Sistema de despacho colaborativo para ponte rolante e AGV

Quando múltiplas pontes rolantes e múltiplos AGV/RGV operam em simultâneo na mesma área de produção, o principal desafio do sistema de despacho é atribuir tarefas de movimentação de materiais de forma segura e eficiente num espaço e tempo limitados. A qualidade da decisão de arbitragem de percursos influencia diretamente a eficiência global da linha — sem despacho algorítmico, a taxa de conflitos entre equipamentos é de aproximadamente 15 a 30 ocorrências por hora; após otimização com arbitragem de percursos, pode ser reduzida para 0 a 2 ocorrências por hora. Este artigo analisa integralmente a solução de engenharia do sistema de despacho com arbitragem de percursos para pontes rolantes e AGV/RGV, desde a ordenação da fila de tarefas, o motor de arbitragem de percursos, o algoritmo de deteção de conflitos até ao replaneamento dinâmico.

Fila de tarefas e algoritmo de priorização

As tarefas de movimentação de materiais emitidas pelo MES/WMS são armazenadas na fila de tarefas do PLC de despacho (buffer circular, capacidade para 128 entradas). Cada tarefa contém ID do material, coordenadas de origem, coordenadas de destino, prioridade (0~100, tarefas urgentes com 100), carimbo temporal de emissão e requisitos de prazo. A priorização utiliza uma fórmula de três pesos: Prioridade total = Prioridade da tarefa×0,4 + Coeficiente de tempo de espera×0,3 + Coeficiente de urgência do prazo×0,3. O coeficiente de tempo de espera = (tempo atual - tempo de emissão)/tempo de espera padrão (normalizado para 0~100); o coeficiente de urgência do prazo = tempo decorrido/prazo total (quanto mais próximo de 1, mais urgente). O design de ponderação tripla garante que tarefas urgentes sejam inseridas na fila sem espera indefinida (quanto maior o tempo de espera, mais à frente na ordenação).

Na atribuição de tarefas, são percorridas as primeiras 20 entradas da fila, avaliando sequencialmente as condições de atribuição: ① existe uma ponte rolante livre nas proximidades do ponto de origem (distância na direção da ponte rolante ≤10m); ② existe um AGV livre na estação de origem; ③ não há conflito de percurso (sem sobreposição com percursos já atribuídos a outras tarefas). As tarefas que satisfazem todas as três condições são atribuídas imediatamente; as restantes entram na fila de espera para reavaliação no ciclo seguinte. O ciclo de verificação é de 100ms; tarefas em espera há mais de 60 segundos são atribuídas forçosamente (as tarefas conflituantes são automaticamente rebaixadas e colocadas na fila de espera). No sistema de despacho da Kelude, o tempo médio de espera das tarefas é ≤15 segundos, e o das tarefas urgentes é ≤5 segundos.

Deteção de conflitos e replaneamento dinâmico

A principal dificuldade na coordenação multi-equipamento reside na rapidez da deteção de conflitos e na eficácia da estratégia de arbitragem. A deteção de conflitos é realizada em duas etapas: deteção de sobreposição de áreas (verifica se as zonas de trabalho de dois equipamentos se intersectam) e análise de janela temporal (prevê se as trajetórias dos dois equipamentos se cruzam nos próximos 3~5 segundos). A frequência de deteção é de 100ms, sincronizada com o ciclo de despacho. Quando é detetado um conflito, são acionadas as estratégias de arbitragem correspondentes, classificadas em cinco cenários:

Algoritmo de Arbitragem de Trajetórias: Implementação

O motor de arbitragem de trajetórias é o componente central de decisão do sistema de despacho, implementado no ciclo de interrupção OB35 (período de 100 ms) do PLC de despacho (S7-1500). O motor executa em três etapas: primeiro a correspondência tarefa-dispositivo (conforme descrito na secção anterior), depois o planeamento de trajetória e, por fim, a verificação de conflitos. Para o planeamento de trajetória, recomenda-se o algoritmo de pesquisa heurística A* — com a posição atual do dispositivo como ponto de partida e o posto de trabalho de destino como ponto de chegada, a função de custo é F=G+H (G é a distância percorrida, H é a distância de Manhattan até ao destino). O espaço de pesquisa é restringido à rede de caminhos acessíveis resultante da discretização do mapa da fábrica (espaçamento entre nós de 2 m; o S7-1500 pode armazenar ≤200 nós). Uma pesquisa de trajetória individual executa em 2~5 ms no S7-1500 (dependendo da profundidade de pesquisa; número máximo de nós pesquisados ≤50). Para trajetórias de AGV, considerando tráfego bidirecional e restrições de curva em U, o custo da trajetória inclui uma penalização por mudança de direção (custo adicional de 3 m por curva, incentivando trajetórias longas e retas).

A deteção de conflitos por janela temporal é a segunda linha de defesa da arbitragem de trajetórias. Após a atribuição de uma trajetória a cada dispositivo, o sistema decompõe a trajetória numa série de segmentos com carimbo temporal (comprimento do segmento de 2 m, cada segmento com uma janela de tempo de chegada previsto de ±0,5 segundos). Quando uma nova tarefa recebe uma trajetória, o sistema verifica segmento a segmento se algum dos segmentos da nova trajetória se sobrepõe temporalmente com trajetórias já atribuídas (ou seja, se dois dispositivos têm interseção nas janelas de tempo para o mesmo segmento de trajetória). Condição de sobreposição de janela temporal: |T_{Dispositivo A} – T_{Dispositivo B}| < intervalo de segurança (ponte rolante-ponte rolante: 3 s; ponte rolante-AGV: 2 s; AGV-AGV: 1,5 s). Se houver sobreposição, a atribuição da trajetória é rejeitada, pesquisando-se uma trajetória alternativa ou aguardando o próximo ciclo. A matriz de janelas temporais é armazenada num bloco de dados (DB) no S7-1500 (128 registos de segmentos de trajetória reservados por dispositivo, 12 bytes por registo, totalizando aproximadamente 18 KB para 12 dispositivos).

Matriz de decisão final da arbitragem de trajetórias: O sistema de despacho mantém uma matriz de exclusão mútua N×N (N = número total de dispositivos), onde o elemento M[i][j]=0 indica que não há conflito de trajetória entre os dispositivos i e j, e M[i][j]=1 indica conflito (escrito pela deteção de janela temporal). Durante a arbitragem, os pares de dispositivos em conflito são processados por ordem decrescente de prioridade: o dispositivo de maior prioridade mantém a sua trajetória inalterada, enquanto o dispositivo de menor prioridade replaneia a sua trajetória. Se o dispositivo de menor prioridade não tiver trajetória alternativa (todas as trajetórias alcançáveis pesquisadas estão em conflito), este entra em espera e o motivo é registado. A matriz é limpa e recalculada a cada ciclo de despacho (100 ms). No sistema de despacho da Kelude, num cenário com 12 dispositivos, o tempo total de arbitragem de trajetórias é ≤8 ms (incluindo a deteção de janela temporal), deixando os restantes 92 ms para comunicação e lógica de controlo dos dispositivos.

Arquitetura e Implementação do Sistema de Despacho Colaborativo Multi-Dispositivo

A arquitetura de hardware do sistema de despacho está organizada em três camadas: Camada de campo (PLCs de ponte rolante, controladores de bordo de AGV, controladores de RGV, ligados a switches de rede industriais via Profinet IRT), Camada de despacho (PLC de despacho S7-1500 ou PC industrial, que executa o motor de arbitragem de trajetórias e a gestão de fila de tarefas) e Camada de gestão (servidores MES/WMS, que trocam dados de ordens de trabalho e tarefas com a camada de despacho via OPC UA). Os períodos de comunicação entre os dispositivos de campo e o PLC de despacho são: ponte rolante ≤50 ms (Profinet IRT, jitter ±1 μs), AGV ≤100 ms (Profinet RT), RGV ≤50 ms. A comunicação entre o PLC de despacho e o MES depende da frequência de emissão de tarefas, com um valor típico de troca em lote a cada 100 ms (aproximadamente 2 KB de dados por troca, incluindo fila de tarefas e relatórios de estado).

Caso de implementação numa oficina de montagem final automóvel: 12 pontes rolantes (incluindo 5 do Tipo LD, 3 do Tipo QD e 4 guindastes de pórtico suspenso) + 24 AGVs (16 do tipo submerso (AGV de transporte submerso), 8 do tipo empilhadeira (AGV de empilhadeira)) + 8 RGVs, num total de 44 dispositivos a operar em colaboração na mesma área fabril (aproximadamente 200 m × 80 m). Antes da implementação, a taxa de conflitos com despacho manual era de cerca de 20 ocorrências/hora (até 40/hora em períodos de pico), com um tempo médio de espera de tarefas de 45 segundos. Após a implementação do sistema de despacho da Kelude (PLC de despacho S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP, com CP1543-1 para comunicação OPC UA), a taxa de conflitos diminuiu para 0~2 ocorrências/hora, o tempo médio de espera de tarefas reduziu para 15 segundos, e a eficiência de despacho aumentou 42% (medida pelo número de tarefas de movimentação concluídas por hora). O projeto, desde o levantamento até à entrada em operação, demorou 8 semanas (incluindo 3 semanas de configuração de software, 2 semanas de comissionamento no local e 1 semana de operação experimental integrada).

Design de escalabilidade: O sistema de despacho adota uma arquitetura modular; para adicionar novos dispositivos, basta acrescentar uma entrada de configuração do dispositivo no bloco de dados (DB) do PLC de despacho (aproximadamente 50 bytes/dispositivo) e configurar o tipo de dispositivo e o endereço de comunicação na IHM. Um único S7-1500 pode gerir ≤12 dispositivos (limitado pelo ciclo de scan do programa e pelos recursos de comunicação). Para mais de 12 dispositivos, um segundo PLC de despacho é empilhado para despacho por zonas — dividido por áreas da fábrica (por exemplo, PLC de despacho da Zona A gere 6 pontes rolantes + 10 AGVs; Zona B gere 8 RGVs + 14 AGVs). Os dados de tarefas de fronteira são trocados entre as duas zonas via PN/PN Coupler ou Ethernet industrial. O sistema de despacho da Kelude suporta a expansão para um máximo de 64 dispositivos numa única fábrica (com 4 PLCs de despacho em cascata).

Perguntas Frequentes sobre o Sistema de Despacho