双工位穿梭车系统能力优化

Capacity Optimization of Double-station Shuttle Vehicle SystemXU Weihua ，XIONG Jian ，WANG Wencai ，and JIANG Mingguang1.College OfTranspOrtati0n& Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China2.Kunming Cigarette Factory，Hongyun Honghe Tobacco(Group)Co.，Ltd.，Kunming 650222，China3.Research & Development Department of KSEC，Kunming 650236，ChinaAbstract：To improve the handling capacity of the double-station shuttle vehicle system for finished cigaretteproducts，aided by Theory of Constraint(TOC)，the system were optimized comprehensively from the placement ofmonitors，technical parameters，logistics technology，automatic control to computer dispatching，as following：1)Optimizing the technical parameters of shuttle vehicles and relevant interface equipment through in site experiments；2)Changing the logistics operation flow in case of fire into fire alarming coordinated action；3)Replacing the servocontrol with PLC control for the start/stop and acceleration/deceleration of shutle vehicle；4 Optimizing shuttlevehicle dispatching by mathematical model instead of FIFO strategy.The results of application showed that thehandling capacity of the double-station shuttle vehicle system increased from 86.0 to 133.7 pallet/hour，which washigher than the rated demand capability of 1 1 8.6 pallet/hour.The improved system ran stably and efi ciently。

Keywords：Finished cigarete product；Logistics system；Double-station；Shuttle vehicle；Theory of constraint(T0C)；Handling capacity直行穿梭车是集光 、机 、电 、信息等新技术为-体的自动搬运设备 ，可以替代由输送机组成的两条输送线 ，基金项 目：云南侍育厅科 学研 究基金重点项 目基 于 TOC生产的 自动化物流能力瓶颈研究”(2012Z112)。

作者简介 ：徐伟华(1966-)，博士 ，高级工程师 ，主要从事 自动化物流规划设计和研究]二作 。E-mail：ksec-xuweihua###sina.corn收稿 日期 ：2013-01-09责任编辑 ：曹娟 E-mail：cj###tobaccoinfo.com.cn电话 ：0371-67672669实现输送 目的地的任意变动，简化生产工艺流程 ，但搬运能力 只有输送线的三分之- ，是 自动化物流系统的瓶颈。双工位穿梭车-次搬运2个托盘物料 ，且与单工位穿梭车 的成本相差不大 ，因此在烟草及其他行业 自动化物流中得到了推广应用 。穿梭车的搬运能力不仅与穿梭车 自身速度 、加速度有关 ，其控制方式 、接 口设备的控制和检测器件设置 、物流工艺 、调度管理等的影响也较大 ，且在项 目实施中常常被忽视 ，导致穿梭车系统 能 力 降 低 ，影 响 正 常 生 产 。约 束 理 论 (Theory of21Constraints，TOC)由Eliyahu M.Goldrat博士于20世纪70年代提m，它把企业看作是-个完整的系统 ，认为任何-种体制至少都会有-个约束因素 ，犹如-条链子 ，是链条中最虚弱 的那环决定着整个链条的作用。TOC根据瓶颈资源的可用能力确定物流量 ，作为约束全局的鼓点”；所有瓶颈和总装工序前要有缓 冲，保证起制约作用 的瓶颈资源得 以充分利用 ；所有需要控制 的工作 中心如 同用-根传递信息的绳子牵住的队伍 ，称之为鼓点-缓冲储备～绳”。 目前 ，烟草行业对于立体仓库 、物流系统 、AGV系统 等的优化研究较 多，而对双工位穿梭车系统 能力优化改进研究较少。为此 ，以卷烟厂成品入库双工位穿梭车为例 ，利用 TOC理论对检测器件设置 、自动控制 、物流工艺等穿梭车系统的各个环节进行优化改进 ，以提高穿梭车的搬运能力。

1 系统构成1.1 系统 结 构卷烟厂成品 自动化物流系统包括计算机调度管理 、自动控制 、立体仓库 、双工位穿梭车、环行穿梭车 、机器人码垛 、机器人拆垛 、自动分拣等子系统，企业共有 5个巷道 6080个货位 ，400多台设备，成品入库采用双丁位穿梭车系统搬运成品托盘和空托盘。双-T 位穿梭车 系统主要由设备 、自动控制 、计算机调度 3部分组成 ，其设备布置及接 口见图 1和图2。该系统有 7组成品码垛机器人 14个码垛工位 ；穿梭车轨道长 71.9 IT1，双工位穿梭车给 14个取卸货站 台(设备号① ～⑩)供应空托盘 ，并搬走成品实托盘 。每个取卸货站 台连-条输送线 ，与对应 的生产线连接 ，每条输送线设置 的缓存站 台口T暂存 1.4个托盘的成品。双：E位穿梭车 、输送设 备的控制系统 分别采用 PHOENIX的 ILC 200、ILC.350作 为主控制 器 ，利用 InterBus现场总线进行过程控制 ，穿俊车行走 (即在轨道方向来 回运动 )采用 Lenze的 EVS9326-EP伺 服控 制器驱 动，穿梭车及 其接 口设 备的输送 采 用PHOENIX 的 IBS IP 400 ME VFD 1-3A DI 4F变 频 器 驱动。双 位穿梭车 、输送 设备的丁作任务由物流系统的计算机调度管理子系统统-调度。

1双 I：位穿梭车 2.取卸货站台 3.码垛 位 4.码垛机器人 5.空托盘供给站台 6.实托盘卸货站台 7.防火卷帘门图 1 双工位穿梭车系统设备布置示意图1.穿梭 车输送 机 A 2.双工位穿梭车 3.穿梭 乍输送机 B4.取卸货站 台 5，6，8，9，12，13.光电开关 7.防火卷帘 10。

空托 盘供 给站 台 11.实托盘 卸货站 台图2 双工位穿梭车接 口布置示意图22双 l：位穿梭车配置2台输送机 ，输送机 A搬运成实托盘 ，输送机 B搬运码垛使用的空托盘 ，穿梭车 输送机 A，B的间距 与实托盘卸货站 台(设备号⑩)、空托盘供给站台(设 备号⑩1的间距相同。醉烟牛产过程中，机器人把成品件烟码在码垛 T位的空托盘 ，码为成品实托盘后送到取卸货站台。双T位穿梭车移动到取卸 货站台旁 ，成 品实托盘输送到输送机 A(即弱)后，穿梭车移动-个 位 ，输送机 B将空托盘输送到取卸货站台(即卸货)，以供码垛使用 。然后双 1 佗穿梭移动到实托盘卸货站台 、空托盘供给站 旁，将成品实托盘输送给实托盘卸货站台，同时将空托盘供给站台向输送机 B输送-个空托盘 。至此 ，双 位穿梭车完成-个搬运任务 ，等待下次作业。

胤-⑥ 三 凰 为便 于研究 ，定义如下 ：①循环作业是双r[位穿梭车从实托盘卸货站 台、空托盘供给站台出发 ，到取卸货站台将实 托盘输送到实托盘卸货站台 ，完成-个实托盘和-个空托盘的搬运输送过程的作业 。②循环作业时间是双工位穿梭车到取卸货输送机完成-次循环作业 的搬运时间。③平均循环作业时间是双工位穿梭车平均完成-次循环作业的搬运时间。④搬运能 力是双工位穿梭 车每小时搬运托盘数量 ，-次循环作业搬运- 个实托盘和-个空托盘，即搬运2个托盘。

1.2 存在问题双工位穿梭车系统投入运行后 ，实测系统搬运能力为84.6盘/小时，卷炯生产时额定需求能力为 118.6盘lib时，无法达到额定需求 ，囚此成 为整个 自动化物流系统 的瓶颈 ，影响生 产进度 ，有 时需 要人工叉 车协 助入库作业 。为此 ，通过对双T位穿梭车系统 能力进行优化提升 ，以消除其系统瓶颈。

2 系统瓶颈分析与优化双T位穿梭车系统的接 口设备由多家供应商供货 ，各供 商的设备技术状态 、安装质量参差不齐 ，以及供货商从 自身角度考虑 ，都把 自己的设备安全系数放大 ，从而导致系统能力降低 。经过研究穿梭车 系统的各约束环节 ，从系统角度综合考虑，以系统能力为绳”，充分发挥各 个缓 冲器 ”的作用 。，由接 口设备 、自动控制 、计算机调度等配合穿梭车 ，从而打破双工位穿梭车搬运能力瓶颈，对系统进行优化。

2.1 检 查 器件 设 置和 参 数优 化2.1.1 光电开关安装位置光电开关安装位置直接关系到托盘的输送距离 ，即托盘的输送时间。优化前光电开关检测点到输送机端头 的距离 d -般 为 200～300 rlqlq，有 的达 到 400 mm。

在整个系统 中 ，取卸货站 台、空托盘供给站 台、实托盘卸货站 台等接 口设 备 的能 力 比较 富裕 。在托盘 输送时 ，当光电开关检测到托盘信号 ，输送机制动后 ，经实测托盘滑行的距离小于 15 mm。囚此 ，将所有接 口设备光电开关 安装位置 d 优化为 1O0 mm，减少托盘在接 口设备与穿梭车之间的输送距离 ，输送时间可缩短约0.6 S。

2.I.2 设备技术参数双 厂位穿梭车系统技术参数优化 ，必须保证托盘 的输送平稳 、停位准确和成品实托盘的炯箱垛形稳定 ，以及不能影响成品实托盘在立体库 出入库 、机器人拆垛发货等后续作业 。采用现场试验测试方法对技术参数进行优化 ，每项技术参数首先在单台设备上测试 ，然后在系统 中进行测试 ，以保证实托盘在 自动化物流系统中正常作业。

优 化前 ，穿梭 车及 其 接 口设备 的输 送速 度 为 l4m/min，静止到额定速度的输送 启动加速时 间 、额定速度到静止的输送停止减速时间均为2 S。穿梭车的行走速度 为 160 m/min，加减速度为 0.4 m/s 。为便于表述 ，单台设备测试时，停位准确 、停位不准分别表示为 ，Ⅳ ，成品实托盘垛形稳定 、散垛分别表示为 ，Ⅳ ；系统测试 时 ，成 品实托 盘垛 形稳定 、散垛 分别表示为，NC 停位准确性与单台设备测试相同，不再进行测试 ；测试参数超过设备机械 、电器性能表示为MT。表 1为穿梭车及其接 口设备在托盘输送 时 ，输送速度与启停加减速时间的优化测试结果 ；表 2为双工位穿梭车的行走速度与加速度优化测试结果。

根据测试结果，双工位穿梭车系统技术参数优化如下 ：①穿梭车及其接 口设 备的输送速度 为 19.6 m/min，输送启动加速时 间、输送停止减速时间为0.6 S。②穿梭车的行走速度 为 180 m/min，加减速度为 1.0 m/s 。

表 1 穿梭车及其接口设备的托盘输送优化测试数据表2 双工位穿梭车行走优化测试数据2.2 物 流 作 业 工 艺 流 程如图2所示 ，实托盘卸货站台⑩ 、空托盘供给站台⑩穿过了生产车间隔墙 ，为了消防安全 ，门洞设置有防火卷帘门。当发生火灾时 ，门洞 口不能有托盘 ，保证卷帘可以 自动关闭。为保证除托盘在输送状态以外的情况下卷帘 门可 以 自动关闭 ，优化前供给穿梭车的空托盘停位检测光电开关安装在图2所示 的位置 8，当穿梭车需要空托盘时 ，空托盘从位置 8启动输送 ，因此空托盘输送距离增加了d ；另外 ，成品实托盘从穿梭车上向实托盘卸货站台输送 ，需到达光 电开关 11的位置才停止。优化前物流作业工艺流程见图3。

由于托盘输送线的输送能力可达到240盘/小时，托盘在实托 盘卸货站 台后端 、空托盘供 给站台前端的输送 能力远远大于穿梭车系统能力 ，因此优化策略就是23 图 3 优化 前 有火 警 的物流 作 业工 艺流 程将距离d：的输送从瓶颈区转移到非瓶颈区。图2所示 ，优化后把光电开关从位置 8移到位置 6，在位置 9，13各增加-个检测光电开关 ；在位置 6常备-个空托盘，空托盘输送给穿梭车后立即补充-个。当穿梭车需要空托盘时，空托盘从位置 6启动输送 ，成品实托盘从穿梭车上 向实托盘卸货站台输送 ，到达位置 l3就完成输送，穿梭车即可执行下-步作业 ，同时成品实托盘继续输送到位置 12才停止 ，等待执行后续任务指令。当有火灾报警时 ，消防报警系统将火警信息发送给物流 自动控制子系统 ，系统下达指令 ，停在位置 6的空托盘立即自动输送退 回到位置 9，然后 向消防系统发送信息 ，防火卷帘门自动关闭。优化后的物流作业丁艺流程见图4，穿梭车每执行-个搬运任务，缩短 了托盘输送距离 ，d 为 800 mm，减少输送时间约3 S。

2.3 自动 控 制 系统穿梭车搬运作业耗时最多的是行走运动 ，行走方 向的运动特性是控制部分 的关键 。系统优化前 ，双丁位 穿梭车 行走启 停 、加减速 采用伺 服控 制器进行 控制 。由于双工位穿梭车行走速度为 160 m/min。惯性大 ，难 以保证穿梭车的停位精度 。穿梭车停位的控制模式为 ：PLC通过 1NTERBUS总线给定站台号和相应控制方式 ，先设置TP触发范围，在运行中不判断激光测距值 ，根据电机 自带旋转编码器决定加减速 ，当前位置和 目标位置差值小于TP设定值时 ，PLC输出信号至E01，伺眼控制器收到触发信号 E01后 ，再运行触发设定距离 。

其优点是响应快 ，但快到位时由于读取 E01探针值 ，会停顿-下，然后运行到位。经测试 ，采用伺服控制器控制穿梭车直接停 向目标位置 ，常常冲过 目标 ，需人工进24行处理 ，对 系统搬运能力影响较大 。优化前穿梭车行走的速度时间曲线见图5。

火灾报警消防系统向物流自动控制系统发送火警信息三等待正输送的托盘完全通过隔墙门洞，物流自动控制系统控制停在图2位置7的空托盘立即退回到位置1O物流自动控制系统向消防系统发送允许关闭防火卷帘门信息消防系统关闭防火卷帘门图4 优化后有火警的物流作业工艺流程行走时间/s图5 优化前穿梭车行走的速度时间曲线优化后采用 PLC控制穿梭车的启停 、加减速 ，根据激光测距检测穿梭车的实时位置 ，并采用旋转编码器对伺服控制器进行闭环控制 。穿梭车行走速度给定采用二次方曲线控制，PLC程序根据当前激光测距值和 目标位置值 ，计算当前速度 ，通过总线给定伺服控制器。

在减速过程中变换减速度 ，实现快速减速 ，平稳停止 ，提高运行效率 ，同时计算 当前位置和 目标位置间所需最大速度 ，避免加速到最大再立即减速 ，提高加速 、停止 时穿梭车 的稳定性 。当穿梭车 PLC控 制 现故障时 ，曲线正常运行 ，PLC程序向伺服控制器控制发出快停 信号(QSP)，穿 梭车按控制器 设定快停 时间快速停止 。为实现快 速响应 ，所有和行走有关 的保护都直接接入伺服控制器 ，通过伺服控制器相应软件编程，分不同的安全级别 ，采取跳闸(TRIP)和快速停止(QSP)两种方式在伺服控制器 内处理 ，同时相关保护信号通过总线传人PLC，实现双重保护和对位置反馈的双重校验。

优化后穿梭车的加速度 由0.4 m/s 提高到 1.0 m/s ，停位精度达到 3 mm。优化后速度位置曲线见同6。

行走时间/s图6 优化后穿梭车行走 的速度时间曲线2.4 计 算 机 调度优化前双工位穿梭车作业调度采用先到先搬运的策略 ，即穿梭车搬 运成 品实托盘 的顺序按到达取卸货站台的先后排队 ，调度作业过程见图7。由于卷包机组生产量不同，每个取卸货站台的额定流量不同 ，另外受生产机组设备故障 、原材料供应 、工人操作维护等因素干扰 ，不 同时段 、不同取卸货站台输送 的实托盘流量相差较大 。在实际生产中经常发生 以下情况 ：① 当多个成品实托盘在较短时间内-起 到达取卸货站 台时 ，如流量小的取卸货 站台的托盘先到达 ，则流量大 的取卸货站台的托盘后 搬运 ，穿梭车经 常来不及搬运造成堵塞 ，即流量大的取卸货站台上 的托盘还没有搬运 ，后续到达的托盘已经 占满该通道的缓存。而搬运完-个波峰的作业任务后 ，-段时间内没有搬运任务 ，穿梭车空闲休息 ，由此影响正常生产 。②成 品实托盘到达取卸货站台后才把搬 运作业任 务下达给穿梭车 ，当穿梭车空闲休息时，穿梭车不知道后续的搬运作业任务，不能提前到达取卸货 站台等候搬运 ，降低 了穿梭车 的搬运能力 。

由于输送线 的输送能力远远大于穿梭车 的搬运能力 ，因此优化后的双工位穿梭车作业调度策略 ，将穿梭车搬运作业顺序 由控制系统的简单规则调度优化为计算机系统数学模型计算调度 ，调度作业过程见图8。计算 机 系统 实时采集 生产线 的产 品实时流 量和缓存 站<成品实托盘输送 卸货站台j装卸货站台的控制系统把信息传给穿梭车控制系统、计算机系统l穿梭车控制系统按托盘到达的先后顺序进行排队穿梭车启动 、行走到装卸货站台搬运托盘梭车完成搬运后，把信息报 、计算机系统，执行下-个任务//图 7 优化 前 穿梭 车 作 业调 度过 程算机系统采集产品生产流量和、存站台、装卸货站台的产品数量//计算成品实托盘到达装卸货站台的时间和必须搬走的最长时间在保证生产下按穿梭车搬运能力最大原则对搬运任务进行排队穿梭车按搬运任务顺序到装卸货站台搬运托盘梭车完成搬运后，把信息报给 十、算机系统，执行下-个任务 //图 8 优 化 后 穿梭 车作 业调 度 过程台 、取卸货站台的产品数量 ，计算每个成品实托盘到达取卸货站 台的时间及其需搬走 的最长时间 ，在保证生产 的前提下按穿梭车搬运能力最大原则对搬运任务进行排 队 ，穿梭车按计算机系统下达的搬运任务顺序进行搬运作业 ，从而保证穿梭车优 先搬运大流量通道的成 品托盘，空闲时穿梭车提前到取卸货站台等候搬运 ，避免堵塞 ，减少穿梭车休息等待任务时间 ，提高系统搬运能力 。

3 优化 测试对优化前后的双工位穿梭 车系统能力进行 了系统测试 ，每项测试 3次求平均值。选择在生产旺季流量最大 的白班对系统进行测试 ，测试 3次 ，每次连续测试 3h。表3中双工位穿梭车到每个取卸货站 台的循环作业时间是3次测试的平均值 ，额定需求流量是根据卷烟生产线 的设备 生产 能力计算 出来 的生产流量 。表 4中，Obl，Ob2，Ob3和 Oal，Oa2，Oa3分别是优化前后的3次实际生产测试数据 ，Cb，Ca是根据表 3测试的循环作业时间和额定需求流量 ，分别计算 的优化前后的系统搬运能力数据。

4 结果(1)根据表 3和表4的测试结果 ，优化后双工位穿梭车系统实际生产测试搬运能力达到 133.7盘/小时，比优化前提高了 59.0%，比生产额定需求能力 118.6盘//J'，时高出 15.1盘//J'，时 ，有效作业率 为88.3%。根据测试的循环作业时间和生产需求流量计算m的系统搬运能力达到 134.2盘/4，时 ，比优化前提高了55.0%，比生产额定需求能力高出 15.6盘1/J'，时，有效作业率为87.9%。

(2)两种方法 的结果是-致的 ，其差别主要是 由实际生 产 中各个取 卸货站 台的流量变化和测试 误差所25表3 优化前后循环作业时间测试数据 致 ，但都在误差允许范同内。优化后系统 的有效作业率在 80% ～90% ，满足FEM标准 要求 。双T位穿梭车系统经长期生产运行 ，系统稳定可靠 ，满足了卷烟生产 要求 。

(3)l用 TOC理论从检测器件设置 、技术参数 、物流T艺 、自动控制 、计算机佩度各个环节进行综合优化 ，有效提高了双 E位穿梭车系统的搬运能力。该优化 法可对穿梭车系统 的规划设计 、自动化物流系统的安装调试提供参考。

[2][3][4]表4 优化前后双工位穿梭车系统能力测试数据 [5][6][7][8]