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(cāng)庫(kù)、集裝器出庫(kù)。航空集裝器是大型貨物，人工搬運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)化輸送處理系統(tǒng)可提高貨站生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)某航空貨站2004年建成的自動(dòng)化貨物輸送處理系統(tǒng)由加拿大某公司設(shè)計(jì)，其軟件系統(tǒng)每年正常維護(hù)的服務(wù)費(fèi)高達(dá)10多萬(wàn)美元。高費(fèi)用的原因一是非本國(guó)化服務(wù)，另外也由于國(guó)內(nèi)公司在該領(lǐng)域缺乏經(jīng)驗(yàn)和競(jìng)爭(zhēng)力。因此，開發(fā)大型貨物輸送處理系統(tǒng)對(duì)貨運(yùn)行業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。
輸送系統(tǒng)由數(shù)十臺(tái)輸送機(jī)組成，每個(gè)集裝器處理工藝不同，控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)單個(gè)輸送機(jī)隨時(shí)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(gè)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(shí)輸送至少16個(gè)集裝器，不碰撞，不形成堵塞。這構(gòu)成了多任務(wù)并發(fā)、實(shí)時(shí)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(jì)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(méi)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(shí)時(shí)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(cāng)庫(kù)區(qū)�？盏幕蛐枰匦陆M裝的集裝器也可能需要從立體倉(cāng)庫(kù)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(tái)輸送機(jī)。圖中的8臺(tái)可升降雙向輸送機(jī)設(shè)計(jì)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(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)接口。輸送電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)。
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(duì)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(yùn)物流處理中，同一個(gè)集裝器貨物可能需要在不同地點(diǎn)（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(diǎn)，每個(gè)集裝器的裝載操作流程經(jīng)過(guò)的工位是不同的，提出了輸送路徑可隨時(shí)變化的要求，即多路徑要求。特性四，多個(gè)集裝器在不同工位上同時(shí)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(duì)輸送貨物的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。機(jī)械方面，輸送機(jī)為輥道臺(tái)輸送方式，輸送系統(tǒng)由多個(gè)可獨(dú)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(jì)
控制系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC兩級(jí)組成。輸送機(jī)組分為手動(dòng)、半自動(dòng)、聯(lián)機(jī)自動(dòng)3種工作模式。手動(dòng)和半自動(dòng)模式下由PLC單獨(dú)控制輸送機(jī)組。聯(lián)機(jī)自動(dòng)模式下監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC協(xié)作完成輸送機(jī)組控制。
手動(dòng)模式下提供單臺(tái)設(shè)備的單一動(dòng)作操作功能。半自動(dòng)操作模式下，操作員通過(guò)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(dòng)把貨物輸送到目標(biāo)地址。由于PLC資源有限，半自動(dòng)模式下不考慮多個(gè)貨物同時(shí)輸送時(shí)可能產(chǎn)生的路徑?jīng)_突問(wèn)題。
聯(lián)機(jī)自動(dòng)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(lái)的指令執(zhí)行輸送動(dòng)作，并向監(jiān)控計(jì)算機(jī)報(bào)告輸送機(jī)輸送執(zhí)行情況。路徑?jīng)_突問(wèn)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(duì)整個(gè)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(gè)輸送機(jī)構(gòu)成一個(gè)工作小組。
對(duì)于如圖1所示的一組輸送機(jī)組的控制，采用一臺(tái)PLC為主控制器。主控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與分組控制柜中的遠(yuǎn)程10模塊通信。并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與工位旁的8臺(tái)觸摸屏以及監(jiān)控調(diào)度計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)物流的有效控制。物流執(zhí)行系統(tǒng)的控制軟件是實(shí)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(gè)范例。正如文獻(xiàn)[4]中所述“為工業(yè)軟件設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)時(shí)，必須將純的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格改造成專用風(fēng)格來(lái)滿足特定領(lǐng)域的需求”，本系統(tǒng)應(yīng)用了管道過(guò)濾器架構(gòu)，并對(duì)其做了局部的面向?qū)ο蟮母脑�。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)底層對(duì)象的分析與設(shè)計(jì)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(jì)
1)貨物信息跟蹤設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，由于每個(gè)被輸送的貨物的批次信息不同，以及處理過(guò)程的多工位、多路徑特點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)跟蹤保持實(shí)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(yàn)，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(guò)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(duì)物料進(jìn)行全程數(shù)據(jù)跟蹤。但條形碼技術(shù)會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)全程跟蹤。信息跟蹤在監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC控制系統(tǒng)上分別實(shí)現(xiàn)，以起到相互校驗(yàn)和備份的功能。
2)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC的通信設(shè)計(jì)在聯(lián)機(jī)自動(dòng)模式下，監(jiān)控調(diào)度計(jì)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(tái)輸送執(zhí)行輸送動(dòng)作。輸送指令為一個(gè)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(hào)、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(hào)等。輸送機(jī)執(zhí)行輸送指令后把執(zhí)行情況自動(dòng)報(bào)告給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。PLC控制系統(tǒng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信采用PLC共享內(nèi)存方式。在PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器開辟指令數(shù)據(jù)“窗口”和報(bào)告數(shù)據(jù)“窗口”，并設(shè)置應(yīng)答標(biāo)志，以實(shí)現(xiàn)信息交互同步。輸送機(jī)組PLC控制軟件中設(shè)計(jì)了指令接收模塊和報(bào)告發(fā)送模塊以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)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(guò)濾器模式處理數(shù)據(jù)的方式相似。用PLC軟件實(shí)現(xiàn)管道過(guò)濾器模式以映射輸送過(guò)程，可方便地同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與貨物輸送的同步。不同于一般過(guò)濾器，本系統(tǒng)過(guò)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(gè)對(duì)象分別實(shí)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(duì)象實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)對(duì)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(guò)濾器模式。各個(gè)輸送機(jī)控制模塊部分采用面向?qū)ο竽Ｊ健＼浖鱾�(gè)模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)個(gè)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▽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分解。模塊間的數(shù)據(jù)通過(guò)消息方式傳遞。指令隊(duì)列和狀態(tài)報(bào)告隊(duì)列為FIFO（先進(jìn)先出）隊(duì)列。指令隊(duì)列中的貨物輸送指令來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏輸入或上位監(jiān)控計(jì)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(shí)現(xiàn)指令的校驗(yàn)后把指令壓入指令隊(duì)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(gè)輸送機(jī)控制模塊的指令隊(duì)列）各個(gè)輸送機(jī)控制模塊，并激活相應(yīng)的輸送機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)控制任務(wù)的動(dòng)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(guò)控制其子程序“調(diào)用使能位”實(shí)現(xiàn)。多任務(wù)的調(diào)度實(shí)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(lái)2個(gè)好處。一是節(jié)約了PLC掃描時(shí)間，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jì)。
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(dòng)作，并把任務(wù)執(zhí)行情況壓入指令報(bào)告隊(duì)列以便與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信�；虬岩粋�(gè)配合動(dòng)作指令壓入指令隊(duì)列，通過(guò)“指令分發(fā)及任務(wù)調(diào)度”模塊把配合動(dòng)作指令發(fā)送到另外一個(gè)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(dòng)作。輸送機(jī)控制模塊完成傳來(lái)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(gè)輸送機(jī)控制模塊（對(duì)象）對(duì)應(yīng)于實(shí)際的一臺(tái)輸送機(jī)的控制。按照實(shí)際存在的輸送機(jī)類型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4種輸送機(jī)控制子程序（類）。輸送機(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)方法詳見文獻(xiàn)。
6)輸送路徑控制 半自動(dòng)工作模式下的路徑控制在輸送機(jī)控制模塊中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖l輸送機(jī)組排列特點(diǎn)，各個(gè)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(dòng)控制方式下由監(jiān)控計(jì)算機(jī)調(diào)度實(shí)現(xiàn)多路徑控制。為提高實(shí)時(shí)監(jiān)控效率．監(jiān)控計(jì)算機(jī)事先根據(jù)Dijkstra最短路徑搜索算法計(jì)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(kù)中。需要時(shí)根據(jù)貨物起點(diǎn)和終點(diǎn)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(jí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)與運(yùn)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(shí)現(xiàn)，一個(gè)輸送機(jī)組的PLC控制程序規(guī)模（程序文件大�。┘s2MB，程序掃描周期在1ms—2 ms。設(shè)計(jì)的輸送控制系統(tǒng)于2009年6月在某機(jī)場(chǎng)大型貨運(yùn)站實(shí)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(cè)試中，每2組機(jī)組同時(shí)輸送32個(gè)集裝器，同時(shí)投入50個(gè)集裝器在16個(gè)工位上并行進(jìn)行正方向輸送操作，連續(xù)8h測(cè)試。測(cè)試表明系統(tǒng)在高負(fù)荷輸送時(shí)輸送流暢，可以避免路徑死鎖產(chǎn)生，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性滿足要求，不發(fā)生集裝器碰撞。
7、結(jié)語(yǔ)
為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)并發(fā)控制和物流與信息流的實(shí)時(shí)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(guò)濾器軟件架構(gòu)技術(shù)，對(duì)該架構(gòu)局部應(yīng)用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。開發(fā)完成了一個(gè)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(jì)方法較通常的順序控制程序設(shè)計(jì)方法更適合大規(guī)模分布式控制系統(tǒng)開發(fā)。實(shí)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(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度提供了方便，通過(guò)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(shí)時(shí)性。為此類復(fù)雜系統(tǒng)PLC控制軟件開發(fā)提供了實(shí)用的范例。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化貨物輸送處理系統(tǒng)國(guó)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(fèi)和維護(hù)費(fèi)，為我國(guó)航空貨運(yùn)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)
