RGV在冷轧钢管智能产线物流上的应用

前 言

随着“工业4.0”与“中国制造2025”等概念的提出，制造业对自动化、智能化生产模式及现代化、智能化的物流运输和仓储系统的需求日益增长。AGV小车与RGV小车作为现代化、智能化的物流运输和仓储系统的关键设备，应用于越来越多的生产制造和物流项目中。

AGV小车可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等的改变而灵活改变，大大提高了生产的柔性。目前AGV小车的主要导航技术有电磁导航、磁带导航、激光导航、惯性导航、视觉导航等。这些导航方式对环境要求高，如外界光线、能见度、场地平整度等，且AGV小车结构复杂，元器件价格昂贵，电池维护和磁条更换等也有成本支出。由于冷轧钢管生产车间环境相对复杂，且生产工艺流程稳定，物流方向不会轻易改变，所以AGV小车不适用于冷轧钢管产线。RGV小车结构简单，对外界环境抗干扰能力强，具有速度快，可靠性高，造价及维护成本低等特点，更适用于冷轧钢管生产线。

一、智能RGV车的结构组成

如图1所示，智能RGV车由车架、主动轮系统、供电系统、从动轮系统、安全防护系统、通讯系统六部分组成。

1.车架2.主动轮系统3.供电系统4.从动轮系统5.安全防护系统6.通讯系统

图1 RGV车结构组成

1.1 主动轮系统

主动轮系统由悬挂结构、轮系结构和驱动装置组成。首次应用了板簧悬挂结构，当板簧处于自由状态时主动轮系比从动轮系低10mm。当RGV车置于轨道上时，由于RGV车自身重量和承载重量的作用，板簧受压，主动轮和从动轮的高度差消除，保证主动轮压紧在轨道上，避免轨道的轨面平整度不够或长时间运行后地基下陷造成主动轮悬空，导致主动轮打滑以及编码器空转引起RGV车定位出现误差。

采用了两组主动轮同时驱动，驱动装置由伺服电机和减速机组成，两个伺服电机的输出转速可通过电气控制实现同步。

1.2 通讯和安全防护系统

智能RGV车通讯系统如图2所示，采用光传输通讯系统进行信号传输。光传输发射端和接收端分别置于RGV车和地面上，需要采集的信号数据通过接收端接入工控机。光传输系统信号传输稳定，抗电磁干扰能力强，现场所用光传输系统最远距离达200m。

1.激光通讯接收端2.激光通讯发射端

图2 激光通讯系统示意图

智能RGV车采用如图3所示的激光测距系统。激光测距仪安装于RGV车上，反光板固定于地面，用于实时检测RGV车运行距离和其所在的实际位置，并用于校准驱动系统的伺服电机的虚轴位置，对RGV车定位进行闭环反馈。该激光测距系统最大检测距离200m，满量程测量精度为±2mm，满足生产工艺的精度要求。

1.反光板2.激光测距仪

图3 激光测距系统示意图

智能RGV车的安全防护采用安全边沿开关，如图1所示安装于RGV车头尾两处，RGV车在安全防护网内运行，工作状态下禁止人员进入。如出现意外，有人非法闯入，当安全边沿开关碰触到人或物体，置于安全边沿开关橡皮支架内的检测元件会立即发讯，RGV车紧急制动，避免安全事故的发生。

1.3 智能RGV车的供电系统

目前RGV小车有蓄电池供电、低压轨道供电、电缆卷筒供电、拖缆供电和滑触线供电五种供电方式。五种供电方式的各有优缺点，其对比见表1。

表1 RGV小车供电方式对比

根据冷轧管生产工艺需求，物流转运车使用较频繁，运行距离长，对设备可靠性要求高。成功应用在某厂的智能RGV车采用滑触线供电方式，如图4所示，由滑线导轨、集电器和一些辅助组件构成。

1.电器2.滑线导轨3.支架

图4 滑触线示意图

滑触线导轨外壳由高绝缘性能的工程塑料制成，绝缘性能良好，防护等级高，对检修人员触及输电导管外部无任何伤害，且RGV车和滑触线供电系统在安全防护网内运行，安全可靠。供电系统采用双集电器，分别固定在车体前后部位，保证两个集电器不同时处于滑触线滑轨接缝处，避免某个集电器的电刷经过滑轨接缝时出现RGV车动力丢失的现象。根据该厂工艺布局，单跨产线长度达300m，为了提高物料运转效率，采用两车同轨，共用一套供电系统。单个RGV车最远运输距离200m，充分发挥了滑触线供电方式不受运行距离限制的优势。

二、控制原理

如图5所示，RGV物流系统分为3个跨区，由数据处理系统(由14台钢管平移机和14台独立控制的智能RGV车系统构成)，通过MES系统实现在生产线上各个单机设备间的物料流转全自动运行，不需人工干预，根据生产工艺要求实现钢管从坯料库到轧机，轧机到暂存库，暂存库到后续的精整工艺等一系列转运工作。

智能RGV车接受车间的MES系统调度，例如轧机设备发出要料请求时，MES系统向坯料RGV车(1#RGV车)发出指令，1#RGV车收到指令后运行至坯料库的取料位，坯料库的智能天车将指定批号的坯料取出放至1#RGV车上，1#RGV车检测到坯料放至妥当后运行至轧机的上料位，由轧机上方的智能天车取走1#RGV车上的坯料，完成轧机的上料工序。当轧机将该批号钢管轧制完成并完成在线脱脂后，脱脂设备发出出料请求，MES系统向2#RGV车发出指令，2#RGV车自动运行至脱脂设备的出料位，智能天车将脱脂完成的钢管放至2#RGV车妥当后，2#RGV车将该批钢管运至炉前暂存库，由暂存库的机械臂完成入库工序。如此类推，14台RGV车及14台平移机构根据MES系统的生产调度，相互配合，与其他单机设备完成后续的工艺要求，直至成品管运出。

图5 RGV物流系统示意图

如图6所示，RGV物流系统的数据处理系统由一个可编程控制器与MES系统进行数据互换，并控制14台平移机构，再通过可编程控制器与14台智能RGV车进行数据交换。为了使智能RGV车脱离可编程控制器进行独立控制，智能RGV车为单独的电气系统。

1.可编程控制器2.交换机（8台）3.智能RGV车（14台）4.钢管平移机（14台）

图6 RGV物流数据处理系统示意图

如图7所示，单个智能RGV车的电气系统由一个带可编程(MLD)功能的REXROTH伺服驱动器、一个标准的REXROTH伺服驱动器、Leuze-AMS激光测距装置、Leuze-DDLS光通讯传输装置构成。

数据处理系统

1.带可编程伺服驱动器2.伺服驱动器3.交换机4.激光测距装置5.光通讯装置

图7 单个智能RGV车系统示意图

MES系统根据工艺需求下发给数据处理系统，数据处理系统通过程序判断进行对其需要运行的智能RGV车发送启动信号和到达指定位置位移值，智能RGV车系统接收到数据处理系统的命令后使两个伺服电机通过跟随虚轴的速度实现同步并通过电流反馈实时调整两个电机的同步速度使其保持力矩平衡，虚轴以激光测距来做闭环同步，虚轴校准时激光测距装置对虚轴当前位置进行反馈，从而虚轴进行位置控制来实现精准定位，定位结束后，位置会有偏差，再次根据激光测距装置读取出来的实时位置进行多次校准，使其误差控制在2mm之内，最终到位后对数据处理系统发出到位信号，随后数据处理系统将其到位的信号发送给MES系统。

智能RGV车的安全系统取车身前后的安全边沿开关、激光测距以及光通讯的状态，分为MES控制模式和本地手动控制模式。处于MES系统控制模式时，若有人非法闯入，光通讯被遮挡或激光测距被遮挡，则RGV车紧急制动;处于本地手动控制模式时，边沿开关被触碰也会触发RGV车紧急制动。

主伺服驱动器与MES系统通过光通讯装置进行UPD通讯，与激光测距装置进行TCPIP通讯，通过UDP通讯MES系统控制智能RGV车的启停和定位位置，并且智能RGV车实时反馈当前状态给MES系统，MES系统实时对小车进行控制与数据读取。

三、RGV物流的技术优势

传统的冷轧钢管生产多为断续生产，物流转运不顺畅，物料在设备间衔接多为人工吊运，或平板车运输，存在生产效率低，车间环境差，工人劳动强度大的缺点，相较于传统的生产方式，RGV物流的技术优点明显：

(1) 为满足物流转运需要，RGV车身长达20m，20m长度的RGV车在轨道上运行时，极有可能出现主动轮悬空导致动力丢失的现象，为此，首次在工业用RGV车上使用了板簧悬挂系统，保证RGV车运行时主动轮始终与轨道紧密接触，不会出现动力丢失。(2) RGV车采用的激光测距系统和激光通讯系统实现了闭环反馈功能，当RGV车到达指定工位后，通过激光测距系统和通讯系统实施反馈的数据对RGV的位置进行修正，保证RGV车的定位精度达到±2mm以内。(3) RGV车采用了安全边沿开关，安全防护系统等安全防护措施，RGV车运行区域外围设置安全防护网并设置有权限，除检修外人员无法进入RGV车运行区域，有效保证了工人作业安全。(4) RGV车组成的物流系统与车间的生产调度系统(MES)实现通讯，改变了传统的物流转运方式，不需人工干预即可实现产线上每道工序间的物流转运，大大减少了人员成本，提高了车间工作环境和生产效率。

四、结束语

RGV物流系统在冷轧钢管生产线上的成功应用，改变了传统的物料转运方式，RGV车接受车间MES系统的生产调度，根据生产工艺需求，在各工艺流程间全自动无人化进行物料转运和衔接，大大减小了车间的人员成本，提高了生产效率，为实现整个产线的自动化、智能化起到了关键作用。

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作者：中国重型机械研究院股份公司武晓斌/张逸尘/刘邯涛/李俊恒

浙江久立特材科技股份有限公司陆明红/叶明强

来源：《重型机械》

物流文视界

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大流量转轨RGV系统在大型电商仓储物流中的应用

本文分析了目前大型电商的发展及其在仓储物流作业方面的特点和需求，再根据当今自动化物流设备和系统的发展情况以及目前工控行业各领域较为先进可靠的技术特征，结合昆船物流公司最新实施应用的宁波智能物流仓库项目实际需求，提供一套可以满足项目要求的大流量转轨RGV系统解决方案，并对这个系统的控制系统配置、任务调度管理、区域控制、道岔控制、车载控制等方面分别进行介绍，完善各项技术功能的应用水平，从而将大流量转轨RGV系统应用到大型电商仓储物流项目上，使其发挥最高效能，力争为用户的投资带来最大化的收益。

一、引言

在这个信息科技高速发展的社会，电子商务不仅仅是网购这么简单，它从衣、食、住、行等方方面面影响着人们的生活，已然成为我们现在和未来的重要生活方式之一。据统计，2018年，全社会电子商务交易规模达到30.61万亿元，同比上年增长14.5%（同年全国GDP约90万亿元，比上年增长6.6%），与此同时，整个电子商务领域中各行各业也在迅速地提升自身的业务能力，这其中尤其以自动化物流领域的发展最为瞩目，多家电商企业纷纷应用和建立了自己的自动化物流平台：京东亚洲一号、天猫菜鸟网络IoT未来园、网易考拉智能物流仓等都是这样一批高度现代化、智能化的自动化物流项目。这些项目都具有相当高的处理能力，例如京东的昆山亚洲一号自动分拣系统分拣能力超过4万件/小时，整个分拣中心日分拣能力超过100万件，如此高的分拣能力对整个系统中每一个环节的要求也是相当高的，同样必须具备与之匹配的作业效率，在这样的系统中，一般都配置有大量的轨道搬运车系统（RGV）。

RGV是物料搬运环节的重要设备，其作业效率直接决定整个系统的处理能力，以往传统的RGV系统多为直行轨道的单车或双车系统，一般可满足小区域的中低作业频度，对于类似亚洲一号仓库这样动辄10万平方米、超过10km输送线的仓储系统则需要环行轨道的多车系统才能满足搬运需要，普通的不具备换轨能力的环轨多车系统因作业路径固定、运行效率不高的原因不适合布置在大范围物料搬运区域中，而具备大流量搬运能力的转轨RGV系统则可以发挥路径可变、作业灵活的优势，满足大范围、多个库区间进行大流量的物料搬运作业，是解决大型电商物流系统中物料输送的重要技术手段（图1）。

图1 大流量转轨RGV系统

本文以昆船物流公司最新实施应用的宁波智能物流仓库项目为例，说明大流量转轨RGV系统在其中的应用和解决方案。该库为大型电商华东区域中心库，计容面积约25万平方米，标准托盘货位90896个，巷道堆垛机28台，其中四楼的分选作业出入库区域计容面积65024平方米，要求系统输送能力≥469托盘/H；面对这样高的系统能力要求，如果采用常用直行往复RGV和输送机布局来完成物料输送的功能，一来很难满足系统能力指标，二来平面布局复杂，将带来操作繁琐、维护困难等问题，针对这些原因，我们采用了基于大流量转轨RGV系统的解决方案。

二、设计内容简述

在此解决方案中，我们在该项目四楼的堆垛机出入库区和分选作业出入库区域设置一套转轨RGV系统；将1号库分选作业区（11个站台）、2号库分选作业区（21个站台）、3号库巷道堆垛机出入库区（56个站台）、4号库分选作业区（10个站台）等四个库区用一套大流量转轨RGV系统贯穿起来，环线轨道全长860米，配置RGV小车54台，并在作业功能及库区的交界处设置了8个转轨道岔装置。为方便设备检修，在1号库和4号库各设置有一段维修轨道以及一段备用维修、缓存段轨道，平面布置见图2。

图2 1号、4号库平面布置图

根据这个项目总体设计方案和功能要求，确定大流量转轨RGV系统的控制原则是：整个控制系统分别由车辆调度管理子系统（WCS）、地面区域控制子系统、轨道供电及站台控制子系统、车载控制子系统等各个子系统组成。

车辆调度管理子系统包括调度计算机、监控计算机、数据服务器等，负责与WMS系统交互、搬运任务分配、车辆路径规划、系统状态监控等功能；

地面区域控制子系统主要由SC区域控制器 (SegmentController)、本地监控操作界面（LSI）、道岔控制器、波导通讯系统等组成，负责整个系统所有车辆、道岔的通讯管理、转发WCS下发的车辆调度任务、控制车辆交通管理、道岔控制、监控本地个设备状态等功能；

轨道供电及站台控制子系统主要负责环线轨道的分段供电控制、道岔供电控制，以及车辆与各个库区站台的交互控制；

车载控制子系统由控制、驱动、通讯、检测等单元组成，负责控制单台RGV小车按照区域控制器SC的指令进行直线和弯道移动、装卸货等运行控制。

三、方案具体实施

为更好叙述本控制系统设计的上述控制目的、特征，下面通过附图分别对该项目的大流量转轨RGV系统的控制方案设计做进一步的详细阐述。

1.系统布局

本项目覆盖区域较大，RGV小车的数量较多，对轨道系统的供电要求较高，为确保所有运行区域的车辆供电可靠、运行正常，我们将整个860米RGV的运行轨道划分为A～N的14个供电段，每个供电段按照60A容量配电，可保障约20辆RGV小车运行的供电需求，对于2个维修段也进行独立供电；整个环行轨道被6个道岔划分成5个逻辑环线，另外2个道岔用于移载进出维修段的小车；在每个道岔前段轨道的一定距离采用配合道岔状态的联锁供电方式，确保RGV车辆在道岔位置运行安全；在项目平面内各个库区设置有4部安全门以及若干个急停按钮盒，其分别配合安全电路完成一定区域内的操作人员人身安全以及车辆运行安全；本项目RGV车辆均采用基于SWG波导通讯方式与SC区域控制器通讯，鉴于通讯距离所限，我们在整个环行轨道设置了6个AP接入点，划分了6个SWG波导通讯区域，RGV小车在各通讯区域进行漫游和切换AP进行通讯。系统布局如图3。

图3 系统布局

2.系统通讯网络架构

图4 通讯架构

大流量转轨RGV系统的各个子系统通过相应的网络建立通讯连接，通讯架构如图4：RGV任务调度管理系统的调度计算机、监控计算机，对整个系统不同区域的所有RGV小车进行调度管理和状态监控，在整个系统共配置了2套SC区域控制器及LSI本地监控操作界面，各自负责所属区域内所有车辆、道岔的通讯管理、转发调度计算机下发的车辆调度任务、控制车辆交通管理、道岔控制，RGV调度计算机与SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯；系统中配置有1台地面供电控制柜，通过Ethernet与调度计算机建立Socket通讯，负责环线轨道的分段供电控制、道岔供电控制，以及车辆与各个库区站台控制器的交互控制；系统中每台小车均配置集成式车载控制器，根据调度指令执行行走、装卸货操作，车载控制器与SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯；系统中的8个道岔分别由各自的道岔控制器控制，道岔控制器与各区域的SC区域控制器通过Ethernet/UDP进行通讯。

3.RGV任务调度管理

分配合理的RGV小车实现不同站台间的物料输送，以最近、合理、有效原则进行任务分配，并实时对空车进行交通管制；同时对车辆信息、站台信息、实时任务、历史任务、故障报警进行管理， RGV任务调度管理软件功能模块组成见图5。

图5 RGV任务调度系统功能模块

RGV任务调度管理采用任务到车的调度模式：系统自动适应任务状态，根据任务量多少灵活变换调度模式，任务量少时只对目标点路径上的车辆进行调度；任务饱和时（任务数≥相应区域内可运行车辆总数），每次从任务列表中取出n条对就近小车进行任务分配，离车太远和太近任务不分配，动态的将最优距离的任务分配给车，减少小车空跑率。

调度管理系统直接对各个区域道岔进行控制，根据车辆当前位置和目标位置合理配置道岔方向，考虑系统最短路径，不仅仅考虑单一RGV的最短路径，在任务产生时，保证最近、有效的RGV执行该任务。

车辆避让:判断RGV-n-1小车装卸货站台占用（或异常）, 造成该小车站台装卸异常，此时若后方RGV-n任务小车接近，则RGV-n-1小车需为RGV-n任务小车让道；此时需判断站台占用或异常的判定时间，对避让指令延时进行参数化，兼顾车辆有效载货率和系统整体效率。

4.区域控制

本项目在整个地面控制系统采用了SEW公司的Maxolution技术，该技术主要由区域控制器（SC）、本地监控操作界面（LSI）、道岔控制器（MoviPro-PHE）、车载控制器（MoviPro-PHC）、MOVIVISION server调度软件、波导通讯系统共同搭建一个设备层面的控制平台；本项目使用的2个SC区域控制器为Maxolution系统核心单元，配置有MOVIVISION server调度软件，对RGV小车进行底层的运行管理（含：运动定位、车辆跟随及避碰），并负责车辆状态的数据汇总、车辆参数配置、轨道参数的配置；并且还与RGV任务调度管理系统进行信息的交换，根据本区域的车辆实时状况，将目标位置、起停等调度任务指令发送给指定的车载控制器，实现对不同的RGV小车的控制。

同一区域内进行分段管理：具有多车属性的MVT段（Muti-Vehicle Track），可允许多辆车进入，多车段设置路径单元TE（Track Element），有多少个TE就能管理多少辆车；而具有单车属性的SVT段（Single Vehicle Track）则同时只允许一辆车进入。

单个SC区域控制器有控制规模及通讯距离的限制，故而本项目使用2个SC区域控制器进行分区域控制，两个SC区域控制器各负责约一半的RGV作业区域,波导通讯接入点也分别按照各个区域接入各自的SC区域控制器；每个SC区域控制器根据车辆调度指令，结合本区域内的车辆状态管理车辆任务调度；相邻SC区域控制器之间进行车辆交接管理和任务传递，以及区域间车辆安全联锁控制（图6）。

图6 区域控制

现场的2台LSI监控操作界面对整个Maxolution系统的状态进行显示监控，并提供相应系统、车辆参数的设置和修改接口，可以设置和修改轨道段、点等地图属性，也可以实时调整RGV小车、道岔控制的运行参数，并且实时监控和显示轨道段点、车辆、道岔的状态，且具备对于本区域的系统故障、报警的指示和复位功能，图7为LSI监控操作界面及功能示意图。

图7 LSI监控操作界面及功能示意图

5.道岔控制

环行轨道中的8个道岔分别由各自的道岔控制器（MoviPro-PHE）进行控制，道岔分为Drive-In合流道岔和Dirve-Out分流道岔两种类型，针对不同类型，在道岔控制器里进行参数设置，与主轨道当中段的属性相似，道岔也有进入车号、段号等属性需配置；另外道岔的控制模式分为全局（Global）和本地（Local）两种，Global模式时道岔变更由WCS调度管理系统直接控制，为Local模式时则由SC区域控制器控制。道岔管理及控制，如图8。

图8 道岔管理及控制图

道岔锁定距离（Activation distance）：当RGV小车被调度指令控制需要进入一个道岔时，设置道岔前段的一个安全距离，RGV小车进入这个距离之后，道岔被该小车占据，其他车辆不可再使用；

道岔冲突距离（Collision distance）：当RGV小车占据一个道岔后，在离开道岔之后，至少需要保证离开这个安全距离后，道岔才能允许另一个小车进入道岔。

6.车载控制

系统内所有RGV小车均使用MoviPro-PHC车载控制器，其采用高度集成化设计和安装，是集成了PLC控制器、通讯处理器、位置采集接口、数字量IO接口、变频驱动等的紧凑型单元，其集成化程度高，接口丰富（SBUS、EtherNet、ProfiBus、ProfiNet、 CAN等），接口全部采用IP67插接件连接方式，防护等级高，电气安装方便、空间占用小；各车载控制单元将本车的位置、载货、空载、故障等各项状态反馈给所在区域的SC区域控制器，并且根据所在区域的SC区域控制器的指令进行行走、加减速、输送等操作，车载控制器可根据本车安全检测器件保证自身运行安全；车载控制单元系统示意图，如图9。

图9 智车载控制单元系统示意图

7.车辆运行安全联锁

本项目转轨RGV系统区域分布广，设备数量多，各个设备（小车、道岔）的运行安全要求较高，基于此要求，控制系统在项目平面内各个库区设置有4部安全门以及若干个区域急停按钮盒，其分别配合安全电路完成一定区域内的操作人员人身安全以及车辆运行安全；安全门开关、区域急停按钮开关均配置双冗余触点，信号接入安全继电器，搭建符合ISO 13849-1安全标准的保护系统，安全继电器信号由SC区域控制器采集，与道岔禁行及其他外围安全控制信号一同作为地面区域安全运行信号，经过波导通讯系统反馈至RGV小车和道岔控制器，进行相应的安全联锁操作；

另外，每辆RGV小车的车载电控器件实时检测穿梭车条码位置检测反馈异常、超速、货姿异常等安全状态，并及时中断RGV小车运行，从而实现车辆自身的安全保护操作（图10）。

图10 车辆自身的安全保护操作

四、结语

目前这个项目智能物流仓库的大流量转轨RGV系统已经完成调试，投入试运行阶段，并经过多次大流量压力测试，该系统的各项性能和指标均达到技术方案的设计目的，可以满足客户在多库区之间实现高效率的大流量物料搬运和分选的工艺要求，验证了在大型电商仓储物流项目中使用大流量转轨RGV系统这种模式的合理适用性，也使转轨RGV这种设备的整体应用进入了更高的阶段，丰富了物流设备的产品线，在设备的安装调试易用性、系统能力、故障诊断和维修便捷等方面都有较大程度的提高。

当今电商行业蓬勃发展，对各类自动化物流设备需求日益增加，为这类设备的发展和革新带来了巨大的市场和机遇，而现在工业自动化发展的步伐越来越快，各项新技术、新工艺的开发应用也在不断推陈出新，我们可以充分利用这些有利条件，不断吸收和提炼，将这些有助于提高设备性能的技术结合应用到自动化物流设备的开发设计中，必然会对产品的良性发展产生推动，从而也对整个物流自动化行业的进步产生积极的影响。

总体上看，大流量转轨RGV系统不论从应用理念还是实用效果上看，都能满足当前电商仓储物流输送的实际需求，并且符合多批次、大流量、多种类物流输送的发展方向，这样的研发和应用，必然能为设备制造方和使用方带来双赢的良好局面。

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