多路径可配置大型货物输送线控制系统设计.doc

多路径可配置大型货物输送线控制系统设计摘要：设计了适用于大型货物处理的多工位组装、多路径输送控制系统。系统可自动跟踪保持在不同路径上输送的货物与货物信息的同步。系统采用计算机与PLC构成的两级硬件架构。PLC控制软件采用管道过滤器模式软件架构。为适应控制系统实时多任务的要求和方便系统分解和实现，对管道过滤器架构底层做了面向对象的改造。过滤器中的输送机控制模块按照面向对象方法分析设计。设计了用于分发来自计算机的输送指令信息到输送机控制模块的过滤器作为软件的调度中心。输送指令信息以消息方式在各个模块间传递。实现了一台PLC对22台输送机的独立又相互协助的控制。PLC软件架构可在类似分布式柔性输送系统控制软件开发中重用。关键词：可配置多路径输送；输送系统；控制系统；可编程控制器；软件架构Control System for Path-Configurable Transportation Line for Large Cargo HandlingAbstract: A control system for path-configurable transportation and multi-site assembly line for large cargo handling was developed. The system can maintain the information of the cargos synchronized with the cargos transported in different paths. Generic PC/PLC-based two-layered hardware architecture was adopted in the system. The PLC control software employed pipe and filter model as its architecture. The pipe and filter model was adapted at its sub layer according to object-oriented method to meet the need of real time multitask control. The filters which are used to control the conveyors were designed as objects. One filter, which is the control center of the filters, was designed to dispatch the commands and information to the control objects. The commands and information were transferred between the control objects by messages. The system employed one PLC to control a group of conveyors, which were working independently and concurrently. The adapted architecture can be reused as a framework of control software for distributed flexible transport.Key words: Path-configurable transporting; Material Handling; Control system; PLC; Software architecture0 引言航空货运集散中心航空货站的出港货物处理流程是：散装货物收取、散货暂存、散货组装到集装器、集装器暂存到立体仓库、集装器出库（登机）。为提高运行效率，大型航空货站提出了对大型货物多工位处理多路径输送系统的需求。航空货站的货物输送及处理工艺有五特性。特性一，其输送的对象是航空集装器，从其体积和重量上看属于大型货物。特性二，航空货运物流处理中，同一个集装器货物可能需要在不同地点（工位上）多次组装，这提出了输送系统多工位的要求。特性三，由于航空货物装机配载的要求以及航空货物批量小、品种多的特点，每个集装器的装载操作流程经过的工位是不同的，提出了输送路径可随时变化的要求，即多路径要求。特性四，多个集装器在不同工位上同时组装、处理，要求控制系统具有多任务并发处理功能。特性五，要求对输送货物的信息进行实时跟踪。由于以上特性，在航空货站的物流执行系统中，用一般的输送机和顺序控制方法难以实现对物流的有效控制。机械方面，输送机为辊道台输送方式，输送系统由多个可独立工作的输送机排列形成输送机组。物流执行系统的控制软件是实现多工位处理多路径输送等要求的关键。文献1中设计的柔性物流输送系统输送线为环形，通过托盘上编码信息识别工件。文献2中涉及的生产原料输送系统输送的货物类型单一。两个系统都没有多工位处理多路径输送要求，也不需要信息跟踪。文献2以及其他一些文献提出了把面向对象的软件技术应用到复杂PLC控制软件的开发。但单纯的面向对象开发方法已经不能适应本系统的特性需求。软件发展的新技术在PLC控制软件开发中应用一般较晚3。软件架构即软件体系结构技术和面向对象技术在PLC软件开发中应用同样较少见。本文把软件架构技术引入PLC软件开发，以期为该领域开发提供一个范例。正如文献4中所述“为工业软件设计体系结构时，必须将纯的体系结构风格改造成专用风格来满足特定领域的需求”，本系统应用了管道过滤器架构4，并对其做了局部的面向对象的改造。本设计在系统底层对象的分析与设计方面本文与文献3和5相似，但文献3、5在系统架构方面关注较少，本文提出了更高层次上的软件架构的设计，提供了更多实现细节。1 输送线及其设备布局图1为一输送机组平面布置图。在大中型航空货站中配置类似的输送机组3到6组。货物在可升降双向输送机上组装到集装器，然后输送到集装货物立体仓库区。空的或需要重新组装的集装器也可能需要从立体仓库区反向输送到集装器组装区。图示输送机组共有4种类型22台输送机。图中的8台可升降双向输送机设计为集装器组装以及称重、打标签和录入货物信息的操作工位。输送机D2A、D5A与立体仓库堆垛机接口。输送电机采用变频器驱动。图1 输送机组配置示意图2 控制系统总体规划控制系统由监控计算机和PLC两级组成。输送机组分为手动、半自动、联机自动3种工作模式。手动和半自动模式下由PLC单独控制输送机组。联机自动模式下监控计算机和PLC协作完成输送机组控制。手动模式下提供单台设备的单一动作操作功能。半自动操作模式下，操作员通过触摸屏操作输入相关信息，当操作员选取目标地址后，PLC控制系统自动把货物输送到目标地址。由于PLC资源有限，半自动模式下不考虑多个货物同时输送时可能产生的路径冲突问题。联机自动模式下，PLC与监控调度上位机联网，PLC按照上位机发来的指令执行输送动作，并向监控计算机报告输送机输送执行情况。路径冲突问题由上位机调度解决。为了便于维护和减少故障输送机对整个机组的影响，采取了工作模式的分组控制策略。邻近的几个输送机构成一个工作小组。对于如图1示的一组输送机组的控制，采用一台PLC为主控制器。主控制器通过现场总线与分组控制柜中的远程IO模块通信。并通过工业以太网交换机与工位旁的8台触摸屏以及监控调度计算机通信。3 PLC控制软件设计主要介绍PLC控制软件设计。3.1 货物信息跟踪设计本系统中，由于每个被输送的货物的批次信息不同，以及处理过程的多工位、多路径特点，需要实时跟踪保持实际货物流和信息流的同步。以便输送控制系统做出相应的处理，或用于校验，或提交管理信息系统处理。跟踪传输的信息包括货物自身和控制相关两类信息。PLC通过相连的传感器或触摸屏获得两类信息，信息具体内容详见3.2节。在一些生产线中，常采用条形码技术对物料进行全程数据跟踪。但是，条形码技术会增加贴码工序、读码设备，相应地增加成本。且条形码在数据动态变化的应用中显得不方便。本系统采用可编程序控制器进行集装器及其货物数据的同步输送，实现的数据全程跟踪。信息跟踪在监控计算机和PLC控制系统上分别实现，以起到相互校验和备份的功能。3.2 监控计算机与PLC的通信设计在联机自动模式下，监控调度计算机向机组PLC控制系统下达输送指令，指挥机组中某一台输送执行输送动作。输送指令为一个结构体。其分量包括：货物起始(输送机)位置、目标位置、货物号、货物重量、集装器类型、货物外形、输送指令类型、是否旋转、操作员工号等。输送机执行输送指令后把执行情况自动报告给监控计算机。PLC控制系统与监控计算机的通信采用PLC共享内存方式。在PLC数据存储器开辟指令数据“窗口”和报告数据“窗口”，并设置应答标志，以实现信息交互同步6。输送机组PLC控制软件中设计了指令接收模块和报告发送模块以实现与监控计算机的通信。3.3 PLC控制系统软件架构货物在输送机之间依次传输，这与管道过滤器模式处理数据的方式相似。用PLC软件实现管道过滤器模式以映射输送过程，可方便的同时实现数据与货物输送的同步。不同于一般过滤器，本系统过滤器输送机控制模块较复杂，它需要完成输送机械的控制和货物信息的维护和传递。它同样有自身的控制数据和控制功能。面向对象技术适合应用于分布式系统。多个对象分别实现和存在，可方便的处理多任务并发操作。由此本文把输送机控制模块映射为对象实现。根据对PLC控制系统系统信息跟踪和多任务并发控制要求，控制软件总体采用面向数据的管道过滤器模式4。各个输送机控制模块部分采用面向对象模式。软件各个模块设计为一个个数据处理机，模块间关系和数据流如图2所示。输送机控制部分按照面向对象方法对系统进行了分解。模块间的数据通过消息方式传递。指令队列和状态报告队列为FIFO（先进先出）队列。指令队列中的货物输送指令来自现场触摸屏输入或上位监控计算机，指令生产模块或指令接收模块完成与触摸屏或上位机的交互并实现指令的校验后把指令压入指令队列。图2 PLC控制软件结构示意图3.4 指令分发及任务调度控制软件的中枢是“指令分发及任务调度”模块。指令分发及任务调度模块把指令分发到(压入各个输送机控制模块的指令队列)各个输送机控制模块，并激活相应的输送机控制模块，实现输送机控制任务的动态调度。所有输送机控制模块在指令分发及任务调度模块中显式调用。调度的方法是通过控制其子程序“调用使能位”实现5。3.5 输送机控制模块输送机控制模块控制输送机的动作，并把任务执行情况压入指令报告队列以便与监控计算机通信。或把一个配合动作指令压入指令队列，通过“指令分发及任务调度”模块把配合动作指令发送到另外一个输送机控制模块，以通知其他输送机控制模块进行配合动作。输送机控制模块完成传来的输送指令后复位自身的调用使能位，使自己进入休眠，直到被指令分发及任务调度模块激活置位其调用使能位。任务调度方法请参考文献5。每个输送机控制模块（对象）对应于实际的一台输送机的控制。按照实际存在的输送机类型，系统设计了四种输送机控制子程序（类）。每个输送机设计了相应的控制数据。模块内部设计方法详见文献5。3.6 输送路径控制半自动工作模式下的路径控制在输送机控制模块中实现。根据图1输送机组排列特点，各个工位上的输送机首先把货物输送到主干道即中间的一排输送机上。中间的输送机先比较当前纵坐标和目标地址纵坐标的大小关系确定输送的纵向方向，直到相等后比较横坐标确定输送的横向方向。联机自动控制方式下由监控计算机调度实现多路径控制。为提高实时监控效率，监控计算机事先根据Dijkstra最短路径搜索算法计算出所有可能的路径（包括不同输送机组中的工位间的路径），保存在数据库中。需要时根据货物起点和终点查询出货物路径。在发送指令控制货物进入关键路径前先判断是否有路径冲突，并根据货物输送优先级设定决定是否允许货物进入关键路径输送机。即，采取了主动避让策略，以避免死锁的发生。4 系统实现与应用PLC控制软件在Rockwell的Control Logix 5562(Rockwell公司也称其为PAC)上编程实现，一个输送机组的控制程序规模(程序文件大小)约2MB，程序扫描周期在1到2毫秒。设计的输送孔子系统于2009年6月在某机场大型货运站实施，替代了进口。由于控制软件系统分析合理、结构清晰，加快了系统调试。5 结束语为实现实时多任务并发控制和物流与信息流的实时跟踪，在大型货物多工位处理和多路径输送PLC控制系统软件开发中应用了管道过滤器软件架构技术，对该架构局部应用了面向对象的技术实现。该系统软件设计方法较一般的顺序控制程序设计方法更适合大规模分布式控制系统开发。实现的软件架构具有较强的适应性，便于重用。为该行业应用开发提供了实用的范例。参考文献1 LI De-chuan, Design of Flexible Transportation System for Auto Process of Work pieces J. Modular Machine tool & Automatic Manufacturing Technique. 1999,（9）:7-9 (in China). 李德川.柔性物流输送系统的设计J. 组合机床与自动化加工技术. 1999，（9）：7-9.2 HUANG Yong, ZHUANG Cheng, GAO Dong-jie. Modeling, Optimizing and Implementing of Transportation System with UML. Control Engineering of ChinaJ. 2006, 13(1):55-59 (in China). 黄咏,庄诚,高东杰. 输送系统的UML建模、优化与实现J.控制工程.2006,13(1):55-59.3 Michael F. Zaeh, Clemens Poernbacher. Model-driven development of PLC software f