在调度设备运行时要合理避让这些障碍物。

为了更加合理的避让障碍物，需要对整个库房内的障碍物做如下梳理：

建立以库区西北角为原点、大车方向为X轴、小车方向为Y轴的平面坐标系。

查验各个静态障碍物的位置、大小、高度信息等。将不规则的障碍物形状简化成矩形形状，矩形以地面为投影背景，形成四边分别平行于坐标系X轴和Y轴的矩形，矩形应完整包含障碍物并留有一定的安全距离作为天车停止缓冲地带。

建立系统内步进梁、过跨车、天车和车辆识别系统的通讯和资源共享机制，获取各个动态障碍物的可移动范围、大小、高度信息、最终停止位置等。根据实际测量，将静态障碍物的矩形化投影位置、大小、高度等信息固化到障碍物信息表中；将动态障碍物的矩形化投影可移动范围、大小、高度信息、最终停止位置等关联到障碍物信息表中。由此形成设备障碍物信息。

2.4 天车障碍物避让

由分析得知，在设备运行中存在障碍物避让需求的设备只有天车，因此针对天车研发天车障碍物避让功能。天车障碍物避让是直接影响天车工作效率和工作安全的重要功能，障碍物避让的优劣直接决定了系统运行的平稳性、流畅性和安全性。投入避让的系统在安全避让障碍物的基础上充分考量通过效率和运行平稳等因素，采用了以主从控制理念实现准矢量控制的控制方案。

将天车大车和小车运行方向，分别命名为X和Y。无人天车行进过程中，需要对X和Y方向上有无障碍物进行多次判断。若有n个障碍物，则对应的X和Y值也有n次变化，并据此将一个工单分解成n+1个工单，每一个工单的行走路径都是基于工单分解中X和Y值变化而规划的，使每一个障碍物的物理坐标成为一个天车行进过程中的路径拐点。

2.5 设备集群控制

设备集群控制是指有交互作业的物流设备在协同工作时由于工作空间重叠而引起的移动冲突和工作交互。设备集群控制包括过跨车与天车统一调度、步进梁与天车协同配合、天车间安全避让机制、运输汽车管理。过跨车与天车统一调度能够有效提升原料和成品在库房内过跨调度的流畅性和安全性；步进梁与天车协同配合直接影响生产线工作节奏和工作效率；天车间安全避让机制是系统最重要的安全保障和效率提升途径，系统在安全避让其它天车的基础上充分考量工作效率和运行安全等因素，采用了以硬防撞为最终安全屏障，预防针和软防撞为主要防撞手段的多级防撞控制方法；运输汽车管理不仅能够提前调度运输车辆进入等待位，还能贯通生产物流与厂际间物流，强化运输汽车调度能力，增强物流收发能力。

下面详细说明此控制功能：

2.5.1 過跨车与天车统一调度

将过跨车进行PLC改造，增加过跨车定位传感器，采集过跨车位置信息，建立过跨车与天车间数据通讯。因为过跨车使用频率远低于天车使用频率，因此在系统中设定过跨车优先级低于天车，过跨车根据天车工单进行工作。

2.5.2 步进梁与天车协同配合

步进梁作为生产线的延展，分为上线步进梁和下线步进梁，其作用主要是为产线提供原料和输出产线成品。步进梁具有双重身份，首先是与生产线联系极为紧密，步进梁工作节奏直接影响生产线生产节奏；其次步进梁作为上线和下线设备，是物流流程的重要一环。为了合理分配步进梁工作任务，系统将步进梁与天车进行数据通讯，天车为上线步进梁提供上线原料信息，下线步进梁为天车提供下线成品信息和位置信息，保证原料和成品信息不落地。步进梁接收天车发送的锁定和解锁定命令，由此区分步进梁双重身份。

2.5.3 天车安全避让机制

天车安全避让机制主要分为三个层面，分别为设立硬防撞、设立软防撞和设立预防撞。

首先，在无人天车大车梁两侧，安装两套模拟量传感器和数字量传感器，共计4套防撞传感器，以此保证正常运行条件下，无人天车的运行安全性。

其次，在无人天车控制程序内添加相邻天车距离判断和通信判定，以期在触发硬防撞之前，先期判断出可能发生的碰撞，提前控制天车降速或停车，保证天车以更平缓的状态刹车。

最后，预防撞的根本在于协调多部天车的协同工作，使多部天车同时工作中，不发生可能出现的防撞现象。

2.5.4 运输汽车管理

根据物流管理的实际需求，将进出厂区的运输汽车纳入到集群控制系统中，进行详细路由跟踪，采集识别运输汽车信息，生成汽车跟踪信息情报，建立汽车跟踪汇总表。汇总表内容包括：装配单号、车牌号、车辆IC卡号、装/卸卷停车位置、负载钢卷数量、需装卸钢卷数量、入库/出库状态、是否检验等信息。其中装配单号可以展开浏览，涉及内容包括钢卷号、宽度、外径、内径、重量、钢种、厚度、产品质量、装卸卷顺序等信息。汽车运输管理拥有车辆预约功能，能够优化指定汽车停待位，显著提高装卸车效率，建立了生产物流与外界的沟通桥梁，贯通了生产物流全流程的最后一环。

3 结语

基于无人天车技术的物流设备智能集群控制系统不仅能够对设备间的防撞、冲突进行系统化的管理与控制，更能够合理协调调动设备间的工作关系，由此实现更积极的物流流转状态，同时保证物料信息不落地，贯通了整个生产物流流程。通过将冶金物流设备纳入到统一系统中，提升物流设备与信息化系统的契合度，提升设备调度能力和整体物流作业率，有效减少人工用量，减少不必要设备运行，保证物流流转过程中信息跟踪可持续，实际意义重大。