（廣東科技學院 機電工程學院，東莞 523083）

0 引言

現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)化企業(yè)在轉(zhuǎn)型的過程中，為了適應當前消費者對糧食產(chǎn)品安全，快速等需求，提出打通“從田到桌”的戰(zhàn)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(chǎn)地投資建造自動化倉儲物流系統(tǒng)，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(tǒng)是自動化倉儲系統(tǒng)中關鍵的一環(huán)[3,4]，它影響著農(nóng)業(yè)物流作用效益及物流成本[5,6]。在行業(yè)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(yè)智能倉儲控制系統(tǒng)設計時，發(fā)現(xiàn)目前多數(shù)食品企業(yè)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(yōu)化，與當代農(nóng)業(yè)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(tǒng)。

1 總體設計方案

所設計的智能物流輸送控制系統(tǒng)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(jù)路徑優(yōu)化算法進行路徑規(guī)劃，物流小車按照規(guī)劃的最優(yōu)路徑，將貨物送到對應節(jié)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(yè)，同時對應層的物流小車將糧食輸送到指定地點，根據(jù)倉儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本次課題設計的垂直往復升降機層數(shù)可選，硬件采用模塊化設計。

設備主要參數(shù)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(tǒng)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(tǒng)框圖所示[7]。PLC控制器通過網(wǎng)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(zhí)行機構(gòu)，通過數(shù)字量輸入模塊采集傳感器信號及其他數(shù)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(jù)當前各提升機的狀態(tài)與路線情況，按照時間最優(yōu)和路徑最短等指標進行路徑規(guī)劃，指定物流小車輸送貨物到最優(yōu)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(tǒng)模塊設計

2.1 電氣控制模塊

經(jīng)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(shù)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(jù)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(shù)字信號模塊SM1223，2組數(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 PLC的主要輸入分配

表2 PLC的主輸出分配

表2 （續(xù)）

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(nèi)，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(nèi)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(fā)生故障，需要在程序中進行聯(lián)鎖控制，當突入檢測和轎廂已到達，即允許水平輸送機繼續(xù)輸送，否則報警且暫停，如圖4中1～4所示。當轎廂內(nèi)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(shù)定位板確定轎廂的位置，根據(jù)數(shù)值確定轎廂上升或下降，減速或加速。如轎廂1F到2F，則會經(jīng)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(guī)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(fā)生，需要對物流小車的路徑進行規(guī)劃。

針對多物流小車路徑規(guī)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(guī)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(yōu)為主原則，節(jié)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(shù)為M，總物流小車數(shù)為N，終點集合為：

本課題通過算法規(guī)劃路線，使物流小車從終點集合中選出最優(yōu)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(nèi),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(guī)劃中選擇的時間最優(yōu)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(tài)及剩余時間；

3）物流車在入口點裝滿貨物后，等待控制器發(fā)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(jù)集合Z的值和T（初始化時完成）的值計算集合Z；

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

7）將最優(yōu)解發(fā)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(tǒng)程序由主模塊Main（OB1），F(xiàn)B，F(xiàn)C和DB構(gòu)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(shù)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(diào)用一次FC即可，如圖9所示為主程序中調(diào)用的提升機工作站工作系統(tǒng)函數(shù)；圖10為提升機工作站的狀態(tài)功能塊，實時采集提升機工作站的狀態(tài)。

圖9 主程序局部圖

圖10 提升機工作站狀態(tài)程序圖

3 試驗數(shù)據(jù)分析與處理

通過試運行，將單臺提升機工作站的測試結(jié)果和人工輸送的結(jié)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(jié)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(guī)劃的控制系統(tǒng)進行了測試，與不進行路徑規(guī)劃，隨機指定提升機站的結(jié)果進行了對比，如表4所示。

表4 路徑規(guī)劃與隨機指定效率對比

由表4所示的結(jié)果可知，采用控制器進行路徑規(guī)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(tǒng)路徑自動規(guī)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(jié)省人力5人左右，高峰時期可節(jié)省人力8～9人，平均每臺工作站可節(jié)省1人，減少了企業(yè)的用人成本。

4 結(jié)語

1）傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)倉儲系統(tǒng)多以人工管理，人工運輸?shù)哪Ｊ綖橹鳎嬖诓僮餍实?，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(tǒng)。

2）該系統(tǒng)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(xiàn)了糧食貨物輸送的實時監(jiān)控、自動運行、手動測試，物流小車路徑規(guī)劃等多項功能。

3）該系統(tǒng)投入到某食品智能倉儲企業(yè)運行，為其自動化物流的一個重要環(huán)節(jié)，通過一個月的試運行測試后，正式投入使用，其實現(xiàn)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(yōu)化算法輸送效率提高效率1倍左右。

4）經(jīng)過測試，日常運轉(zhuǎn)可節(jié)省人力5人左右，高峰時期可節(jié)省8～9人，平均每臺工作站節(jié)省1人，較好的減輕了企業(yè)負擔。