“库容量”在控制系统中的应用

张新杰 钱海峰

摘  要：现在的控制系统越来越复杂，一个控制系统往往有多个子控制系统构成。在提高整个系统的产能时，我们往往注重提高子系统的产能，而忽视了子系统之间的协调;导致整个系统的产能没有提升，甚至下降。在分析每个子系统的具体作用后，在某個子系统中应用水库的“库容量”原理后，成功提高了整个控制系统产能。

关键词：控制系统;水库;库容量;产能提高

中图分类号：TP13         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）16-0161-02

Abstract： Nowadays， the control system is becoming more and more complex， and a control system is often composed of multiple sub-control systems. When improving the production capacity of the whole system， we often focus on improving the capacity of the subsystem， but ignore the coordination between the subsystems; as a result， the capacity of the whole system has not increased or even decreased. After analyzing the specific function of each subsystem and applying the principle of "reservoir capacity" in a subsystem， the production capacity of the whole control system is successfully improved.

Keywords： control system; reservoir; reservoir capacity; productivity improvement

前言

古语云“他山之石，可以攻玉”，一些看似和控制逻辑“毫无瓜葛”的道理，却可以应用于控制系统的逻辑控制中。

1998年，长江流域发生了特大洪水;长江中下游面临严峻的防洪压力。但是由于近50年来，长江流域水利建设成绩显著，修建了许多水利工程。水利专家科学地应用水库的削峰错峰作用;削减洪峰作用明显，因此造成的损失比1931年和1954年要小得多。其原理是利用洪峰之间的时间差，在洪峰未到达水库前排水，降低水库水位增加库容量（腾库容）;而在洪峰到来时，把洪峰“消化”在水库里。从而实现水库下游河水流量的相对稳定，不会出现较大的波动。

1 产线概述

某项目某产品的自动焊接产线，有一条上料板链线，五个自动焊接工位，一个搬运机器人、一条成品板链线和一个成品下线缓存工位、以及一个AGV运输小车构成。

上料板链线负责把半成品运送至上料区，半成品由人工用KBK吊运至板链线上;板链线常速运行，在接近停止位时低速运行至停止位。到位后，利用RFID设别出产品类别;搬运机器人将半成品搬运至对应的焊接工位进行焊接。焊接完毕后，再由搬运机器人把成品搬运至下料板链线上。下料板链线将焊接完成的成品输送至下料区（同上料板链线，有常速和低速两档速度），同样利用RFID设别出产品类别;由成品下线缓存工位桁架装置吊运至对应的缓存框内。待AGV到达时，再利用桁架装置把缓存框内的成品吊运至AGV上，由AGV小车把成品运输至涂装车间。

2 产线分析

通过对产线的初步分析，不难判断出如何高效利用搬运机器人将是该产线的关键点。

进一步分析该产品，竟多达16种类型，从其机械尺寸上区分也有7种;特别是由三种产品的下平面是异性面。这就造成了成品下料时，不能把成品放置在成品板链线上的任意位置（上料板链线由于是人工上料，可以进行人工干预）。而且同上料板链线相比，增加板链线位置检测装置和物料的有无检测限位。这样可以把成品板链线停止在特定的位置并保证放置物料时不会发生叠放的情况。由于产品类型众多，这也造成了成品下线缓存区，缓存料框数量众多;不同的料框必须堆放不同的产品。同样，吊放到AGV小车成品也必须分类堆放，不能把不同规格的成品混放。同时，为了提高AGV小车的利用率，AGV小车在成品下线缓存工位侯料时间尽可能缩短而且最好是满载;这样可以让AGV的利用率到达最大化。

3 逻辑处理

上料板链线：上料板链线的逻辑处理相对简单。当下料区无物料时，启动板链线常速运行;进入低速区域时低速运行至停止位。RFID读出产品类型后，由搬运机器人取走。上料板链线再次启动运行，如此循环运行。

自动焊接工位：当焊接工位检测到物料时，自动夹紧物料开始焊接;焊接完毕后，自动松开物料，并发出焊接完成信号，同样由搬运机器人取走物料并将物料搬运至成品板链线上。

成品板链线：成品板链线的逻辑和上料板链线线类似。当搬运机器人需要下料到成品板链线时，发出停止命令;成品板链线进入低速运行，待运行至特定的位置并且成品板链线放料区无料时，发出放料允许信号。搬运机器人放料完成后，发出启动信号;成品板链线常速运行，至低速区时低速运行至停止。RFID读出信息后，由成品下线缓存工位桁架装置吊运至成品缓存区。成品吊运出停止区后，成品链线再次启动运行，如此循环运行。

成品下线缓存工位：当RFID读出成品板链线停止区的物料信息后，桁架吊运装置从成品板链线停止区吊运出成品，并将成品分类堆放在指定的物料框内。当AGV到达工位后，桁架吊运装置需要把达到特定数量的成品吊运至AGV上。直到把AGV上的四个物料放置区全部放满之后，AGV才能驶离工位，把成品物料运送至涂装区。

搬运机器人负责从上料板链线搬运物料至自动焊接工位、从自动焊接工位搬运至成品板链线上料区;AGV运输小车负责从成品下线缓存工位把成品运输至涂装区。其具体逻辑这里就不再赘述。

4 系统出现的问题及问题的分析、解决整个系统的控制逻辑按照上述的逻辑分析编写完成，开始运行测试;每个工位都按照控制逻辑正常运行。在系统试生产阶段，运转良好。但是随着生产产量的不断提升，搬运机器人、成品板链线和成品下线缓存工位之间的协同问题逐渐凸显出来。

搬运机器人负责把成品从自动焊接工位搬运至成品板链线;而成品下线缓存的桁架装置负责把成品从成品板链线停止区吊运至缓存料框内并把料框内的成品吊运至AGV运输小车上。当AGV运输小车到达成品下线缓存工位后，成品下线缓存的桁架装置会把達到设定数量料框内的成品自动吊运至AGV运输小车上;而无暇顾及成品板链线上停止区的成品物料。这往往会造成搬运机器人在成品板链线的放料区等待，既无法放下成品物料，又无法搬运半成品物料至自动焊接工位;因而导致产能无法提升。特别是在成品下线缓存区有四个达到设定数量的料框时，搬运机器人往往需要等待近一个小时的时间。

上料板链线是人工上料，上料的节奏和顺序是随机的、无法控制;自动焊接工位的焊接时间是固定不变的也无法改变。而搬运机器人和AGV运输小车的要求是越快越好，无法控制更不能降低速度！可以控制的工位是成品板链线和成品下线缓存工位。要解决问题，只用从这两个工位着手。

自动焊接工位焊接完成后要下料，必须经搬运机器人把成品放在“某个地方”;这样搬运机器人就被“盘活”。而这“某个地方”，最好是成品板链线上，让成品板链线成为成品物料的“水库”。

当成品下线缓存工位不需要把成品物料吊运至AGV运输小车时（桁架吊运装置空闲时），成品板链线常速运行，把成品物料快速输送至停止区及成品下线缓存工位内的料框内。而当成品下线缓存工位需要把成品物料吊运至AGV运输小车时（桁架吊运装置忙碌时），成品下线缓存工位不是马上就执行把成品物料吊运至AGV运输小车上的动作;而是把成品板链线上的成品物料清空。这个操作等用于水库“腾库容”，把水库的“库容量”释放。完成这个操作后，在执行成品物料吊运至AGV运输小车上的动作，而成品板链线低速运行;运行至特定的停止位并且放料区无料时停止运行。这样搬运机器人可以直接把成品物料放到放料区，无需等待;而成品板链线依旧低速运行至特定位置并且放料区无料时停止运行。整个成品板链线在桁架吊运装置忙碌时就变身成“水库”，用来“贮存”和“吸收”这段时间内自动焊接工位焊接完的成品物料;同样也“盘活”搬运机器人，提升了产线的产能。当成品下线缓存工位不需要把成品物料吊运至AGV运输小车时（桁架吊运装置空闲时），成品板链线恢复至常速运行状态。

按照上述思路修改完成后，搬运机器人利用率提升明显，等待时间明显减少，整个产线的产能提升显著。成品下线缓存工位需要把成品物料吊运至AGV运输小车时（桁架吊运装置忙碌时），成品板链线“贮存”成品物料具体效果见下图所示：

5 结束语

随着科技的进步，现在的控制系统越来越大，控制流程也越来越复杂，每个工位的关联也越来越紧密。要提高整个生产系统的产能，不能仅仅提高单个工位产能;而是要着眼于全局。需要分析整个系统中的每个工位的属性、以及和其上下游工位之间的关系;实现各工位之间的协调生产，从而实现整个系统产能最大化。

本文中，利用水库的“库容量”原理，成功解决了产线产能提升的问题。随着大数据普及和人工智能的发展，这将会是解决复杂大系统产能提升的方向。

参考文献：

[1]新华网.1998年中国长江洪水[EB/OL].2007-4-19.

[2]涂序彦.大系统控制论[M].北京邮电学院出版社，2005.