2011年9月控制工程Sep. 20 1 1 第18卷第5期Control Engineering of China Vol. 18, No. 5 文章编号:1671-7848 (2011) 05-0735-03 大型货物柔性输送及处理自动化控制系统马殷元，蒋兆远(兰州l交通大学机电技术研究所，甘肃兰州730070 ) 摘要:设计了适用于大型货物处理的多工位组装、多路径输送的自动化系统。采用计算机与PLC构成两级硬件架构。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。在PLC软件设计中，通过合理的任务调度，减少了PLC软件扫描周期，提高了实时性。PLC软件架构可在类似分布式柔性输送系统控制软件的开发中重用。关键词:柔性输送线;物流处理;控制系统;可编程控制器;软件架构中圄分类号:TP27 文献标识码:AControl System for a Flexible Conveying Line for Processing Large Cargos MA Yin-yuan, JIANG Zhαo-yuan (Institute of Mechanical and Electrical Technology, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China) Abstract: A control system for path-configurable transportation and multi-site assembly line for handling large cargos was developed. Generic PC/PLC-based two-Iayered hardware architecture was adopted. Pipe and filter model was employed in the PLC control software as its architecture. The pipe and filter model was adapted at its sub layer according to object-oriented method to implement a real-time multitask control system. 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 objects by messages. One PLC was employed in the system to control a group of conveyors, which were working independently and concurrently. The control tasks were despatched dynamically in the software, which reduced the scanning cycle time of the PLC, and improved the performance of the system. The softeare architecture can be reused as a framework of control software for distributed flexible transport. Key words: flexible conveying line; material handling; control system; PLC; software architecture 士一同离系统进行人工干预的单机控制和协调多个输送机1引完成工艺流程的协调调度。要求输送机组可同时输大型航空货站货物出港处理流程是:散货收送至少16个集装器，不碰撞，不形成堵塞。这构取、散货暂存、散货组装到集装器、集装器暂存到成了多任务并发、实时控制要求。这与常见的小型立体仓库、集装器出库。航空集装器是大型货物，货物和原料输送系统不同。文献[1 J中设计的柔性人工搬运费时费力，自动化输送处理系统可提高货物流输送系统输送线为环形，文献[2J中涉及的生站生产效率。国内某航空货站2004年建成的自动产原料输送系统输送的货物类型单一，二者都没有化货物输送处理系统由加拿大某公司设计，其软件多工位处理多路径输送功能。系统每年正常维护的服务费高达10多万美元。高目前尚未发现可参考的大型控制系统软件样费用的原因一是非本国化服务，另外也由于国内公例。本系统开发综合了软件工程思想和实时控制系司在该领域缺乏经验和竞争力。因此，开发大型货统方法，提供了类似系统PLC控制软件的范例。物输送处理系统对货运行业的发展具有战略意义。2 输送线及工艺要求输送系统由数十台输送机组成，每个集装器处理工艺不同，控制系统需要实现单个输送机随时脱一输送机组平面布置图，如图1所示。收稿日期:201O-D6-28; 收修定稿日期:201O-D9-10 基金项目:甘肃省科技重大专项基金资助项目(0702GKDA018) 作者简介:马殷元(1973斗，男，甘肃民勤人，博士，主要研究方向为制造执行系统等;蒋兆远(1954-)，男，教授，博士生导师。
.736. 控制工程第18卷有限，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l所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10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图1输送机组配置示意图算机通信。Fig. 1 Equipments layout of a conveyors group 4 控制软件开发方法分析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，由于工艺的特性，在航空货站的物流执行系统然后输送到集装货物立体仓库区。空的或需要重新中，用一般的输送机和顺序控制方法难以实现对物组装的集装器也可能需要从立体仓库区反向输送到流的有效控制。物流执行系统的控制软件是实现多集装器组装区。图示输送机组共有4种类型22台工位处理多路径输送等要求的关键。文献[2J以及输送机。图中的8台可升降双向输送机设计为集装其他一些文献提出了把面向对象的软件技术应用到器组装以及称重、打标签和录人货物信息的操作工复杂PLC控制软件的开发。但单纯的面向对象开位。输送机D2A，D5A与立体仓库堆垛机接口。发方法已经不能适应本系统的特性需求。软件发展输送电机采用变频器驱动。的新技术在PLC控制软件开发中应用一般较晚[3J。航空货站的货物输送及处理工艺有五特性。特软件架构即软件体系结构技术和面向对象技术在性一，其输送的对象是航空集装器，从其体积和重PLC软件开发中应用同样较少见。量上看属于大型货物，不易处理。特性二，航空货本文把软件架构技术引人PLC软件开发，以运物流处理中，同一个集装器货物可能需要在不同期为该领域开发提供一个范例。正如文献[4J中所地点(工位上)多次组装，这提出了输送系统多工述"为工业软件设计体系结构时，必须将纯的体系位的要求。特性三，由于航空货物装机配载的要求结构风格改造成专用风格来满足特定领域的需求以及航空货物批量小、品种多的特点，每个集装器本系统应用了管道过滤器架构问，并对其做了局部的装载操作流程经过的工位是不同的，提出了输送的面向对象的改造。本设计在系统底层对象的分析路径可随时变化的要求，即多路径要求。特性四，与设计方面本文与文献[3，5J相似，但文献[3，5J在多个集装器在不同工位上同时组装、处理，要求控系统架构方面关注较少。制系统具有多任务并发处理功能。特性五，要求对5 PLC 控制软件设计输送货物的信息进行实时跟踪。机械方面，输送机为辐道台输送方式，输送系统由多个可独立工作的1)货物信息跟踪设计本系统中，由于每个输送机排列形成输送机组。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3 控制系统总体规划设计和信息流的同步。以便输送控制系统做出相应的处控制系统由监控计算机和PLC两级组成。输理，或用于校验，或提交管理信息系统处理。跟踪送机组分为于动、半自动、联机自动3种工作模传输的信息包括货物自身和控制相关两类信息。式。手动和半自动模式下由PLC单独控制输送机PLC通过相连的传感器或触摸屏获得两类信息，信组。联机自动模式下监控计算机和PLC协作完成息具体内容详见下文。输送机组控制。在一些生产线中，常采用条形码技术对物料进手动模式下提供单台设备的单一动作操作功行全程数据跟踪。但条形码技术会增加贴码工序、能。半自动操作模式下，操作员通过触摸屏操作输读码设备，相应地增加成本。且条形码在数据动态入相关信息，当操作员选取目标地址后，PLC控制变化的应用中显得不方便。本系统采用可编程序控系统自动把货物输送到目标地址。由于PLC资源制器进行集装器及其货物数据的同步输送，实现的
第5期马殷元等:大型货物柔性输送及处理自动化控制系统.737. 数据全程跟踪。信息跟踪在监控计算机和PLC控队列中的货物输送指令来自现场触摸屏输入或上位制系统上分别实现，以起到相互校验和备份的功监控计算机，指令生产模块或指令接收模块完成与能。触摸屏或上位机的交互并实现指令的校验后把指令2)监控计算机与PLC的通信设计在联机自压人指令队列。动模式下，监控调度计算机向机组PLC控制系统4)指令分发及任务调度控制软件的中枢是下达输送指令，指挥机组中某一台输送执行输送动"指令分发及任务调度"模块。指令分发及任务调作。输送指令为一个结构体。其分量包括货物起始度模块把指令分发到(压人各个输送机控制模块的(输送机)位置、目标位置、货物号、货物重量、指令队列)各个输送机控制模块，并激活相应的输集装器类型、货物外形、输送指令类型、是否旋送机控制模块，实现输送机控制任务的动态调度。转、操作员工号等。输送机执行输送指令后把执行所有输送机控制模块在指令分发及任务调度模块中情况自动报告给监控计算机。PLC控制系统与监控显式调用。调度的方法是通过控制其子程序"调用计算机的通信采用PLC共享内存方式。在PLC数使能位"实现[5]。多任务的调度实际上是使空闲的据存储器开辟指令数据"窗口"和报告数据"窗输送机控制模块休眠，也就是PLC不扫描相应模口并设置应答标志，以实现信息交互同步[6]。块，虽然软件上稍微复杂了一些，但带来2个好输送机组PLC控制软件中设计了指令接收模块和处。一是节约了PLC扫描时间，提高了系统实时报告发送模块以实现与监控计算机的通信。性;二是可以减少传统PLC软件中复杂的联锁关3) PLC控制系统软件架构货物在输送机之系的设计。间依次传输，这与管道过滤器模式处理数据的方式5)输送机控制模块输送机控制模块控制输相似。用PLC软件实现管道过滤器模式以映射输送机的动作，并把任务执行情况压人指令报告队列送过程，可方便地同时实现数据与货物输送的同以便与监控计算机通信。或把一个配合动作指令压步。不同于一般过滤器，本系统过滤器-输送机控人指令队列，通过"指令分发及任务调度"模块制模块较复杂，它需要完成输送机械的控制和货物把配合动作指令发送到另外一个输送机控制模块，信息的维护和传递。它同样有自身的控制数据和控以通知其他输送机控制模块进行配合动作。输送机制功能。面向对象技术适合应用于分布式系统。多控制模块完成传来的输送指令后复位自身的调用使个对象分别实现和存在，可方便地处理多任务并发能位，使自己进入休眠，直到被指令分发及任务调操作。故本文把输送机控制模块映射为对象实现。度模块激活，置位其调用使能位。根据对PLC控制系统系统信息跟踪和多任务每个输送机控制模块(对象)对应于实际的一并发控制要求，控制软件总体采用面向数据的管道台输送机的控制。按照实际存在的输送机类型，系过滤器模式[4]。各个输送机控制模块部分采用面向统设计了4种输送机控制子程序(类)。输送机设计对象模式。软件各个模块设计为一个个数据处理相应的控制数据。模块内部设计方法详见文献机，模块间关系和数据流，如图2所示。[5J。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圄2PLC控制软件结构示意图路径。在发送指令控制货物进人关键路径前先判断Fig. 2 Structure of the PLC control software 是否有路径冲突，并根据货物输送优先级设定决定输送机控制部分按照面向对象方法对系统进行是否允许货物进入关键路径输送机。即采取了主动了分解。模块间的数据通过消息方式传递。指令队避让策略，以避免发生路径死锁，造成货物堵塞。列和状态报告队列为FIFO(先进先出)队列。指令(下转第766页)
