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摘要：随着我国工业自动化技术的不断发展，基于PLC控制的RGV小车在自动化物流系统和自动化仓储系统中共轨往复的工作模式应用越来越广泛。随着系统复杂度的增加以及转运效率要求越来越高，RGV多车协调配合交叉运行的共轨往复运行模式已经成为主流。RGV小车互相避让成为确保系统稳定安全运行的基础，而合理的避让逻辑可以使小车的运行效率最大化。将RGV避让程序结构化，使其具有易扩展性，不仅可以提高程序的可阅读性和维护性，还能缩短调试周期，提高效率，节约成本，更能提高安全性。
关键词：RGV、PLC、物流、多车、避让、结构化
作者：刘宁 吴振强 刘贝 李亚军 唐琰
北自所（北京）科技发展股份有限公司
一
引言
物流行业具有劳动密集型大、不间断生产等特性。随着人工成本的不断提高及产量需求的日益扩大，对自动化和智能化水平的要求显著提升，同时对RGV小车的转运能力要求也越来越高，自动化、智能化已经成为物流系统发展的主流趋势。传统的单车运行模式已经无法满足实际应用需求，共轨往复多车协作运行的工作场景已经趋于常态。在共轨往复RGV运行过程中，如何做到合理避让，避免拥堵，合理地执行作业任务，成为了关键点[1]。共轨往复的多辆RGV在运行的过程中要避免交叉作业，而且小车无作业时还需为相邻RGV小车提供避让，以保证车与车之间的安全距离，防止相撞，保障相邻RGV小车具有足够的作业空间。
传统的RGV小车程序结构复杂，在多车共轨运行时，为实现上述避让逻辑，不同车辆的避让程序需进行大量修改，导致程序不易拓展。多车运行情况下，经常出现冲突，作业等待时间和拥堵时间较长，无法实现作业任务的最佳分配，并且经常出现舍近求远的作业方式，不能将多车的运行效率最大化，调试优化过程耗时较长，因此，需要寻找一种适应性更强的算法。为此，本文提出了将RGV避让程序结构化的算法，旨在实现多车程序易拓展，运行过程合理化避让。同时，结合一些辅助规则，以实现效率最大化。
本文以西门子PLC控制共轨往复RGV小车在某化纤企业的FDY丝饼自动包装系统中应用为例。在该FDY丝饼自动包装系统中，落筒机将丝饼落到丝车上后，需要将丝车从落筒区分配至检测区。然后丝车根据丝饼的不同规格批号，从检测区被分配到入库区进行入库。还需要根据包装线的任务情况，将丝车从入库区转运至打包区。这些环节都是通过RGV小车实现的。
二
RGV小车系统构成
RGV共轨往复系统主要由一条笔直运行轨道、定位码带以及RGV本体组成，多辆小车属于同轨道往复运行模式，始终在同一条直线上运行[2]。多辆RGV小车协同实现轨道左右两侧所有站台之间物体的转运分配工作。每辆RGV都需要和相邻的RGV建立S7通讯连接，从而实现数据信息的实时交换，这样可以使每辆RGV都能获取到相邻RGV的当前状态、精确位置以及任务情况。
三辆同轨道RGV小车的通讯组态建立情况如图1所示。自动包装系统中实物小车的布置如图2所示，在同一轨道上有三辆RGV，轨道左右两侧为存取站台，RGV上存放的是丝车。
图1RGV小车间通讯组态建立
图2 RGV小车实物布置图
三
避让程序结构化实现原理概述
在共轨往复的运行条件下，RGV完成一个完整作业的时间（ta）由三部分组成：运行时间（tr）、等待时间（tw）和拥堵时间（tc）。ta越大，表示执行每次任务的时间越长，效率越低。tr取决于变频器设定的速度，大小只与RGV与目的站台的距离相关。对于每个站台，变频器速度固定，tr是完全由RGV与目的站台之间的距离决定的，没有办法减小，ta的相对大小就取决于tw和tc。所以目标就是减少获取作业任务前的空闲等待时间tw和运行过程中产生作业交叉后的拥堵时间tc。
对于每辆RGV小车来说，只存在前车和后车，利用这个运行特性作为基础，可以将RGV小车的避让程序结构化、模块化、标准化。共轨往复RGV小车之间如果产生作业交叉，整体可以分为两种情况：
第一种情况如图3所示，RGV2小车处于空闲停止状态，L08站台有RGV1的作业任务，此时RGV2所在位置在RGV1任务作业范围内。
图3 RGV任务情况示意图(1)
第二种情况如图4所示，RGV2小车处于任务运行状态，目的作业地址为L07站台，L08站台有RGV1的作业请求。
图4 RGV任务情况示意图(2)
当RGV小车获取任务时，需要判断是否存在以上两种情况，优先获取不用邻车主动避让且运行无交叉的任务进行执行。如若没有，则RGV需要主动请求邻车避让，从而减少作业等待时间（tw）和作业拥堵时间（tc）。在调试的时候，只需要将前后车的基础参数设定好，避让逻辑是固定不变的，就能实现多车程序的结构化，从而实现易拓展。
基于以上的理论分析，我们做出了RGV小车之间的避让设计和分析。分析作业流程图如图5所示。
图5 RGV小车之间避让程序设计流程图
四
避让程序结构化设计分析
1.初始化程序设计
设定RGV小车的允许作业范围、前后车的存在情况、前后车的长度。不同RGV小车的位置读码器的实际安装位置不同，车的宽度也不同，车与车的间距判断应该是以每辆小车的最外侧边缘为起点。所以，在计算RGV小车之间间距时，需要依据实际安装情况，在读码位置的基础上偏移一个相对距离。
2.允许运行范围计算
根据RGV小车的位置、其前后车的当前位置和目的位置，计算RGV小车的允许作业范围。如图6所示，RGV1的当前位置在L01，RGV3的当前位置在L06，RGV2接收到RGV1和RGV3的当前位置后，计算出RGV2的每个工位在RGV1和RGV3的当前位置下能到达的最大列值是L05和最小列值是L02[3]。
图6 RGV作业范围判断示意图
如图6所示，RGV1的目的位置是L02，RGV3的目的位置是L05，RGV2接收到RGV1和RGV3的目的位置后，计算出RGV2的每个工位在RGV1和RGV3的目的位置下能到达的最大列值是L04和最小列值是L03。
3.作业任务判断
当某RGV小车获取作业任务时，RGV上有作业需求的工位的目的地址要在前后车当前位置所允许运行的范围之内（在图6中，这个范围是L02～L05），或者相邻小车正在向远离当前小车的方向运行；也要满足RGV上有作业需求的工位的目的地址在前后车目的位置所允许运行的范围之内（在图6中，这个范围是L03～L04）。根据实际情况，将程序设定一些辅助规则，比如，调整站台优先级规则，在运行轨道前后两端的站台优先前后两端的RGV作业，中间的站台优先中间的RGV作业。在允许作业的范围内，优先执行优先级高的作业，既能保证RGV获取到的作业任务和前后车不会产生冲突，减少了作业拥堵时间（tc），又能满足现场实际要求。
如果相邻小车的当前位置不能满足作业任务需求，但相邻小车是处于向远离当前小车的方向运行，且目的地址在当前小车的需求作业范围之外，此时当前小车就可以执行作业任务，体现出来的状态是双车同向跟随运行。这样的好处是减少了小车的等待时间（tw），提高了小车的运行效率。
如图7所示，L02～L05是RGV2允许的作业范围，L08、L09、L10和L11对RGV2发出取货请求，L09对RGV1发出取货请求，L11对RGV3发出取货请求。由于L08在RGV2允许作业的范围外，L09、L10和L11在作业范围内，由于设定了辅助规则，L10作业对于RGV2优先级更高，RGV2的作业任务就是L10站台。此时，RGV2作业的同时将RGV1的作业空间预留出来，如果RGV1处于空闲状态，RGV1就可以执行L09站台作业，RGV3如果处于空闲状态就可以执行L11站台作业。这样三辆车的作业路径没有交叉，不会产生拥堵，等待作业时间最短，可以最高效地完成当前的作业任务。
图7 RGV任务判断示意图
4.请求对车避让
如果当前RGV小车的每一个需求作业位置都不在相邻小车的允许作业范围内，并且处于空闲状态，则当前小车给相邻小车发送避让标志，相邻小车收到避让指令后，如果没有正在执行的作业任务，则执行避让作业，从而满足当前RGV的作业范围需求，减少了作业等待时间（tw）。
如图8所示，当L09站台只对RGV1发出取货请求，此时RGV1和RGV2都处于空闲状态，但是RGV2的位置占用了RGV1的作业空间，此时RGV1向RGV2发出请求避让标志，RGV2收到后向RGV3的方向运行，以满足RGV1的作业条件。
图8 RGV请求避让示意图
5.作业冲突处理
由于小车间的通讯偶尔会出现延时问题，RGV不能及时获取到对车的作业状态，导致作业任务和对车产生冲突，如果两辆车正在相向而行，就会产生作业交叉。常规的程序在RGV已经获取到任务后不再自动进行任务更改，这时，一种情况是两辆RGV都到达不了任务站台，只能人工干预，清除作业；另外一种情况是一辆RGV可以到达任务站台，另外一辆RGV在防撞位置一直等待。这两种情况都会导致作业拥堵时间（tc）增大，影响作业效率。本文设计的这套避让程序中，考虑到这些情况的发生，设定了自动清除作业功能，在发现产生作业交叉后，首先判断哪辆RGV当前位置距离目的站台更近，就保留哪辆RGV的作业任务，将另外一辆RGV作业任务清除。考虑到紧急停车会造成机械损伤，在清除作业任务之前进行减速操作，在速度减小到一定值后停车，然后清除作业，重新获取作业任务。这样即消除了两辆RGV之间的作业冲突，又保证了运行效率不受影响。
如图9所示，RGV1的作业站台是L10，RGV2的作业站台是L09，RGV1和RGV2产生了作业冲突，此时，RGV2距离目标站台L09距离较近，RGV2就继续执行作业任务，RGV1减速停车，清除作业任务，重新获取当前可执行任务。RGV2作业不受影响，RGV1继续执行其他当前可执行的作业任务，减少了不必要的等待时间（tw）和作业拥堵时间（tc），大大提高了运行效率。
图9 RGV作业冲突示意图
RGV小车在运行过程中，还需要考虑车与车之间的安全运行问题。RGV小车前进的时候要实时判断与前车的间隔，后退的时候要实时判断与后车的间距。当相对间隔小于一个设定值的时候，开始减速运行，距离越近，速度应当越小，当相对间距小于设定的安全距离后触发停车[4]。这样可以避免运行过程中两车相撞。
五
工程应用
如图10所示是某企业的FDY丝包单车转运布局，在长22米的直线轨道上，有1辆RGV小车，RGV水平运行速度120米/分钟，链机输送速度为18米/分钟，L15和L16为丝包的取货站台，L17、L18和L19为丝包存货站台。RGV将L15和L16的丝包按照去向的不同转运至L17、L18和L19。初始化RGV1设定没有前车和后车，设定最大运行范围，RGV就能实现所有站台间的自动作业。
图10 单车转运布局图
经过现场实际测试，原有系统1辆车的调试时间是2.5小时，稳定运行后实测12小时的均值为20包/小时。应用这套结构化避让程序后，1辆车的调试时间是1.5小时，调试效率提高了40%，稳定运行后实测12小时的均值为20包/小时。因为这是单车系统，不存在多车避让问题，结构化后的避让程序在运行效率上的提升没有明显体现，但是在调试时间上有了明显的提升，这就得益于结构化后的易拓展性比较强。
如图11所示是某企业的POY丝箱双车转运布局，在长96米的直线轨道上，有RGV1和RGV2两辆小车，RGV水平运行速度120米/分钟，链机输送速度为15米/分钟，L01～L03为丝箱存货站台，L04～L10为丝箱取货站台。RGV1和RGV2将L04～L10的丝箱按照去向的不同转运至L01～L03。初始化设定RGV1有前车没有后车，RGV2有后车没有前车，设定两辆车的最大运行范围，设定两辆车的前后车宽度。设定辅助规则：L01、L04和L05站台优先RGV1作业，L03、L09和L10站台优先RGV2作业，剩余站台对于两辆车的优先级一致。RGV就能实现所有站台间的自动作业。
图11 双车转运布局图
经过现场实际测试，原有系统2辆车的调试时间是6小时，稳定运行后实测12小时的均值为12箱/小时。应用这套结构化避让程序后，2辆车的调试时间是3小时，调试效率提高了50%，稳定运行后实测12小时的均值为14箱/小时，运行效率提高了16.7%。
如图12所示是某企业的FDY丝车入库三车转运布局，在长66米的直线轨道上，有标号分别为1、2、3的三辆RGV小车，RGV水平运行速度120米/分钟，链机输送速度为16米/分钟，轨道上下L01～L13两部分是丝车的存取站台。通过三辆RGV小车实现所有站台间的丝车调度，分配转运工作。初始化RGV1设定只有前车，RGV2设定有前车和后车，RGV3设定只有后车，设定三辆车最大运行范围，设定前后车宽度。设定辅助规则：L01、L02、L07和L08站台优先RGV1作业，L03、L04、L09、L10和L11站台优先RGV2作业，L05、L06、L12和L13站台优先RGV3作业。
图12 三车转运布局图
经过现场实际测试，原有系统3辆车的调试时间是9小时，稳定运行后实测12小时的均值为34车/小时。应用这套结构化避让程序后，3辆车的调试时间是4小时，调试效率提高了55.6%，稳定运行后实测12小时的均值为42车/小时，运行效率提高了23.5%。
如图13所示是某企业的POY丝车检测环节四车转运布局，在长118米的直线轨道上，有标号分别为1、2、3、4的四辆RGV小车，RGV水平运行速度120米/分钟，链机输送速度为16米/分钟，轨道上下L01～L14两部分是丝车的存取站台。通过四辆RGV小车实现所有站台间的丝车调度转运工作。初始化RGV1设定只有前车，RGV2设定有前车和后车，RGV3设定有前车和后车，RGV4设定只有后车，设定四辆车最大运行范围，设定前后车宽度。设定辅助规则：L01、L02和L09站台优先RGV1作业，L03、L04、L10和L11站台优先RGV2作业，L05、L06、L12和L13站台优先RGV3作业，L07、L08和L14站台优先RGV4作业。
图13 四车转运布局图
经过现场实际测试，原有系统4辆车的调试时间是14小时，稳定运行后实测12小时的均值为38车/小时。应用这套结构化避让程序后，4辆车的调试时间是4.5小时，调试效率提高了67.8%，稳定运行后实测12小时的均值为51车/小时，运行效率提高了34.2%。
通过不同项目现场的实际应用可以得出，应用这套结构化避让程序后，随着系统RGV小车数量的增加，调试效率比原有系统提高的幅度越来越大，运行效率比原有系统提高的幅度越来越大。
六
结束语
RGV小车已经成为工业自动化系统领域应用较为普遍的设备，对于复杂的系统来说，RGV共轨往复工作场景屡见不鲜，RGV小车程序的灵活性、安全性、易维护性和易扩展性就显得尤为重要。按照以上逻辑设计的避让程序，在调试的时候只需要设定好规定参数，结合一些辅助规则，就可以实现共轨往复RGV小车之间安全、有效以及稳定的运行。这样有效地解决了调试过程中因为车数不一致，需要频繁修改避让程序的情况，解决了调试周期长和优化时间长的情况，大大节约了公司的调试成本，提高了工作效率。将程序模块化、标准化后，也会大大降低调试过程中出错的概率。这套避让程序已经得到了多个项目现场的实施验证，各方面都满足预期要求，而且对于单车，双车，三车以及多车系统都能适用，充分体现了程序的易拓展和避让的合理化。
参考文献:
[1]基于动态规划的直线RGV调度策略研究[J].曹峰;姬安召陇东学院学报.2019,第5期.
[2]李亚军,刘艳明.基于PLC的物流自动化包装线出库穿梭车的设计[J].制造业自动化,2014,
(19):96-98.
[3]基于多目标优化的智能RGV动态调度策略[J].周利娜;曾雅;谢国霞;李军成自动化应用.2020,第6期.
[4]基于效率和稳定性的智能RGV动态调度研究[J].刘凯;丁晓欣;常晓颖青岛远洋船员职业学院学报.2018,第4期.
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编辑、排版：罗丹
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