一种多路径电动单轨小车悬挂输送系统（EMS）设计

刘晓楠，匡永江，吴 双，李 斌，吴 振

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

使用电动单轨小车悬挂输送进行作业代表了当今世界现代化工业生产流程中输送装备与技术的主要发展方向[1]。EMS系统能够满足各种不同厂房、不同生产工艺、不同生产形态下的生产需要，广泛应用于汽车、工程机械、家电等诸多行业[1]。随着EMS系统的广泛应用，其结构形态呈现多样化。一般形态的单点上、单点下的单路径EMS系统，按生产计划进行点到点的输送，对于多点上、多点下、多道岔的多路径EMS系统，通常需要配送多品种物件。为了满足企业对生产物件配送的合理性、准确性、高效性和实时性的要求，本文采用RFID技术对物件品种信息进行识别、跟踪，基于物件品种信息和装配工位对物件的需求，选取合理的调度策略对电动小车进行调度控制。

图1 EMS系统布局示意图

1 系统组成及流程

EMS系统的功能是按照企业生产计划从上件工位挂装物件，通过长距离的空中轨道运送到指定的装配车间下件工位。系统包括环形轨道，道岔平移机构，电动单轨小车，物件上件工位，装配车间的下件工位，积放存储区和双通道维修工位。在信息识别系统上，每台电动单轨小车安装一个电子标签，每个上件工位、道岔和下件工位处均安装RFID读写设备，用于信息识别与跟踪。

装配线EMS系统按功能分为两个区：积放存储区和配送区。电动小车在上件工位挂装物件，送至积放存储区存储，等待系统调度。配送区是根据装配线下件工位对物件的请求，调度积放存储区的电动小车配送物件。EMS系统的布局示意图如图1所示，其基本流程为：根据企业生产计划从上件工位挂装物件，上件工位A1、A2挂装装配线X所需物件，上件工位B1、B2挂装装配线Y所需物件，上位机下发物件信息通过RFID读写设备写入电子标签并和电动小车号信息绑定，物件信息写入成功后电动小车沿空中轨道运行，在道岔P1,P2, …, Pn-1处RFID读写设备读取电动小车的电子标签，上传给PLC和上位计算机管理系统，PLC依据积放存储区的存储原则下发指令控制道岔移动，电动小车存储于积放存储区C1, C2, …, Cn等待系统调度；装配线X、Y下件工位请求配送物件，依据配送策略，积放存储区送出下件工位请求物件，在道岔Q1处RFID读写设备读取物件信息，电动小车将物件运送到指定的下件工位后返回上件工位。

2 调度策略

本文描述的EMS系统，积放存储区的分配原则和配送区的配送策略直接影响到装配生产线的工作效率，因此，选取合理的分配原则和配送策略是十分必要的。

2.1 积放存储区分配原则

积放存储区的存储功能是EMS系统的一个重要功能，对积放存储区的物件品种进行优化分配，以减少系统配送等待时间，提高生产效率。常用的分配原则有三种：

1）分类分配

这种分配方法是规定各积放存储区存储品种的类型，把同一品种的物件存储于同一段积放存储区。

2）随机分配

随机分配是指不区分物件品种随机存储在某一段积放存储区。一般情况下。随机分配存储优先存储于靠近入口的积放存储区，待此区域存满后分配存储到下一积放存储区。

3）平均分配

平均分配是指把不同品种的物件依次存储于每一段积放存储区，保障每段存储区都有装配工位所需品种的物件。

考虑到流水作业装配线的快节拍，随机分配和平均分配的方法可能造成装配工位所需物件不能及时送达，装配工位长时间闲置的情况，因此采用分类分配的方法进行存储，即规定积放存储区C1, C2, …, Cn分别存放品种Za1, Za2, …, Zan，Z，在道岔P2, P3, …, Pn处，RFID读写设备读取物件信息上传PLC控制电动小车的输送路径。

2.2 配送区配送策略

配送区物件配送运输调度是依据工位需求，以工位所需物件准时送达为目标，为配送小车指派运输时间。在实际的物料配送中，工位的物件配送需求往往有时间的要求，此EMS 系统使用基于时间窗约束的方法，选取合理的时间窗，即最早配送时间和最晚配送时间，对配送物件的电动小车进行调度，减少某些工位因缺少装配物件而引起的等待时间。具体实现方法过程如下：

假设一组装配物件W={W1，W2，W3，…，Wn}，T(Wi)表示装配物件Wi所需时间，物件Wi所需装配时间T(Wi)是固定的，根据各下件工位到装配存储区的距离、电动小车的行驶速度和装配生产线的节拍，计算出配送物件Wi的最早配送时间 T(Wi)min，最晚配送时间T(Wi)max。例如，生产计划的装配顺序为W1，W3，W3，W2，W2，W4，EMS系统调度电动小车从积放存储区送出物件W1后，依据物件W3的时间窗调度小车进行配送，依次循环执行配送所有物件。

3 系统架构

系统架构设计如图2所示。系统硬件分为三部分组成：上位机模块，PLC控制模块，RFID模块。其中，上位机模块包括数据服务器、监控机、管理机，PLC控制模块包括西门子S7-300系列CPU和远程I/O模块，RFID模块包括识别控制器、读写设备和电子标签。上位机模块和PLC控制模块通过交换机互联交互，采用Ethernet通讯。PLC控制模块与RFID模块采用Profinet现场总线通讯。

图2 系统架构设计

上位机模块的主要功能是与PLC进行通讯，显示EMS运行的状态、各种故障，完成系统运行控制、调度、管理、数据的存储、分析、打印等功能。

PLC控制模块采用集中控制与分散控制相结合的方式，所有设备统一由CPU控制。每个电动小车有一个独立的电气控制箱，分布式I/O模块分散布置于现场，采集现场的开关信号并输出动作控制信号。

RFID模块由控制器、读写设备和载码体（即电子标签）三部分组成。载码体有一个固定码存储空间和一个可重写的存储空间。固定码存储空间写入唯一的电动小车号，可重写存储空间写入需运送物件的信息。固定码中的数据只能通过读写设备读出，可重写存储空间中所存储的信息可通过读写设备读出或重新写入。读或写都是通过控制系统发送指令给读写设备完成的。多个读写设备可同时连接到一个控制器，控制器受控于上一级的PLC。

4 结论

物流系统的自动化、信息化和智能化已成为物流业的一个主要趋势。EMS系统采用RFID技术进行信息识别、跟踪，积放存储区利用分类动态存储的方法存储，配送区利用时间窗约束的方法对电动小车进行调度，提高了信息数据的采集准确率，物件配送更合理，减少了装配工位的闲置时间，缩短了生产周期，节约了企业的生产成本。通过工业现场应用，系统运行稳定、可靠，证实了此EMS系统的优越性。

[1]余汪洋.自行小车悬挂输送系统的研究现状与发展趋势[J].中国工程机械学报,2011(9).

[2]任星球.制造企业装配线物料准时配送优化研究[D].浙江：浙江工业大学,2012.

[3]岳涛.RFID关键技术及其在现代物流中的应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.