1、引 言
大型航空貨站貨物出港處理流程是：散貨收取、散貨暫存、散貨組裝到集裝器、集裝器暫存到立體倉庫、集裝器出庫。航空集裝器是大型貨物，人工搬運費時費力，自動化輸送處理系統(tǒng)可提高貨站生產效率。國內某航空貨站2004年建成的自動化貨物輸送處理系統(tǒng)由加拿大某公司設計，其軟件系統(tǒng)每年正常維護的服務費高達10多萬美元。高費用的原因一是非本國化服務，另外也由于國內公司在該領域缺乏經驗和競爭力。因此，開發(fā)大型貨物輸送處理系統(tǒng)對貨運行業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。
輸送系統(tǒng)由數(shù)十臺
輸送機組成，每個集裝器處理工藝不同，控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)單個輸送機隨時脫離系統(tǒng)進行人工干預的單機控制和協(xié)調多個輸送機完成工藝流程的協(xié)調調度。要求輸送機組可同時輸送至少16個集裝器，不碰撞，不形成堵塞。這構成了多任務并發(fā)、實時控制要求。這與常見的小型貨物和原料輸送系統(tǒng)不同。文獻中設計的柔性物流輸送系統(tǒng)輸送線為環(huán)形，文獻中涉及的生產原料輸送系統(tǒng)輸送的貨物類型單一，二者都沒有多工位處理多路徑輸送功能。
目前尚未發(fā)現(xiàn)可參考的大型控制系統(tǒng)軟件樣例。本系統(tǒng)開發(fā)綜合了軟件工程思想和實時控制系統(tǒng)方法，提供了類似系統(tǒng)PLC控制軟件的范例。
2、輸送線及工藝要求
在大中型航空貨站中配置類似的輸送機組3到6組。貨物在町升降雙向輸送機上組裝到集裝器，然后輸送到集裝貨物立體倉庫區(qū)。空的或需要重新組裝的集裝器也可能需要從立體倉庫區(qū)反向輸送到集裝器組裝區(qū)。圖示輸送機組共有4種類型22臺輸送機。圖中的8臺可升降雙向輸送機設計為集裝器組裝以及稱重．打標簽和錄入貨物信息的操作工位。輸送機D2A，D5A與立體倉庫堆垛機接口。輸送電機采用變頻器驅動。
航空貨站的貨物輸送及處理工藝有五特性。特性一，其輸送的對象是航空集裝器，從其體積和重量上看屬于大型貨物，不易處理。特性二，航空貨運物流處理中，同一個集裝器貨物可能需要在不同地點（工位上）多次組裝，這提出了輸送系統(tǒng)多工位的要求。特性三，由于航空貨物裝機配載的要求以及航空貨物批量小、品種多的特點，每個集裝器的裝載操作流程經過的工位是不同的，提出了輸送路徑可隨時變化的要求，即多路徑要求。特性四，多個集裝器在不同工位上同時組裝、處理，要求控制系統(tǒng)具有多任務并發(fā)處理功能。特性五，要求對輸送貨物的信息進行實時跟蹤。機械方面，輸送機為輥道臺輸送方式，輸送系統(tǒng)由多個可獨立工作的輸送機排列形成輸送機組。
3、控制系統(tǒng)總體規(guī)劃設計
控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機和PLC兩級組成。輸送機組分為手動、半自動、聯(lián)機自動3種工作模式。手動和半自動模式下由PLC單獨控制輸送機組。聯(lián)機自動模式下監(jiān)控計算機和PLC協(xié)作完成輸送機組控制。
手動模式下提供單臺設備的單一動作操作功能。半自動操作模式下，操作員通過觸摸屏操作輸入相關信息，當操作員選取目標地址后，PLC控制系統(tǒng)自動把貨物輸送到目標地址。由于PLC資源有限，半自動模式下不考慮多個貨物同時輸送時可能產生的路徑沖突問題。
聯(lián)機自動模式下，PLC與監(jiān)控調度上位機聯(lián)網(wǎng)，PLC按照上位機發(fā)來的指令執(zhí)行輸送動作，并向監(jiān)控計算機報告輸送機輸送執(zhí)行情況。路徑沖突問題由上位機調度解決。為了便于維護和減少故障輸送機對整個機組的影響，采取了工作模式的分組控制策略。鄰近的幾個輸送機構成一個工作小組。
對于如圖1所示的一組輸送機組的控制，采用一臺PLC為主控制器。主控制器通過現(xiàn)場總線與分組控制柜中的遠程10模塊通信。并通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與工位旁的8臺觸摸屏以及監(jiān)控調度計算機通信。
4、控制軟件開發(fā)方法分析
由于工藝的特性，在航空貨站的物流執(zhí)行系統(tǒng)中，用一般的輸送機和順序控制方法難以實現(xiàn)對物流的有效控制。物流執(zhí)行系統(tǒng)的控制軟件是實現(xiàn)多工位處理多路徑輸送等要求的關鍵。文獻[2]以及其他一些文獻提出了把面向對象的軟件技術應用到復雜PI。C控制軟件的開發(fā)。但單純的面向對象開發(fā)方法已經不能適應本系統(tǒng)的特性需求。軟件發(fā)展的新技術在PLC控制軟件開發(fā)中應用一般較晚。軟件架構即軟件體系結構技術和面向對象技術在PLC軟件開發(fā)中應用同樣較少見。
本文把軟件架構技術引入PLC軟件開發(fā)，以期為該領域開發(fā)提供一個范例。正如文獻[4]中所述“為工業(yè)軟件設計體系結構時，必須將純的體系結構風格改造成專用風格來滿足特定領域的需求”，本系統(tǒng)應用了管道過濾器架構，并對其做了局部的面向對象的改造。本設計在系統(tǒng)底層對象的分析與設計方面本文與文獻[3.5]相似，但文獻[3，5]在系統(tǒng)架構方面關注較少。
5、P'LC控制軟件設計
1)貨物信息跟蹤設計本系統(tǒng)中，由于每個被輸送的貨物的批次信息不同，以及處理過程的多工位、多路徑特點，需要實時跟蹤保持實際貨物流和信息流的同步。以便輸送控制系統(tǒng)做出相應的處理，或用于校驗，或提交管理信息系統(tǒng)處理。跟蹤傳輸?shù)男畔ㄘ浳镒陨砗涂刂葡嚓P兩類信息。PLC通過相連的傳感器或觸摸屏獲得兩類信息，信息具體內容詳見下文。
在一些生產線中，常采用條形碼技術對物料進行全程數(shù)據(jù)跟蹤。但條形碼技術會增加貼碼工序、讀碼設備，相應地增加成本。且條形碼在數(shù)據(jù)動態(tài)變化的應用中顯得不方便。本系統(tǒng)采用可編程序控制器進行集裝器及其貨物數(shù)據(jù)的同步輸送，實現(xiàn)的數(shù)據(jù)全程跟蹤。信息跟蹤在監(jiān)控計算機和PLC控制系統(tǒng)上分別實現(xiàn)，以起到相互校驗和備份的功能。
2)監(jiān)控計算機與PLC的通信設計在聯(lián)機自動模式下，監(jiān)控調度計算機向機組PLC控制系統(tǒng)下達輸送指令，指揮機組中某一臺輸送執(zhí)行輸送動作。輸送指令為一個結構體。其分量包括貨物起始（輸送機）位置、目標位置、貨物號、貨物重量、集裝器類型、貨物外形、輸送指令類型、是否旋轉、操作員工號等。輸送機執(zhí)行輸送指令后把執(zhí)行情況自動報告給監(jiān)控計算機。PLC控制系統(tǒng)與監(jiān)控計算機的通信采用PLC共享內存方式。在PLC數(shù)據(jù)存儲器開辟指令數(shù)據(jù)“窗口”和報告數(shù)據(jù)“窗口”，并設置應答標志，以實現(xiàn)信息交互同步。輸送機組PLC控制軟件中設計了指令接收模塊和報告發(fā)送模塊以實現(xiàn)與監(jiān)控計算機的通信。
3) PLC控制系統(tǒng)軟件架構貨物在輸送機之間依次傳輸，這與管道過濾器模式處理數(shù)據(jù)的方式相似。用PLC軟件實現(xiàn)管道過濾器模式以映射輸送過程，可方便地同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)與貨物輸送的同步。不同于一般過濾器，本系統(tǒng)過濾器．輸送機控制模塊較復雜，它需要完成輸送機械的控制和貨物信息的維護和傳遞。它同樣有自身的控制數(shù)據(jù)和控制功能。面向對象技術適合應用于分布式系統(tǒng)，多個對象分別實現(xiàn)和存在，可方便地處理多任務并發(fā)操作。故本文把輸送機控制模塊映射為對象實現(xiàn)。
根據(jù)對PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)信息跟蹤和多任務并發(fā)控制要求，控制軟件總體采用面向數(shù)據(jù)的管道過濾器模式。各個輸送機控制模塊部分采用面向對象模式。軟件各個模塊設計為一個個數(shù)據(jù)處理機，模塊間關系和數(shù)據(jù)流，如圖2所示。
輸送機控制部分按照面向對象方法對系統(tǒng)進行了分解。模塊間的數(shù)據(jù)通過消息方式傳遞。指令隊列和狀態(tài)報告隊列為FIFO（先進先出）隊列。指令隊列中的貨物輸送指令來自現(xiàn)場觸摸屏輸入或上位監(jiān)控計算機，指令生產模塊或指令接收模塊完成與觸摸屏或上位機的交互并實現(xiàn)指令的校驗后把指令壓入指令隊列。
4)指令分發(fā)及任務調度 控制軟件的中樞是“指令分發(fā)及任務調度”模塊。指令分發(fā)及任務調度模塊把指令分發(fā)到（壓人各個輸送機控制模塊的指令隊列）各個輸送機控制模塊，并激活相應的輸送機控制模塊，實現(xiàn)輸送機控制任務的動態(tài)調度。所有輸送機控制模塊在指令分發(fā)及任務調度模塊中顯式調用。調度的方法是通過控制其子程序“調用使能位”實現(xiàn)。多任務的調度實際上是使空閑的輸送機控制模塊休眠，也就是PLC不掃描相應模塊，雖然軟件上稍微復雜了一些．但帶來2個好處。一是節(jié)約了PLC掃描時間，提高了系統(tǒng)實時性；二是可以減少傳統(tǒng)PLC軟件中復雜的聯(lián)鎖關系的設計。
5)輸送機控制模塊輸送機控制模塊控制輸送機的動作，并把任務執(zhí)行情況壓入指令報告隊列以便與監(jiān)控計算機通信。或把一個配合動作指令壓入指令隊列，通過“指令分發(fā)及任務調度”模塊把配合動作指令發(fā)送到另外一個輸送機控制模塊，以通知其他輸送機控制模塊進行配合動作。輸送機控制模塊完成傳來的輸送指令后復位自身的調用使能位，使自己進入休眠，直到被指令分發(fā)及任務調度模塊激活·置位其調用使能位。
每個輸送機控制模塊（對象）對應于實際的一臺輸送機的控制。按照實際存在的輸送機類型，系統(tǒng)設計了4種輸送機控制子程序（類）。輸送機設計相應的控制數(shù)據(jù)。模塊內部設計方法詳見文獻。
6)輸送路徑控制 半自動工作模式下的路徑控制在輸送機控制模塊中實現(xiàn)。根據(jù)圖l輸送機組排列特點，各個工位上的輸送機首先把貨物輸送到主干道即中間的一排輸送機上。中間的輸送機先比較當前縱坐標和目標地址縱坐標的大小關系確定輸送的縱向方向，直到相等后比較橫坐標確定輸送的橫向方向。
聯(lián)機自動控制方式下由監(jiān)控計算機調度實現(xiàn)多路徑控制。為提高實時監(jiān)控效率．監(jiān)控計算機事先根據(jù)Dijkstra最短路徑搜索算法計算出所有可能的路徑（包括不同輸送機組中的工位間的路徑），保存在數(shù)據(jù)庫中。需要時根據(jù)貨物起點和終點查詢出貨物路徑。在發(fā)送指令控制貨物進入關鍵路徑前先判斷是否有路徑沖突，并根據(jù)貨物輸送優(yōu)先級設定決定是否允許貨物進入關鍵路徑輸送機。即采取了主動避讓策略，以避免發(fā)生路徑死鎖，造成貨物堵塞。
6、系統(tǒng)實現(xiàn)與運行效果
PLC控制軟件在Rockwell的Control Logix 5562（Rockwell公司也稱其為PAC）上編程實現(xiàn)，一個輸送機組的PLC控制程序規(guī)模（程序文件大小）約2MB，程序掃描周期在1ms—2 ms。設計的輸送控制系統(tǒng)于2009年6月在某機場大型貨運站實施，替代了進口。由于控制軟件系統(tǒng)分析合理、結構清晰，加快了系統(tǒng)調試。
系統(tǒng)壓力測試中，每2組機組同時輸送32個集裝器，同時投入50個集裝器在16個工位上并行進行正方向輸送操作，連續(xù)8h測試。測試表明系統(tǒng)在高負荷輸送時輸送流暢，可以避免路徑死鎖產生，系統(tǒng)實時性滿足要求，不發(fā)生集裝器碰撞。
7、結語
為實現(xiàn)實時多任務并發(fā)控制和物流與信息流的實時跟蹤，在大型貨物多工位處理和多路徑輸送PLC控制系統(tǒng)軟件開發(fā)中應用了管道過濾器軟件架構技術，對該架構局部應用了面向對象的技術實現(xiàn)。開發(fā)完成了一個特定領域（柔性輸送控制）的軟件架構。該系統(tǒng)軟件設計方法較通常的順序控制程序設計方法更適合大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)開發(fā)。實現(xiàn)的軟件架構具有較強的適應性，便于重用。合理的控制軟件架構也為實現(xiàn)多任務調度提供了方便，通過多任務的合理調度，使得PLC軟件的執(zhí)行是不完全掃描，縮短了掃描周期，提高了系統(tǒng)實時性。為此類復雜系統(tǒng)PLC控制軟件開發(fā)提供了實用的范例。
系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化貨物輸送處理系統(tǒng)國產化和本地化維護服務，顯著降低了系統(tǒng)開發(fā)費和維護費，為我國航空貨運業(yè)降耗增效做出了貢獻。
相關輸送機產品：
1、
皮帶輸送機
2、
斗式提升機
3、
刮板輸送機
