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(chǎn)效率。國內(nèi)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(shè)計，其軟件系統(tǒng)每年正常維護(hù)的服務(wù)費高達(dá)10多萬美元。高費用的原因一是非本國化服務(wù)，另外也由于國內(nèi)公司在該領(lǐng)域缺乏經(jīng)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(jī)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(jī)隨時脫離系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)的單機(jī)控制和協(xié)調(diào)多個輸送機(jī)完成工藝流程的協(xié)調(diào)調(diào)度。要求輸送機(jī)組可同時輸送至少16個集裝器，不碰撞，不形成堵塞。這構(gòu)成了多任務(wù)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(xiàn)中設(shè)計的柔性物流輸送系統(tǒng)輸送線為環(huán)形，文獻(xiàn)中涉及的生產(chǎn)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(jī)組3到6組。貨物在町升降雙向輸送機(jī)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(jī)組共有4種類型22臺輸送機(jī)。圖中的8臺可升降雙向輸送機(jī)設(shè)計為集裝器組裝以及稱重．打標(biāo)簽和錄入貨物信息的操作工位。輸送機(jī)D2A，D5A與立體倉庫堆垛機(jī)接口。輸送電機(jī)采用變頻器驅(qū)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(jī)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(jīng)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(wù)并發(fā)處理功能。特性五，要求對輸送貨物的信息進(jìn)行實時跟蹤。機(jī)械方面，輸送機(jī)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(jī)排列形成輸送機(jī)組。
3、控制系統(tǒng)總體規(guī)劃設(shè)計
控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機(jī)和PLC兩級組成。輸送機(jī)組分為手動、半自動、聯(lián)機(jī)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(jī)組。聯(lián)機(jī)自動模式下監(jiān)控計算機(jī)和PLC協(xié)作完成輸送機(jī)組控制。
手動模式下提供單臺設(shè)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(guān)信息，當(dāng)操作員選取目標(biāo)地址后，PLC控制系統(tǒng)自動把貨物輸送到目標(biāo)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(chǎn)生的路徑?jīng)_突問題。
聯(lián)機(jī)自動模式下，PLC與監(jiān)控調(diào)度上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，PLC按照上位機(jī)發(fā)來的指令執(zhí)行輸送動作，并向監(jiān)控計算機(jī)報告輸送機(jī)輸送執(zhí)行情況。路徑?jīng)_突問題由上位機(jī)調(diào)度解決。為了便于維護(hù)和減少故障輸送機(jī)對整個機(jī)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(jī)構(gòu)成一個工作小組。
對于如圖1所示的一組輸送機(jī)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(yuǎn)程10模塊通信。并通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與工位旁的8臺觸摸屏以及監(jiān)控調(diào)度計算機(jī)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(jī)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(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]以及其他一些文獻(xiàn)提出了把面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)應(yīng)用到復(fù)雜PI。C控制軟件的開發(fā)。但單純的面向?qū)ο箝_發(fā)方法已經(jīng)不能適應(yīng)本系統(tǒng)的特性需求。軟件發(fā)展的新技術(shù)在PLC控制軟件開發(fā)中應(yīng)用一般較晚。軟件架構(gòu)即軟件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)在PLC軟件開發(fā)中應(yīng)用同樣較少見。
本文把軟件架構(gòu)技術(shù)引入PLC軟件開發(fā)，以期為該領(lǐng)域開發(fā)提供一個范例。正如文獻(xiàn)[4]中所述“為工業(yè)軟件設(shè)計體系結(jié)構(gòu)時，必須將純的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格改造成專用風(fēng)格來滿足特定領(lǐng)域的需求”，本系統(tǒng)應(yīng)用了管道過濾器架構(gòu)，并對其做了局部的面向?qū)ο蟮母脑臁１驹O(shè)計在系統(tǒng)底層對象的分析與設(shè)計方面本文與文獻(xiàn)[3.5]相似，但文獻(xiàn)[3，5]在系統(tǒng)架構(gòu)方面關(guān)注較少。
5、P'LC控制軟件設(shè)計
1)貨物信息跟蹤設(shè)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(yīng)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(guān)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(nèi)容詳見下文。
在一些生產(chǎn)線中，常采用條形碼技術(shù)對物料進(jìn)行全程數(shù)據(jù)跟蹤。但條形碼技術(shù)會增加貼碼工序、讀碼設(shè)備，相應(yīng)地增加成本。且條形碼在數(shù)據(jù)動態(tài)變化的應(yīng)用中顯得不方便。本系統(tǒng)采用可編程序控制器進(jìn)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(jī)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(jī)與PLC的通信設(shè)計在聯(lián)機(jī)自動模式下，監(jiān)控調(diào)度計算機(jī)向機(jī)組PLC控制系統(tǒng)下達(dá)輸送指令，指揮機(jī)組中某一臺輸送執(zhí)行輸送動作。輸送指令為一個結(jié)構(gòu)體。其分量包括貨物起始（輸送機(jī)）位置、目標(biāo)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(zhuǎn)、操作員工號等。輸送機(jī)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(jī)。PLC控制系統(tǒng)與監(jiān)控計算機(jī)的通信采用PLC共享內(nèi)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(shè)置應(yīng)答標(biāo)志，以實現(xiàn)信息交互同步。輸送機(jī)組PLC控制軟件中設(shè)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(jī)的通信。
3) PLC控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)貨物在輸送機(jī)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(jī)控制模塊較復(fù)雜，它需要完成輸送機(jī)械的控制和貨物信息的維護(hù)和傳遞。它同樣有自身的控制數(shù)據(jù)和控制功能。面向?qū)ο蠹夹g(shù)適合應(yīng)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(wù)并發(fā)操作。故本文把輸送機(jī)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(wù)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(jī)控制模塊部分采用面向?qū)ο竽Ｊ健＼浖鱾�模塊設(shè)計為一個個數(shù)據(jù)處理機(jī)，模塊間關(guān)系和數(shù)據(jù)流，如圖2所示。
輸送機(jī)控制部分按照面向?qū)ο蠓椒▽ο到y(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(jī)，指令生產(chǎn)模塊或指令接收模塊完成與觸摸屏或上位機(jī)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(wù)調(diào)度 控制軟件的中樞是“指令分發(fā)及任務(wù)調(diào)度”模塊。指令分發(fā)及任務(wù)調(diào)度模塊把指令分發(fā)到（壓人各個輸送機(jī)控制模塊的指令隊列）各個輸送機(jī)控制模塊，并激活相應(yīng)的輸送機(jī)控制模塊，實現(xiàn)輸送機(jī)控制任務(wù)的動態(tài)調(diào)度。所有輸送機(jī)控制模塊在指令分發(fā)及任務(wù)調(diào)度模塊中顯式調(diào)用。調(diào)度的方法是通過控制其子程序“調(diào)用使能位”實現(xiàn)。多任務(wù)的調(diào)度實際上是使空閑的輸送機(jī)控制模塊休眠，也就是PLC不掃描相應(yīng)模塊，雖然軟件上稍微復(fù)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(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系的設(shè)計。
5)輸送機(jī)控制模塊輸送機(jī)控制模塊控制輸送機(jī)的動作，并把任務(wù)執(zhí)行情況壓入指令報告隊列以便與監(jiān)控計算機(jī)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(wù)調(diào)度”模塊把配合動作指令發(fā)送到另外一個輸送機(jī)控制模塊，以通知其他輸送機(jī)控制模塊進(jìn)行配合動作。輸送機(jī)控制模塊完成傳來的輸送指令后復(fù)位自身的調(diào)用使能位，使自己進(jìn)入休眠，直到被指令分發(fā)及任務(wù)調(diào)度模塊激活·置位其調(diào)用使能位。
每個輸送機(jī)控制模塊（對象）對應(yīng)于實際的一臺輸送機(jī)的控制。按照實際存在的輸送機(jī)類型，系統(tǒng)設(shè)計了4種輸送機(jī)控制子程序（類）。輸送機(jī)設(shè)計相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。模塊內(nèi)部設(shè)計方法詳見文獻(xiàn)。
6)輸送路徑控制 半自動工作模式下的路徑控制在輸送機(jī)控制模塊中實現(xiàn)。根據(jù)圖l輸送機(jī)組排列特點，各個工位上的輸送機(jī)首先把貨物輸送到主干道即中間的一排輸送機(jī)上。中間的輸送機(jī)先比較當(dāng)前縱坐標(biāo)和目標(biāo)地址縱坐標(biāo)的大小關(guān)系確定輸送的縱向方向，直到相等后比較橫坐標(biāo)確定輸送的橫向方向。
聯(lián)機(jī)自動控制方式下由監(jiān)控計算機(jī)調(diào)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(jī)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(jī)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(jìn)入關(guān)鍵路徑前先判斷是否有路徑?jīng)_突，并根據(jù)貨物輸送優(yōu)先級設(shè)定決定是否允許貨物進(jìn)入關(guān)鍵路徑輸送機(jī)。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(jī)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(shè)計的輸送控制系統(tǒng)于2009年6月在某機(jī)場大型貨運站實施，替代了進(jìn)口。由于控制軟件系統(tǒng)分析合理、結(jié)構(gòu)清晰，加快了系統(tǒng)調(diào)試。
系統(tǒng)壓力測試中，每2組機(jī)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(jìn)行正方向輸送操作，連續(xù)8h測試。測試表明系統(tǒng)在高負(fù)荷輸送時輸送流暢，可以避免路徑死鎖產(chǎn)生，系統(tǒng)實時性滿足要求，不發(fā)生集裝器碰撞。
7、結(jié)語
為實現(xiàn)實時多任務(wù)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(yīng)用了管道過濾器軟件架構(gòu)技術(shù)，對該架構(gòu)局部應(yīng)用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)實現(xiàn)。開發(fā)完成了一個特定領(lǐng)域（柔性輸送控制）的軟件架構(gòu)。該系統(tǒng)軟件設(shè)計方法較通常的順序控制程序設(shè)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(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，便于重用。合理的控制軟件架構(gòu)也為實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度提供了方便，通過多任務(wù)的合理調(diào)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(fù)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(chǎn)化和本地化維護(hù)服務(wù)，顯著降低了系統(tǒng)開發(fā)費和維護(hù)費，為我國航空貨運業(yè)降耗增效做出了貢獻(xiàn)。
相關(guān)輸送機(jī)產(chǎn)品：
1、皮帶輸送機(jī)
2、斗式提升機(jī)
3、刮板輸送機(jī)
