Схема координации и распределения маршрутов между подвесными кранами и AGV/RGV — автоматическая циркуляция материалов на производственных линиях интеллектуального завода

Когда несколько мостовых кранов и несколько AGV/RGV работают совместно в одном производственном цехе, основной задачей системы диспетчеризации становится безопасное и эффективное распределение задач по перемещению грузов в условиях ограниченного пространства и времени. Качество решений по арбитражу маршрутов напрямую влияет на общую эффективность производственной линии: при диспетчеризации без использования алгоритмов частота конфликтов между устройствами составляет около 15–30 раз в час, а после оптимизации арбитража маршрутов она может снизиться до 0–2 раз в час. В данной статье подробно анализируется инженерная реализация системы диспетчеризации с арбитражем маршрутов для нескольких типов оборудования (краны и AGV/RGV), начиная с сортировки очереди задач, механизма арбитража маршрутов и алгоритмов обнаружения конфликтов и заканчивая динамическим перепланированием.

Очередь задач и алгоритмы сортировки по приоритетам

Задания по перемещению материалов, выданные системами MES/WMS, помещаются в очередь заданий диспетчерского ПЛК (кольцевой буфер, вместимость 128 записей). Каждая задача содержит идентификатор материала, координаты начальной точки, координаты конечной точки, приоритет (от 0 до 100, приоритет 100 — срочная задача), временную метку отправки и требования к срокам выполнения. Для сортировки по приоритету используется формула с тремя весами:Общий приоритет = приоритет задачи × 0,4 + коэффициент времени ожидания × 0,3 + коэффициент срочности × 0,3. Коэффициент времени ожидания = (текущее время — время выдачи) / стандартное время ожидания (нормированное в диапазоне от 0 до 100), коэффициент срочности = затраченное время / общий срок (чем ближе к 1, тем срочнее). Система взвешивания по трем критериям гарантирует, что срочные задачи выполняются в приоритетном порядке, но при этом не подвергаются бесконечному ожиданию (чем дольше время ожидания, тем выше приоритет в очереди).

При распределении заданий происходит проход по первым 20 заданиям в очереди с последовательной проверкой условий распределения: ① имеется ли крановый автомобиль, находящийся в свободном состоянии и расположенный вблизи начальной точки задания (расстояние по направлению движения крана ≤ 10 м); ② имеется ли свободный автономный транспортный робот (AGV), находящийся на рабочем месте, где расположена точка начала задания; ③ отсутствуют ли конфликтующие маршруты (не пересекаются ли маршруты с маршрутами других уже распределенных заданий). Задания, удовлетворяющие всем трем условиям, немедленно распределяются; в противном случае они попадают в очередь ожидания и переоцениваются в следующем цикле. Проход по очереди осуществляется один раз за каждый цикл (100 мс); задачи, ожидающие более 60 секунд, распределяются принудительно (другие задачи, конфликтующие с данной задачей, автоматически понижаются в приоритете, а конфликтующие задачи попадают в очередь ожидания). Среднее время ожидания задач в системе диспетчеризации компании «Круд Хеви Индастри» составляет ≤15 секунд, а среднее время ожидания срочных задач — ≤5 секунд.

Обнаружение конфликтов и динамическое перепланирование

Основные сложности при взаимодействии нескольких устройств заключаются в обеспечении оперативности обнаружения конфликтов и эффективности стратегий арбитража. Обнаружение конфликтов происходит в два этапа: обнаружение пересечения зон (проверка наличия пересечения рабочих зон двух устройств) и анализ временного окна (прогнозирование пересечения траекторий двух устройств в течение следующих 3–5 секунд). Частота проверки составляет 100 мс, что синхронизировано с циклом планирования. При обнаружении конфликта запускается соответствующая стратегия арбитража в зависимости от одного из следующих пяти сценариев:

Реализация алгоритма механизма арбитража путей

Механизм выбора маршрута является ключевым компонентом системы планирования, отвечающим за принятие решений, и реализован в циклическом прерывании OB35 (период 100 мс) ПЛК планирования (S7-1500). Механизм работает в три этапа: сначала выполняется сопоставление задач и оборудования (как описано в предыдущем разделе), затем — планирование маршрута, и, наконец, проверка на конфликты. Для планирования маршрута рекомендуется использовать эвристический алгоритм поиска A* — с текущим положением оборудования в качестве начальной точки и целевого рабочего места в качестве конечной точки, при этом функция затрат F = G + H (G — длина пройденного пути, H — манхэттенское расстояние до конечной точки). Ограничением пространства поиска является сеть доступных путей, полученная в результате растрирования карты завода (расстояние между узлами — 2 м; S7-1500 может хранить ≤200 узлов). Один цикл поиска маршрута выполняется на S7-1500 за 2–5 мс (зависит от глубины поиска, максимальное количество узлов в поиске ≤ 50). Для маршрутов AGV, с учётом ограничений двустороннего движения и U-образных поворотов, к стоимости маршрута добавляется штраф за смену направления (дополнительная стоимость 3 м за каждый поворот, что стимулирует выбор длинных прямых маршрутов).

Обнаружение конфликтов временных оконЭто вторая линия защиты при арбитраже маршрутов. После распределения маршрута между устройствами система разбивает маршрут на ряд отрезков с временными метками (длина отрезка — 2 м, для каждого отрезка задается окно предполагаемого времени прибытия ±0,5 секунды). При назначении маршрута для новой задачи проводится поэтапная проверка всех участков данного маршрута на пересечение с временными окнами уже назначенных маршрутов (то есть на наличие пересечения временных окон двух устройств на одном и том же участке маршрута). Условие определения пересечения временных окон: |T_{Устройство A} – T_{Устройство B}| < Безопасный интервал (между кранами — 3 секунды, между краном и AGV — 2 секунды, между AGV — 1,5 секунды). В случае пересечения маршрут отклоняется, производится поиск альтернативного маршрута или ожидание следующего цикла. Массив временных окон хранится в блоке DB контроллера S7-1500 (для каждого устройства зарезервировано 128 записей участков маршрута, каждая запись занимает 12 байт; в общей сложности 12 устройств занимают около 18 КБ).

Матрица окончательных решений по арбитражу маршрутов:Система диспетчеризации ведёт матрицу взаимоисключений размером N×N (N = общее количество устройств); элемент матрицы M[i][j] = 0 означает, что между устройствами i и j нет конфликта маршрутов, а M[i][j] = 1 — что конфликт существует (обнаруживается при записи в временное окно). При арбитраже пары конфликтующих устройств просматриваются по приоритету от высшего к низшему: для устройств с высоким приоритетом маршрут остается неизменным, а для устройств с низким приоритетом маршрут перепланируется. Если для устройства с низким приоритетом нет альтернативного маршрута (после поиска всех доступных маршрутов обнаружено, что все они конфликтуют), то устройство с низким приоритетом переходит в режим ожидания, и причина ожидания фиксируется. Матрица очищается и пересчитывается в каждом цикле планирования (100 мс). В системе планирования Krude Heavy Industries при сценарии с 12 устройствами общее время арбитража маршрутов составляет ≤8 мс (включая проверку временных окон), а оставшиеся 92 мс отводятся для логики связи и управления устройствами.

Архитектура системы координации работы нескольких устройств и примеры внедрения

Аппаратная архитектура системы диспетчеризации состоит из трёх уровней:Уровень объекта(ПЛК крана, бортовой контроллер AGV, контроллер RGV, подключенные к промышленному коммутатору через Profinet IRT) →Уровень планирования(Диспетчерский ПЛК S7-1500 или промышленный ПК, управление механизмом арбитража траекторий движения и очередью задач) →Руководство(Серверы MES/WMS, обменивающиеся данными о рабочих заданиях и задачах с уровнем диспетчеризации через OPC UA). Период обмена данными между полевым оборудованием и ПЛК диспетчерской: краны ≤ 50 мс (Profinet IRT, джиттер ±1 мкс), AGV ≤ 100 мс (Profinet RT), RGV ≤ 50 мс. Связь между ПЛК диспетчерской и MES зависит от частоты выдачи заданий; типично обмен данными осуществляется пакетно каждые 100 мс (около 2 КБ данных за раз, включая очередь заданий и отчет о состоянии).

Пример внедрения на цехе окончательной сборки автомобилей: 12 мостовых кранов (в том числе 5 кранов типа LD, 3 крана типа QD и 4 консольных крана) + 24 автоматических транспортных средства (AGV) (16 скрытых и 8 вилочных) + 8 рельсовых транспортных средств (RGV) — всего 44 единицы оборудования, работающих согласованно на одной производственной площадке (примерно 200 м × 80 м). До внедрения системы частота конфликтов при ручной диспетчеризации составляла около 20 раз в час (в часы пик достигала 40 раз в час), а среднее время ожидания задания — 45 секунд. После внедрения системы диспетчеризации Krude Heavy Industry (в качестве диспетчерского ПЛК использовался S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP, оснащенный модулем CP1543-1 для связи по OPC UA) частота конфликтов снизилась до 0–2 раз в час, среднее время ожидания задания сократилось до 15 секунд, а эффективность диспетчеризации повысилась на 421 TP3T (в пересчете на количество выполненных в час заданий по перемещению грузов). Проект от начала изысканий до ввода в эксплуатацию занял 8 недель (включая 3 недели на настройку программного обеспечения, 2 недели на наладку на месте и 1 неделю на совместную отладку и тестирование).

Проектирование с учетом возможности расширения:Система диспетчеризации имеет модульную архитектуру: для подключения нового оборудования достаточно добавить запись конфигурации устройства в блок DB диспетчерского ПЛК (около 50 байт на одно устройство) и настроить тип устройства и адрес связи на интерфейсе HMI. Один ПЛК S7-1500 может управлять не более чем 12 устройствами (в зависимости от цикла сканирования программы и ограничений ресурсов связи). При количестве устройств свыше 12 устанавливается второй ПЛК диспетчеризации для разделения на зоны — в соответствии с зонированием завода (например, ПЛК диспетчеризации зоны A управляет 6 кранами + 10 AGV, в зоне B — 8 RGV + 14 AGV), при этом обмен данными о задачах между зонами осуществляется через PN/PN-соединитель или промышленный Ethernet-коммутатор. Система диспетчеризации Krud Heavy Industry уже поддерживает расширение до 64 устройств на одном заводе (каскадное подключение 4 диспетчерских ПЛК).

Часто задаваемые вопросы