AGV调度控制系统在汽车总装车间的应用

周鹏飞，潘志友，魏 磊

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

汽车制造行业的物流相较于其他行业，具有离散性、及时性、高价值等复杂特点[1]。在汽车总装制造过程中越来越强调高效的生产方式，生产线旁的物料及时、精准供给是关键。目前，国内汽车企业多采用多车型共线的混流生产方式[2]，实行一车一BOM（Bill of Material，物料清单）的定制模式，线旁的物料配送能力成为影响生产效率的关键环节。

因此，针对汽车总装车间在大规模定制[3]中面临的线旁物流配送效率、配送成本等新问题，本文建立了高效的AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输车）调度控制系统。企业应用该系统能够大幅度提高物流配送效率进而提高装配人员作业效率、减少器具占用总装生产线边空间等，满足多品种、小批量的混线生产需求。

2 系统需求分析

本文以某品牌汽车总装车间为例，经过多次实际调研与研究，提出主要的系统需求如下：

（1）实现SPS（Set Parts Supply，成套零件供应）拣配区和总装生产线联动；

（2）实现交通管制，保证AGV在行驶道路干涉的情况下不撞车，保证生产效率；

（3）实现对AGV 电量、位置以及异常的监控，能够在系统上显示其运行状态；

（4）实现对多类型AGV的兼容性，使不同类型的AGV均可正常运行和管控；

（5）控制充电站对AGV进行自动充电，满足持续工作的需求。

3 系统架构设计

根据系统需求分析，系统架构主要包括管理层、监控层和执行层三部分。AGV调度控制系统的架构图如图1 所示。其中，管理层主要由系统应用服务器、数据库服务器组成。系统应用服务器主要承担所有的业务逻辑开发、运行工作，并且作为连接数据库、PTL系统（Pick to light，亮灯拣选系统）[4]的中心服务器。数据库服务器主要用于存储生产过程数据。监控层由中控屏、上线工位HMI（Human Machine Interface，人机界面）、下线工位HMI、系统维护客户端组成。其中，中控屏用于监控所有AGV 在总装车间的运行位置、当前工作状态、电量等信息；上线工位HMI 用于显示AGV 到达上线工位后的物料信息，方便工人确认物料与车身的对应关系，工人确认后表示生产线已接收该物料，AGV 自动返回；下线工位HMI 用于确认物料已装配完毕，并发送空料车待回收信息给系统；系统维护客户端用于维护系统的基础数据，包括用户管理、基础数据管理、物流路径设定、位置信息设定、动作信息管理等。执行层主要由AGV、充电桩组成。其中，AGV有多种类型（类型1用AGV1表示，类型2用AGV2表示），每个类型有多台，通过无线网络与系统通信；充电桩自动对进站的AGV进行充电动作；当装配工序完成、空料车脱离产线到达下线工位后，工人通过下线工位HMI 发出呼叫信息，系统发送指令给待命AGV 将空料车运回SPS区。

图1 系统硬件架构图

4 系统功能开发

4.1 物料配送作业流程设计

AGV 系统通过接收PTL 系统发送的SPS 区物料配送信息（如物料编号、数量、任务起止位置等），生成配送任务信息。系统下发任务至待命点的AGV，AGV接收任务后开始执行动作。当到达地标时上传地标信息，如果为交通管制点则等待系统放行指令，如果不是则直接放行。AGV到达任务地点后放下随行料车，系统判断是否需要充电，如需要则自行充电，否则回到待命点。物料配送作业流程如图2所示。

图2 物料配送作业流程图

4.2 空箱回收作业流程设计

随行料车上的物料装配完毕后，空料车由工人推至指定地点，工人通过下线工位HMI 发送空箱回收作业指令，调度系统接收到信息后，发送空箱回收信号给待命AGV，AGV 开始空箱回收作业。回收作业流程与上述物料配送作业流程相同，循环调度作业过程如图3所示。

4.3 系统功能设计

系统分为数据聚合层、业务层、应用层、用户层。数据聚合层是与外围系统的接口层，目的是将多个工厂的不同种类数据源统一汇总转换为系统的标准格式，并分权限管理。业务层包含了所有的业务原子操作，形成业务功能库；业务分析人员通过组合业务功能库的功能，为现场制造提供服务。应用层将组合好的业务功能通过标准WEB服务的方式提供给用户层使用。用户层根据用户的使用环境和习惯，提供给用户多种客户端类型，如网页、PAD、android、IOS等。系统架构图如图4所示。

4.4 交通管制算法

系统预先设定好交通管制点（即路径有汇合后分叉的地标站点），当AGV即将到达交通管制点时发送通过请求。如果有多台AGV 到达交通管制点，则采用先请求先通过的原则根据交通管制算法计算通过顺序。交通管制算法如下：

当AGV进入交通管制点时向系统发出请求通过指令，系统根据请求指令计算放行指令，发送的放行指令时间戳计算过程如下：

图4 功能架构图

其中，每台AGV通过交通管制点所需时间为T，第一台发出请求指令的时间戳为tstamp0，第n 台发出请求指令的时间戳为tstampn，t'stampn为系统向第n 台AGV发送的放行指令时间戳。当系统监测到交通管制点在超过T 时间内没有车辆通过，n 置为初始0值。此外，每台AGV需要具备自主停止防撞功能，当遇到前方有障碍物时，自动停止待命。

图3 AGV调度过程示意图

4.5 指令报文格式

请求和发送指令的报文格式如图5所示，所有帧和指令数据都遵循高位在先原则，传输数据时高字节在先。其中，提示符CMD包括2个字节字符（IN为数据请求，CN为数据应答）；AGV编号包括4位ASCII字符，用于标识AGV 设备编号；报文数据长度包括4位10进制数，表示数据字节长度，包括报文头和报文数据；RSV 为18 位固定长度数据段，用于指令定义；time stamp为8位时间戳，用于标识指令时间；报文数据为变长数据段，用于AGV状态上报的指令定义。

图5 报文格式

4.6 接口设计

该总装车间的AGV 设备由不同供应商提供，工厂之间不能互换及协同作业。AGV 调度系统通过TCP/IP Socket通信协议与AGV小车的工控机之间实现接口数据交互，作为桥梁主控各个不同类型的AGV，实现集成现场调度并提供了接口协议标准。接口定义如图6所示。

图6 接口定义

5 系统功能实现

5.1 系统管理

根据系统功能设计与现场操作需求，系统功能主要包括系统管理、调度管理、实时监控、任务管理、系统报表、系统接口六部分。系统管理主要实现用户管理、权限设置、操作日志管理等功能。操作日志管理界面如图7所示。

图7 操作日志管理界面

5.2 基础数据管理

基础数据管理主要管理AGV 信息（如编号、类型、规格、载重等）、物流路径、位置信息（如物料上料点、下料点、交通管制点、充点电、上线点、下线点等）、动作信息（如运行、停止、急停、出轨、触边、障碍等）。位置信息管理界面如图8所示。

图8 位置信息管理界面

5.3 调度管理

调度管理是AGV 调度系统的核心功能模块，主要实现作业信息接收、AGV 选用、路径计算、作业指令下发、运动控制、交通管制、充电、物料上下线管理、作业完成确认等功能。作业信息接收用于接收需要触发AGV 作业的各种作业信息，主要包括物料配送、空箱回收、AGV充电等，物料请求界面如图9所示。

系统获取到AGV 物料配送、空箱回收等作业信息时，首先选择空闲AGV进行指令下发；如无空闲则将该项作业挂起，等待空闲时再进行派发。同时，系统接收到AGV作业指令后，通过该项作业的起始/结束位置结合基础数据中的RFID 站点号自动计算作业路径。当完成一项作业后，系统对作业完成情况进行确认，并将该AGV设定为空闲状态。

图9 物料请求界面

5.4 实时监控

实时监控主要包括调度总览、区域监控、AGV状态监视、作业监视等功能。系统按照不同的级别来监控AGV的调度情况，显示整个车间所有AGV的运行情况、物料配送情况等；同时用户可查看每台AGV的运行路线、运行状态（如车辆姿态、车辆位置、正常与否、停止、恢复、暂停、开始等）、运行速度、电量状态、运输的物料信息等数据，方便用户在系统中查看每台AGV所执行的作业及作业完成情况。监控画面如图10所示。

6 结论

图10 AGV现场调度总览界面

对于汽车总装车间面向柔性化混线生产的制造过程而言，线旁物流配送效率、配送成本对于企业实现精益生产至关重要。物流部门需要将物料快速准确地送到产线旁，尽量提高库存周转率，节约库存和人工成本。AGV 调度控制系统结合PTL 系统、物流配送载具可以有效地保证汽车总装车间线旁物料的柔性化供应，更加准确快速地响应物料需求，减少备料和配送时间，降低生产成本，提高生产效率。某品牌汽车总装车间应用该系统后，大幅减少了配送人员数量，提升了拣料与配送效率，有效地支撑了柔性化生产，提升了企业的核心生产能力。