基于试车线的AGV物流系统设计研究

张红阳 刘吉华 龚军振

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261000）

0 引言

AGV技术最先出现在美国，并得到广泛应用。AGV物流系统设计直接影响企业的生产效率及企业的智能化、自动化车间建设。1913年美国福特公司率先使用有轨AGV，开启了AGV的应用之路。1955年AGV系统在英国用于实际生产线，1969年瑞典首次在物流系统中采用了AGV。目前，国内应用的AGV物流系统技术还不够成熟，建造成本较高，AGV物流系统的设计与应用具有很大的发展潜力。

1 某制造厂试车线特点

我国企业国际化进程加快，对中重型发动机产品的产量要求越来越高，目前的试车生产节拍已远不能满足实际生产要求。发动机试车时间较多，每台发动机都需要至少40 min，且其间需要记录试车数据，每个座台试车随机性强，这就对试车期间的AGV物流系统提出更高的要求。如果没有合理有效的AGV物流系统作为支撑，提升整个生产线的智能化、自动化水平，降低生产节拍，很难提高企业的试车效率，增强企业的国际竞争力。

某车间试车线规划通道狭长，运输较拥挤，此车间试车线的各项数据如表1所示。

表1 试车线各项数据

2 AGV物流系统设计

2.1 AGV运输网络系统构成设计

本文对AGV物流系统的设计，采用中央任务管理和AGV运行管理分开计算，优化其软件系统，明确其任务，提高系统的运行效率。为实现AGV小车在试车线的全方位运行，采用AGV激光导航的运动控制系统。AGV物流系统由中央控制室监控计算机、充电系统、数据采集设备、各型号设备PLC等组成。

2.2 AGV系统变换网络设计

2.2.1 与托盘运送线实际运载的网络交换

有工件需要试车时，由任务管理器通过无线电发送信号给AGV小车，AGV接收信号与托盘线接送转台进行信号交换。AGV小车在托盘线运输中的接货过程如图1所示。

托盘线输送转台：

（1）地面有货：转台为复位状态并且转台上有发动机。（2）地面调准完成：转台有货并且在接到AGV到位信号后转台正转到或反转到。（3）地面停止：转台出错。

图1 AGV小车在托盘线运输中的接货过程

AGV信号包括：

（1）AGV到位；（2）转台方向；（3）AGV开始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV结束。

在试车完成后，通过任务管理台发布任务，AGV小车将试车的工件送入到托盘输送线，在其交接时，托盘接收转台与AGV小车发生信号交互，在其信号交互过程中，具体的工作信息交互状态如下：

托盘线输送转台部分：

（1）地面就位：转台复位并且转台无货。

（2）地面开始移栽：转台为复位状态接到AGV到位转台滚道开始上货。

（3）地面停止：转台出错。

（4）地面结束：地面转台接到发动机。

AGV信号包括：

（1）AGV到位；（2）转台方向；（3）AGV停止；（4）AGV结束。

2.2.2 与台架系统的实际运载的网络交换

当台架系统空机可以进行试车时，操作者按下指令按钮，台架系统通过Profibus-DP通信总线与AGV的任务管理机进行信息交换，把指令传达给AGV小车，AGV小车按照指令将其输送到此台架系统。在完成试车后，操作者按下下货控制按钮，传达给AGV小车指令，其指令为AGV小车接货任务。AGV小车与台架系统的运送货过程如图2所示。

台架系统：

（1）台架下线：台架下货滚道有货、台架下线指示亮。（2）地面调准完成：下货滚道就位。（3）地面停止：地面出错，按灭自动指示。

AGV信号包括：

（1）AGV到位；（2）台架自动指示点亮；（3）AGV开始移栽；（4）AGV停止；（5）AGV结束。

图2 AGV小车与台架系统的运送货过程

2.3 AGV路径设计及优化

2.3.1 AGV运行路径设计

根据试车线现状，整条AGV小车运行线有72个节点和路段，其中66、67、69为装配线的3个接口，62、63为路线中间AGV充电桩，28、24、26等空心方块为移栽节点，也是试车座台的位置点，33、36等有斜线连接点为侧移路线，28、33、36、25为一个局部循环，AGV小车可在局部循环里自由运行及旋转等。本设计系统中，所有AGV小车只能按照图中标记点运行，如图3所示。

图3 AGV行走路径

经总装装配线完成各零部件的安装后，柴油机在测试口等待试车，在试车之前系统对柴油机的信息进行扫描，包括编号、机型、订货单号等，将扫描后的信息发送到中央控制系统，系统将柴油机与试车台架匹配，然后进入试车等待阶段，试车台架、预装线、后整理线及返修线组成一个系统，通过CAN总线连接AGV运行系统。待试车台架需要试车时，进入试车阶段。试车完成后，AGV小车收到运输指令，一般为合格下线或返修下线。

2.3.2 AGV运行路径优化

本试车线中两节点之间的距离及初始发点距离为5 m，两条车道上斜车道距离为m。试车柴油机上线口为O，试车合格的下线口为O1，试车不合格的下线口为O2，两条平行车道分别为1号线路和2号线路，试车座台表示i路线上t座台任务指令。

（1）每条道路均为双向单行道，允许AGV小车双向行驶，但只能斜道变道。

（2）根据试车线实际情况，AGV小车速度为1 m/s；同一时间内，每条道路最多允许一辆AGV小车，中央控制器只有在当前任务完成后才能给AGV小车发送下一任务。

（3）AGV小车自身长度和行车速度决定小车安全距离Ls；安全距离内只允许有一辆AGV小车。

根据试车线规划实际情况，试车线的生产特点是单工位单座台试车、试车时间长、AGV小车运行距离远、与装配线接口唯一、与下线接口唯一。根据此试车线特点，利用两种逻辑保证小车运行总距离最小化；当任务时间在一定时间限定内时，采用最短路线搜索算法，以首个站点为搜索目的地，以距离优先原则排序，优先执行最短路线，可以大大减少AGV小车空驶的时间；当任务时间超过一定时间限定时，抛弃距离优先原则。这样既可以保证系统运行的总距离最小，又能兼顾距离较远的任务执行，满足现场的生产需求。其目标函数（各阶段距离之和）如下：

当进行最短路径求解时，初始状态确定，那么整个过程的逻辑也就确定了。目标函数可表示如下：

根据以上算法，假设路线1上节点t1需要试车发出指令，即，中央管理系统对AGV物流系统发送指令，AGV物流系统对AGV小车进行搜索，并在节点t2处释放出空AGV小车，通过AGV物流系统下达指令，经系统分析AGV小车从t2节点到t1节点需要做出|t2-t1+1|次路径选择，才能找到最短路径。目标函数表示如下：

每次路径选择都有两种方案，假设第k次选择路径为：

依次递推：

最终可以得出空AGV小车行程总距离的路径决策，完成AGV小车将试车完的柴油机运输到合格品接口的最短路径计算。

3 系统实施及效果分析

3.1 AGV物流系统工作流程效果确认

每台AGV小车开启后，首先对自身所有构件子系统进行检测，检测合格后，向AGV物流系统发出请求，AGV物流系统根据当前的状态判断是否允许此台小车加入，在操作者确认后，AGV小车加入当前系统，中央控制系统可以对此台小车进行调度。

试车完成后，AGV控制系统对AGV小车发送运输指令，如此时无空闲小车，系统指令进入等待状态。如果试车为合格，AGV小车根据物流系统规划的路线将柴油机运输到合格下线接口；如果试车不合格，试车座台会向系统发送返修信号，AGV小车将柴油机运输到返修接口进行返修。如试车座台有试车需求时，向中央控制系统发出需求信息，则中央控制系统下达指令，AGV小车将柴油机运输到试车座台。

在整个系统运行过程中，AGV小车根据自身电量定期向系统发出充电申请，系统会不断维护AGV小车发出的申请，当小车发出申请又处于空闲状态下，系统会通过维护的请求顺序向AGV小车发出充电指令，当小车充电完成后，再恢复到指令的空闲状态。

3.2 AGV物流系统应用效果分析

本次AGV物流系统设计研究将运输调度方式由全列式转化为最短路径算法，大大降低了系统的运算工作量，提高了对AGV小车的调度准确性，减少了AGV小车的碰撞次数及人工的现场操作频次，从而降低了操作者的劳动强度；本系统设计研究将试车线的产量由720台/天提升到800台/天，大大提升了试车线生产效率。在整个AGV物流系统运行过程中，通过软件可实时对PLC状态进行监控。在运行过程中，发现信号异常时，可随时对整个系统查检。

4 结语

本文根据试车线特点，设计与研究了AGV物流系统，满足了试车线的生产实际需求，从而降低了生产成本。本文从AGV运输网络系统、变换网络系统、运行路径及优化方面进行了详细分析，通过系统实施效果分析，论证了该试车线AGV物流系统的可行性及必要性，提高了试车线的生产效率，增强了企业对试车线试车情况的管理，为其他试车线的AGV物流系统应用提供了一定参考。