Sistema de despacho colaborativo para puente grúa y AGV

Cuando varios puentes grúa y múltiples AGV/RGV operan de forma coordinada en una misma zona de producción, el desafío central del sistema de despacho es cómo asignar tareas de manutención de forma segura y eficiente en un espacio y tiempo limitados. La calidad de la decisión de arbitraje de rutas incide directamente en la eficiencia global de la línea: sin algoritmo de despacho, la tasa de conflictos entre equipos es de aproximadamente 15 a 30 veces por hora; tras la optimización mediante arbitraje de rutas, se reduce a 0-2 veces por hora. Este artículo analiza de forma íntegra la implementación técnica del sistema de despacho con arbitraje de rutas para puentes grúa y AGV/RGV, desde la ordenación de la cola de tareas, el motor de arbitraje de rutas y el algoritmo de detección de conflictos hasta la replanificación dinámica.

Algoritmo de cola de tareas y priorización

Las tareas de manutención de materiales emitidas por MES/WMS se almacenan en la cola de tareas del PLC de despacho (buffer circular con capacidad para 128 entradas). Cada tarea incluye ID de material, coordenadas de origen, coordenadas de destino, prioridad (0-100, siendo 100 para tareas urgentes), marca de tiempo de emisión y requisito de plazo. La priorización se calcula mediante una fórmula de tres pesos: Prioridad total = Prioridad de tarea × 0,4 + Coeficiente de tiempo de espera × 0,3 + Coeficiente de urgencia de plazo × 0,3. El coeficiente de tiempo de espera = (tiempo actual - tiempo de emisión) / tiempo de espera estándar (normalizado a 0-100); el coeficiente de urgencia de plazo = tiempo transcurrido / plazo total (cuanto más cercano a 1, más urgente). El diseño de ponderación triple garantiza que las tareas urgentes se intercalen sin espera indefinida (cuanto mayor es el tiempo de espera, más arriba se posiciona en la cola).

En la asignación de tareas se recorren las primeras 20 entradas de la cola, evaluando secuencialmente las condiciones de asignación: ① si hay un puente grúa en estado inactivo y situado cerca del punto de origen de la tarea (distancia en la dirección del carro ≤10 m); ② si hay un AGV inactivo en la estación de origen; ③ si no existe conflicto de ruta (sin solapamiento con rutas ya asignadas a otras tareas). Las tareas que cumplen las tres condiciones se asignan de inmediato; en caso contrario, pasan a la cola de espera para reevaluarse en el siguiente ciclo. Cada ciclo (100 ms) se recorre la cola; las tareas que superan los 60 segundos de espera se asignan de forma forzosa (las tareas en conflicto se degradan automáticamente y pasan a la cola de espera). En el sistema de despacho de Kelude, el tiempo medio de espera de las tareas es ≤15 segundos, y el de las tareas urgentes ≤5 segundos.

Detección de conflictos y replanificación dinámica

El núcleo de la coordinación multi-equipo reside en la detección de conflictos en tiempo real y la eficacia de la estrategia de arbitraje. La detección de conflictos se realiza en dos pasos: detección de solapamiento de áreas (verificar si las zonas de trabajo de dos equipos se intersecan) y análisis de ventana de tiempo (predecir si las trayectorias de dos equipos se cruzarán en los próximos 3-5 segundos). La frecuencia de detección es de una vez cada 100 ms, sincronizada con el ciclo de despacho. Ante un conflicto detectado, se clasifica en cinco escenarios que activan la estrategia de arbitraje correspondiente:

Algoritmo del motor de arbitraje de trayectorias

El motor de arbitraje de trayectorias es el componente central de decisión del sistema de despacho. Se implementa en la interrupción cíclica OB35 (periodo de 100 ms) del PLC de despacho (S7-1500). El motor ejecuta su función en tres pasos: primero realiza la asignación tarea-equipo (descrita en la sección anterior), luego ejecuta la Planificación de Trayectoria y, finalmente, realiza la verificación de conflictos. Para la Planificación de Trayectoria se recomienda el algoritmo de búsqueda heurística A*, tomando la posición actual del equipo como punto de partida y la estación de destino como punto final. La función de coste es F = G + H (G es la longitud del camino ya recorrido, H es la distancia Manhattan al punto final). El espacio de búsqueda se limita a la red de rutas accesibles resultante de la rasterización del mapa de la fábrica (distancia entre nodos de 2 m; el S7-1500 puede almacenar ≤ 200 nodos). Una única búsqueda de ruta se ejecuta en el S7-1500 en 2~5 ms (dependiendo de la profundidad de búsqueda, con un máximo de ≤ 50 nodos). Para las rutas de los AGV, considerando la circulación bidireccional y las restricciones de giro en U, se añade una penalización por cambio de dirección al coste de la ruta (cada giro añade un coste adicional de 3 m, fomentando trayectorias largas y rectas).

La detección de conflictos por ventana de tiempo es la segunda línea de defensa del arbitraje de trayectorias. Tras asignar una ruta a cada equipo, el sistema descompone la ruta en una serie de segmentos con marca de tiempo (longitud de segmento de 2 m, cada uno con una ventana de tiempo de llegada estimada de ±0,5 segundos). Cuando se asigna una ruta a una nueva tarea, se verifica segmento por segmento si todos los segmentos de la nueva ruta se solapan en el tiempo con las rutas ya asignadas (es decir, si las ventanas de tiempo de dos equipos en el mismo segmento de ruta se intersecan). La condición de solapamiento de ventanas de tiempo es: |T_{Equipo A} – T_{Equipo B}| < intervalo de seguridad (puente grúa-puente grúa: 3 s; puente grúa-AGV: 2 s; AGV-AGV: 1,5 s). Si hay solapamiento, se rechaza la asignación de esa ruta y se busca una ruta alternativa o se espera al siguiente ciclo. La matriz de ventanas de tiempo se almacena en un bloque de datos (DB) del S7-1500 (se reservan 128 registros de segmentos de ruta por equipo, 12 bytes por registro; para 12 equipos, el uso total es de aproximadamente 18 KB).

Matriz de decisión final del arbitraje de trayectorias: El sistema de despacho mantiene una matriz de exclusión mutua de N×N (N = número total de equipos). El elemento de la matriz M[i][j] = 0 indica que no hay conflicto de ruta entre los equipos i y j; M[i][j] = 1 indica que existe un conflicto (escrito por la detección de ventana de tiempo). Durante el arbitraje, se recorren los pares de equipos en conflicto en orden de prioridad, de mayor a menor. El equipo de mayor prioridad mantiene su ruta sin cambios, mientras que el de menor prioridad replanifica su ruta. Si el equipo de menor prioridad no encuentra una ruta alternativa (todas las rutas alcanzables están en conflicto), entra en estado de espera y se registra el motivo. La matriz se borra y se recalcula en cada ciclo de despacho (100 ms). En un escenario con 12 equipos, el sistema de despacho de Kelude completa el arbitraje de trayectorias en ≤ 8 ms (incluida la detección de ventanas de tiempo), dejando los 92 ms restantes para la comunicación y la lógica de control de los equipos.

Arquitectura y caso de implementación del sistema de despacho colaborativo

La arquitectura de hardware del sistema de despacho se divide en tres niveles: Nivel de campo (PLC de puente grúa, controladores a bordo de AGV, controladores de RGV, conectados a través de Profinet IRT al switch de red industrial), Nivel de despacho (PLC de despacho S7-1500 o PC industrial, que ejecuta el motor de arbitraje de trayectorias y la gestión de la cola de tareas) y Nivel de gestión (servidor MES/WMS, que intercambia órdenes de trabajo y datos de tareas con el nivel de despacho mediante OPC UA). Los ciclos de comunicación entre los equipos de campo y el PLC de despacho son: puente grúa ≤ 50 ms (Profinet IRT, fluctuación ±1 μs), AGV ≤ 100 ms (Profinet RT), RGV ≤ 50 ms. La comunicación entre el PLC de despacho y el MES depende de la frecuencia de envío de tareas; un valor típico es un intercambio por lotes cada 100 ms (aproximadamente 2 KB de datos por intercambio, incluyendo la cola de tareas y los informes de estado).

Caso de implementación en un taller de Montaje Final de automoción: 12 puentes grúa (5 de Tipo LD, 3 de Tipo QD y 4 grúas de brazo) + 24 AGV (16 de tipo enterrado y 8 de tipo horquilla) + 8 RGV, lo que suma 44 equipos operando de forma colaborativa en la misma planta (aproximadamente 200 m × 80 m). Antes de la implementación, la tasa de conflictos con despacho manual era de aproximadamente 20 incidentes/hora (hasta 40 incidentes/hora en horas punta), con un tiempo medio de espera de las tareas de 45 segundos. Tras la implementación del sistema de despacho de Kelude (PLC de despacho S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP, con CP1543-1 para comunicación OPC UA), la tasa de conflictos se redujo a 0~2 incidentes/hora y el tiempo medio de espera de las tareas bajó a 15 segundos, lo que supone una mejora de la eficiencia del despacho del 42% (medido por el número de tareas de transporte completadas por hora). El proyecto, desde el estudio inicial hasta la puesta en marcha, duró 8 semanas (incluyendo 3 semanas de configuración del software, 2 semanas de puesta en marcha en campo y 1 semana de pruebas integradas).

Diseño para la escalabilidad: El sistema de despacho utiliza una arquitectura modular. Para añadir un nuevo equipo, solo es necesario agregar una entrada de configuración del equipo en el bloque de datos (DB) del PLC de despacho (aproximadamente 50 bytes por equipo) y configurar el tipo de equipo y la dirección de comunicación en el HMI. Un único S7-1500 puede gestionar ≤ 12 equipos (limitado por el ciclo de escaneo del programa y los recursos de comunicación). Cuando se superan los 12 equipos, se apila un segundo PLC de despacho para el despacho por zonas, dividiendo según las áreas de la fábrica (por ejemplo, el PLC de despacho de la Zona A gestiona 6 puentes grúa + 10 AGV, y el de la Zona B gestiona 8 RGV + 14 AGV). El intercambio de datos de tareas en los límites entre zonas se realiza mediante un acoplador PN/PN o a través de la red industrial Ethernet. El sistema de despacho de Kelude ya soporta la expansión hasta 64 equipos en una sola fábrica (con 4 PLC de despacho en cascada).

Preguntas frecuentes sobre el sistema de despacho