大流量转轨RGV系统在大型电商仓储物流中的应用

[罗戈导读]本文分析了目前大型电商的发展及其在仓储物流作业方面的特点和需求

本文分析了目前大型电商的发展及其在仓储物流作业方面的特点和需求,再根据当今自动化物流设备和系统的发展情况以及目前工控行业各领域较为先进可靠的技术特征,结合昆船物流公司最新实施应用的宁波智能物流仓库项目实际需求,提供一套可以满足项目要求的大流量转轨RGV系统解决方案,并对这个系统的控制系统配置、任务调度管理、区域控制、道岔控制、车载控制等方面分别进行介绍,完善各项技术功能的应用水平,从而将大流量转轨RGV系统应用到大型电商仓储物流项目上,使其发挥最高效能,力争为用户的投资带来最大化的收益。 

一、引言

在这个信息科技高速发展的社会,电子商务不仅仅是网购这么简单,它从衣、食、住、行等方方面面影响着人们的生活,已然成为我们现在和未来的重要生活方式之一。据统计,2018年,全社会电子商务交易规模达到30.61万亿元,同比上年增长14.5%(同年全国GDP约90万亿元,比上年增长6.6%),与此同时,整个电子商务领域中各行各业也在迅速地提升自身的业务能力,这其中尤其以自动化物流领域的发展最为瞩目,多家电商企业纷纷应用和建立了自己的自动化物流平台:京东亚洲一号、天猫菜鸟网络IoT未来园、网易考拉智能物流仓等都是这样一批高度现代化、智能化的自动化物流项目。这些项目都具有相当高的处理能力,例如京东的昆山亚洲一号自动分拣系统分拣能力超过4万件/小时,整个分拣中心日分拣能力超过100万件,如此高的分拣能力对整个系统中每一个环节的要求也是相当高的,同样必须具备与之匹配的作业效率,在这样的系统中,一般都配置有大量的轨道搬运车系统(RGV)。

RGV是物料搬运环节的重要设备,其作业效率直接决定整个系统的处理能力,以往传统的RGV系统多为直行轨道的单车或双车系统,一般可满足小区域的中低作业频度,对于类似亚洲一号仓库这样动辄10万平方米、超过10km输送线的仓储系统则需要环行轨道的多车系统才能满足搬运需要,普通的不具备换轨能力的环轨多车系统因作业路径固定、运行效率不高的原因不适合布置在大范围物料搬运区域中,而具备大流量搬运能力的转轨RGV系统则可以发挥路径可变、作业灵活的优势,满足大范围、多个库区间进行大流量的物料搬运作业,是解决大型电商物流系统中物料输送的重要技术手段(图1)。 

图1 大流量转轨RGV系统

本文以昆船物流公司最新实施应用的宁波智能物流仓库项目为例,说明大流量转轨RGV系统在其中的应用和解决方案。该库为大型电商华东区域中心库,计容面积约25万平方米,标准托盘货位90896个,巷道堆垛机28台,其中四楼的分选作业出入库区域计容面积65024平方米,要求系统输送能力≥469托盘/H;面对这样高的系统能力要求,如果采用常用直行往复RGV和输送机布局来完成物料输送的功能,一来很难满足系统能力指标,二来平面布局复杂,将带来操作繁琐、维护困难等问题,针对这些原因,我们采用了基于大流量转轨RGV系统的解决方案。

二、设计内容简述

在此解决方案中,我们在该项目四楼的堆垛机出入库区和分选作业出入库区域设置一套转轨RGV系统;将1号库分选作业区(11个站台)、2号库分选作业区(21个站台)、3号库巷道堆垛机出入库区(56个站台)、4号库分选作业区(10个站台)等四个库区用一套大流量转轨RGV系统贯穿起来,环线轨道全长860米,配置RGV小车54台,并在作业功能及库区的交界处设置了8个转轨道岔装置。为方便设备检修,在1号库和4号库各设置有一段维修轨道以及一段备用维修、缓存段轨道,平面布置见图2。

图2  1号、4号库平面布置图

根据这个项目总体设计方案和功能要求,确定大流量转轨RGV系统的控制原则是:整个控制系统分别由车辆调度管理子系统(WCS)、地面区域控制子系统、轨道供电及站台控制子系统、车载控制子系统等各个子系统组成。

车辆调度管理子系统包括调度计算机、监控计算机、数据服务器等,负责与WMS系统交互、搬运任务分配、车辆路径规划、系统状态监控等功能;

地面区域控制子系统主要由SC区域控制器 (SegmentController)、本地监控操作界面(LSI)、道岔控制器、波导通讯系统等组成,负责整个系统所有车辆、道岔的通讯管理、转发WCS下发的车辆调度任务、控制车辆交通管理、道岔控制、监控本地个设备状态等功能;

轨道供电及站台控制子系统主要负责环线轨道的分段供电控制、道岔供电控制,以及车辆与各个库区站台的交互控制;

车载控制子系统由控制、驱动、通讯、检测等单元组成,负责控制单台RGV小车按照区域控制器SC的指令进行直线和弯道移动、装卸货等运行控制。

三、方案具体实施

为更好叙述本控制系统设计的上述控制目的、特征,下面通过附图分别对该项目的大流量转轨RGV系统的控制方案设计做进一步的详细阐述。

1.系统布局

本项目覆盖区域较大,RGV小车的数量较多,对轨道系统的供电要求较高,为确保所有运行区域的车辆供电可靠、运行正常,我们将整个860米RGV的运行轨道划分为A~N的14个供电段,每个供电段按照60A容量配电,可保障约20辆RGV小车运行的供电需求,对于2个维修段也进行独立供电;整个环行轨道被6个道岔划分成5个逻辑环线,另外2个道岔用于移载进出维修段的小车;在每个道岔前段轨道的一定距离采用配合道岔状态的联锁供电方式,确保RGV车辆在道岔位置运行安全;在项目平面内各个库区设置有4部安全门以及若干个急停按钮盒,其分别配合安全电路完成一定区域内的操作人员人身安全以及车辆运行安全;本项目RGV车辆均采用基于SWG波导通讯方式与SC区域控制器通讯,鉴于通讯距离所限,我们在整个环行轨道设置了6个AP接入点,划分了6个SWG波导通讯区域,RGV小车在各通讯区域进行漫游和切换AP进行通讯。系统布局如图3。

图3 系统布局

2.系统通讯网络架构

图4 通讯架构

大流量转轨RGV系统的各个子系统通过相应的网络建立通讯连接,通讯架构如图4:RGV任务调度管理系统的调度计算机、监控计算机,对整个系统不同区域的所有RGV小车进行调度管理和状态监控,在整个系统共配置了2套SC区域控制器及LSI本地监控操作界面,各自负责所属区域内所有车辆、道岔的通讯管理、转发调度计算机下发的车辆调度任务、控制车辆交通管理、道岔控制,RGV调度计算机与SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯;系统中配置有1台地面供电控制柜,通过Ethernet与调度计算机建立Socket通讯,负责环线轨道的分段供电控制、道岔供电控制,以及车辆与各个库区站台控制器的交互控制;系统中每台小车均配置集成式车载控制器,根据调度指令执行行走、装卸货操作,车载控制器与SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯;系统中的8个道岔分别由各自的道岔控制器控制,道岔控制器与各区域的SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯。

3.RGV任务调度管理

分配合理的RGV小车实现不同站台间的物料输送,以最近、合理、有效原则进行任务分配,并实时对空车进行交通管制;同时对车辆信息、站台信息、实时任务、历史任务、故障报警进行管理, RGV任务调度管理软件功能模块组成见图5。

图5 RGV任务调度系统功能模块

RGV任务调度管理采用任务到车的调度模式:系统自动适应任务状态,根据任务量多少灵活变换调度模式,任务量少时只对目标点路径上的车辆进行调度;任务饱和时(任务数≥相应区域内可运行车辆总数),每次从任务列表中取出n条对就近小车进行任务分配,离车太远和太近任务不分配,动态的将最优距离的任务分配给车,减少小车空跑率。

调度管理系统直接对各个区域道岔进行控制,根据车辆当前位置和目标位置合理配置道岔方向,考虑系统最短路径,不仅仅考虑单一RGV的最短路径,在任务产生时,保证最近、有效的RGV执行该任务。

车辆避让:判断RGV-n-1小车装卸货站台占用(或异常), 造成该小车站台装卸异常,此时若后方RGV-n任务小车接近,则RGV-n-1小车需为RGV-n任务小车让道;此时需判断站台占用或异常的判定时间,对避让指令延时进行参数化,兼顾车辆有效载货率和系统整体效率。

4.区域控制

本项目在整个地面控制系统采用了SEW公司的Maxolution技术,该技术主要由区域控制器(SC)、本地监控操作界面(LSI)、道岔控制器(MoviPro-PHE)、车载控制器(MoviPro-PHC)、MOVIVISION server调度软件、波导通讯系统共同搭建一个设备层面的控制平台;本项目使用的2个SC区域控制器为Maxolution系统核心单元,配置有MOVIVISION server调度软件,对RGV小车进行底层的运行管理(含:运动定位、车辆跟随及避碰),并负责车辆状态的数据汇总、车辆参数配置、轨道参数的配置;并且还与RGV任务调度管理系统进行信息的交换,根据本区域的车辆实时状况,将目标位置、起停等调度任务指令发送给指定的车载控制器,实现对不同的RGV小车的控制。

同一区域内进行分段管理:具有多车属性的MVT段(Muti-Vehicle Track),可允许多辆车进入,多车段设置路径单元TE(Track Element),有多少个TE就能管理多少辆车;而具有单车属性的SVT段(Single Vehicle Track)则同时只允许一辆车进入。

单个SC区域控制器有控制规模及通讯距离的限制,故而本项目使用2个SC区域控制器进行分区域控制,两个SC区域控制器各负责约一半的RGV作业区域,波导通讯接入点也分别按照各个区域接入各自的SC区域控制器;每个SC区域控制器根据车辆调度指令,结合本区域内的车辆状态管理车辆任务调度;相邻SC区域控制器之间进行车辆交接管理和任务传递,以及区域间车辆安全联锁控制(图6)。

图6 区域控制

现场的2台LSI监控操作界面对整个Maxolution系统的状态进行显示监控,并提供相应系统、车辆参数的设置和修改接口,可以设置和修改轨道段、点等地图属性,也可以实时调整RGV小车、道岔控制的运行参数,并且实时监控和显示轨道段点、车辆、道岔的状态,且具备对于本区域的系统故障、报警的指示和复位功能,图7为LSI监控操作界面及功能示意图。

图7 LSI监控操作界面及功能示意图

5.道岔控制

环行轨道中的8个道岔分别由各自的道岔控制器(MoviPro-PHE)进行控制,道岔分为Drive-In合流道岔和Dirve-Out分流道岔两种类型,针对不同类型,在道岔控制器里进行参数设置,与主轨道当中段的属性相似,道岔也有进入车号、段号等属性需配置;另外道岔的控制模式分为全局(Global)和本地(Local)两种,Global模式时道岔变更由WCS调度管理系统直接控制,为Local模式时则由SC区域控制器控制。道岔管理及控制,如图8。

图8 道岔管理及控制图

道岔锁定距离(Activation distance):当RGV小车被调度指令控制需要进入一个道岔时,设置道岔前段的一个安全距离,RGV小车进入这个距离之后,道岔被该小车占据,其他车辆不可再使用;

道岔冲突距离(Collision distance):当RGV小车占据一个道岔后,在离开道岔之后,至少需要保证离开这个安全距离后,道岔才能允许另一个小车进入道岔。

6.车载控制

系统内所有RGV小车均使用MoviPro-PHC车载控制器,其采用高度集成化设计和安装,是集成了PLC控制器、通讯处理器、位置采集接口、数字量IO接口、变频驱动等的紧凑型单元,其集成化程度高,接口丰富(SBUS、EtherNet、ProfiBus、ProfiNet、 CAN等),接口全部采用IP67插接件连接方式,防护等级高,电气安装方便、空间占用小;各车载控制单元将本车的位置、载货、空载、故障等各项状态反馈给所在区域的SC区域控制器,并且根据所在区域的SC区域控制器的指令进行行走、加减速、输送等操作,车载控制器可根据本车安全检测器件保证自身运行安全;车载控制单元系统示意图,如图9。

图9 智车载控制单元系统示意图

7.车辆运行安全联锁

本项目转轨RGV系统区域分布广,设备数量多,各个设备(小车、道岔)的运行安全要求较高,基于此要求,控制系统在项目平面内各个库区设置有4部安全门以及若干个区域急停按钮盒,其分别配合安全电路完成一定区域内的操作人员人身安全以及车辆运行安全;安全门开关、区域急停按钮开关均配置双冗余触点,信号接入安全继电器,搭建符合ISO 13849-1安全标准的保护系统,安全继电器信号由SC区域控制器采集,与道岔禁行及其他外围安全控制信号一同作为地面区域安全运行信号,经过波导通讯系统反馈至RGV小车和道岔控制器,进行相应的安全联锁操作;

另外,每辆RGV小车的车载电控器件实时检测穿梭车条码位置检测反馈异常、超速、货姿异常等安全状态,并及时中断RGV小车运行,从而实现车辆自身的安全保护操作(图10)。

图10 车辆自身的安全保护操作

四、结语

目前这个项目智能物流仓库的大流量转轨RGV系统已经完成调试,投入试运行阶段,并经过多次大流量压力测试,该系统的各项性能和指标均达到技术方案的设计目的,可以满足客户在多库区之间实现高效率的大流量物料搬运和分选的工艺要求,验证了在大型电商仓储物流项目中使用大流量转轨RGV系统这种模式的合理适用性,也使转轨RGV这种设备的整体应用进入了更高的阶段,丰富了物流设备的产品线,在设备的安装调试易用性、系统能力、故障诊断和维修便捷等方面都有较大程度的提高。

当今电商行业蓬勃发展,对各类自动化物流设备需求日益增加,为这类设备的发展和革新带来了巨大的市场和机遇,而现在工业自动化发展的步伐越来越快,各项新技术、新工艺的开发应用也在不断推陈出新,我们可以充分利用这些有利条件,不断吸收和提炼,将这些有助于提高设备性能的技术结合应用到自动化物流设备的开发设计中,必然会对产品的良性发展产生推动,从而也对整个物流自动化行业的进步产生积极的影响。

总体上看,大流量转轨RGV系统不论从应用理念还是实用效果上看,都能满足当前电商仓储物流输送的实际需求,并且符合多批次、大流量、多种类物流输送的发展方向,这样的研发和应用,必然能为设备制造方和使用方带来双赢的良好局面。

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