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摘 要：无人化天车迅速发展，项目周期缩短，对无人化天车系统提出了更高的要求，开发出一套模拟系统可大幅缩短现场调试时间，通过分析天车系统的支撑数据，将模拟系统进行模块划分，分析各个模块的特点与交互方式，设计出相应功能，开发出对应的模拟程序，最后进行项目对比，查看配套模拟研发的必要性。
关键词：无人化;天车;MES;模拟
中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.039
本文著录格式：卢武阳，安乐新.无人化天车系统配套模拟的研发[J].软件，2021，42（02）：126-128
Development of Simulation System for Unmanned Crane
LU Wuyang， AN Lexin
（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Tangshan Hebei 063000）
【Abstract】：With the rapid development of the unmanned crane and the shortening of the project cycle， the unmanned crane system has higher requirements. The development of a simulation system can greatly shorten the debugging time. By analyzing the supporting data of the crane system， the simulation system is divided into modules， the characteristics and interaction modes of each module are analyzed， the corresponding functions are designed， and the corresponding simulation program is developed Finally， the paper compares the projects to see the necessity of supporting simulation research and development.
【Key words】：unmanned;crane;MES;simulation
0引言
隨着智能制造、无人化产业的发展，用人成本的不断提升，无人化天车及智能库管系统在工厂中的作用日益凸显，已经成为日常生产中不可或缺的角色。各种库区的无人化改造如雨后春笋一般增多，对于无人化天车系统的开发也提出了更高的要求，如何保证开发程序的适应性和稳定性是项目快速完结的关键性因素之一。
由于现在调试环境复杂，经常调试中期开始生产与调试并行，调试时间无法得到保证，为此要在进入现场前完成程序的大部分测试工作，以缩短现场调试的时间，进而确保项目能在规定工期内完成，因此对无人天车系统配套模拟的开发显得格外重要。
1 模拟系统的架构
无人化天车二级系统的数据支撑较多，而数据支撑均来自于接口，因此建立与系统相匹配的模拟系统可以从接口着手。数据来源按接口形式划分，主要分为内部接口和外部接口两大部分。
内部接口较为简单，只包括二级系统与天车一级PLC之间的接口，该类接口主要为天车主体的相关信息。外部接口多种多样，与不同系统间的接口一般格式不一，接口通讯方式不同，必须分开进行考虑，但主要包含与MES系统、物流管理系统、产线一级系统、产线二级系统、车辆识别系统、门禁系统、地面系统及其它相关系统。其中MES系统和物流管理系统在不同的工厂中应用不同，部分工厂中的物流管理统一划分到MES系统，因此这两个系统统一按MES系统进行模拟，产线的一级、二级接口也同样合并为产线系统进行模拟，其它系统功能较为简单，合并处理。
综上所述可将模拟系统分为天车本体模拟、MES系统模拟、产线系统模拟、其它系统几大部分。如图1：
2 天车本体
无人天车本体是无人天车系统的核心，天车系统投入后，天车本体由一个主PLC进行控制，PLC接收天车二级系统下发的运行指令，按指令进行模式切换、倒运物料、移动、暂停、急停等操作，具备安全监测和主动报警提示功能，并将报警返回到二级系统的可视化界面。
除此之外，天车本体运行有两大关键技术分别为防摇摆控制和障碍物规避，其中防摇摆控制对整体的效率和运行逻辑影响较小，主要调试重点在传动和一级参数调节，因此可忽略该部分功能模拟，但障碍物规避设计天车运行效率和多天车协调控制逻辑，必须考虑入模拟系统，本体需根据接口传输的移动路线添加详细的避让路线模拟，以此测算库区的天车运行效率能否满足下线、上线、发货等作业计划。该部分通讯数据内容主要包含天车运行的实时 数据、运行指令数据、指令运行接口反馈数据，因此天车本体模拟可设计如下：
（1）与二级系统接口进行连接，并接收工单信息、指令信息;
（2）控制天车按接收的信息准确进行动作，更新天车数据;
（3）工单信息存在避让时，按对应的避让路径进行数据更新;
（4）返回天车实时数据，在要求时机返回对应起吊和放吊完成数据。
天车本体模拟模块流程如图2：
另外本体模拟程序需要良好的适应性，能适应不同的类型的天车，例如夹具天车、电磁吊天车、抓斗天车等，为此在模拟中添加天车类型选项，对不同类型天车进行对应样式的数据更新。除了适应性，复制性也是要求之一，一个项目往往有多台天车，批量生成多台天车模拟程序可大大减少工作量。 3 MES系统
MES系统与无人化天车系统主要为物料信息的交互，MES系统负责将新产出的物料信息、物料信息变化发送到天车系统，供天车系统进行物料追踪和逻辑参考，而天车系统将物料位置变化数据返回MES，MES根据物料位置的变化对物料进行入库和出库管理。
由于部分工厂MES包含物流管控系统，物流管理系统需将车辆配货单传输到天车系统，作为无人天车自动装卸车的数据支撑，车辆完成装卸作业后，因此MES系统的模拟主要包含以下功能：
（1）产出新的物料和物料信息，可对物料信息进行变化;
（2）模拟新的车辆装配单;
（3）将上述信息通过接口传输到天车系统;
（4）接收天车发送的物料位置变化信息和车辆离开报文。
MES系统模拟流程如图3：
其中物料信息必需包含物料编号、物料重量、物料尺寸、物料去向等必要信息即可，方便适应不同的项目。如项目物料为可码放型物料，如钢卷、板坯、线材等，设置物料种类、品级、交货单等属性，智能库管根据这些属性分析物料的码放策略，实现库区利用效率的最大化。
4 产线系统
产线是物料进出库区的主要途径之一，也是与无人化天车系统交互的关键性设备，产线系统模拟要求具备设备状态模拟、设备连锁模拟、物料跟踪模拟、天车系统指令响应能力模拟，从而保证与天车系统的顺畅交互。但与产线设备的联动不仅要保证过程的流畅性，更要确保各种状况下设备的安全性，这就要求产线模拟时考虑到产线设备的各种异常情况，以测试无人化天车系统的应对策略是否正确。产线系统模拟的主要功能设计如下：
（1）设备移动及对应物料跟踪模拟;
（2）接收天车系统指令并进行对应的设备连锁;
（3）设备各种异常状态模拟;
（4）将上述信息通过接口传输到天车系统。
对于卷库、板坯库、线材库，该模拟能在开发阶段起到关键性的作用。但对于松散类物料的无人库区，如水渣、矿粉、废钢等，这些类型物料一般直接进入库区，做简单的模拟物料入库即可。
5 其它系统
除上诉模拟系统外，常见的外围交互系统还有车辆识别系统、门禁系统、地面系统、过跨车系统等，这些系统根据项目库区情况不同来决定是否投入，但各个系统在不同项目中的应用方式几乎相同。
其中车辆识别系统接收天车系统发送车辆信息，对车辆进行3D扫描后返回车辆及物料位置信息，天车系统根据位置信息进行装卸车作业，虽交互方式较为复杂，但接口形式明了，控制逻辑清晰，因此可将车辆识别系统模拟简单化，直接读取天车系统发送的车辆信息，再根据数据做对应的数据返回即可。门禁系统负责识别进出口车号信息，地面系统主要负责库区安全门开启状态，此类系统接口简单、数据单一，可直接做简单模拟写入相关数据接口表，省略接口程序模拟。
过跨车属于天车系统内部设备，过跨车配置独立PLC系统用于接收指令，并按指令控制过跨车进行过跨移动，控制方式和接口方式都较為固定，模拟程序同样按车辆识别模拟设计方式进行开发，利用直接读取指令，然后按指令返回对应数据。
6 总结
按上述设计开发出的模拟系统投入运行后，已顺利配套两个无人化天车系统的开发工作，有模拟系统配套开发出的程序相对于之前的程序，程序具有更强的稳定性和适应性，现场调试改动量明显减少，与各个系统之间交互稳定性明显提高，对比之前同类项目，每个项目平均缩短现场调试周期半个月左右。该结果表明该配套模拟系统的投入为无人化天车项目的调试提拱了很大便利，可进行广泛应用。
关键词：无人化;天车;MES;模拟
中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.039
本文著录格式：卢武阳，安乐新.无人化天车系统配套模拟的研发[J].软件，2021，42（02）：126-128
Development of Simulation System for Unmanned Crane
LU Wuyang， AN Lexin
（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Tangshan Hebei 063000）
【Abstract】：With the rapid development of the unmanned crane and the shortening of the project cycle， the unmanned crane system has higher requirements. The development of a simulation system can greatly shorten the debugging time. By analyzing the supporting data of the crane system， the simulation system is divided into modules， the characteristics and interaction modes of each module are analyzed， the corresponding functions are designed， and the corresponding simulation program is developed Finally， the paper compares the projects to see the necessity of supporting simulation research and development.
【Key words】：unmanned;crane;MES;simulation
0引言
隨着智能制造、无人化产业的发展，用人成本的不断提升，无人化天车及智能库管系统在工厂中的作用日益凸显，已经成为日常生产中不可或缺的角色。各种库区的无人化改造如雨后春笋一般增多，对于无人化天车系统的开发也提出了更高的要求，如何保证开发程序的适应性和稳定性是项目快速完结的关键性因素之一。
由于现在调试环境复杂，经常调试中期开始生产与调试并行，调试时间无法得到保证，为此要在进入现场前完成程序的大部分测试工作，以缩短现场调试的时间，进而确保项目能在规定工期内完成，因此对无人天车系统配套模拟的开发显得格外重要。
1 模拟系统的架构
无人化天车二级系统的数据支撑较多，而数据支撑均来自于接口，因此建立与系统相匹配的模拟系统可以从接口着手。数据来源按接口形式划分，主要分为内部接口和外部接口两大部分。
内部接口较为简单，只包括二级系统与天车一级PLC之间的接口，该类接口主要为天车主体的相关信息。外部接口多种多样，与不同系统间的接口一般格式不一，接口通讯方式不同，必须分开进行考虑，但主要包含与MES系统、物流管理系统、产线一级系统、产线二级系统、车辆识别系统、门禁系统、地面系统及其它相关系统。其中MES系统和物流管理系统在不同的工厂中应用不同，部分工厂中的物流管理统一划分到MES系统，因此这两个系统统一按MES系统进行模拟，产线的一级、二级接口也同样合并为产线系统进行模拟，其它系统功能较为简单，合并处理。
综上所述可将模拟系统分为天车本体模拟、MES系统模拟、产线系统模拟、其它系统几大部分。如图1：
2 天车本体
无人天车本体是无人天车系统的核心，天车系统投入后，天车本体由一个主PLC进行控制，PLC接收天车二级系统下发的运行指令，按指令进行模式切换、倒运物料、移动、暂停、急停等操作，具备安全监测和主动报警提示功能，并将报警返回到二级系统的可视化界面。
除此之外，天车本体运行有两大关键技术分别为防摇摆控制和障碍物规避，其中防摇摆控制对整体的效率和运行逻辑影响较小，主要调试重点在传动和一级参数调节，因此可忽略该部分功能模拟，但障碍物规避设计天车运行效率和多天车协调控制逻辑，必须考虑入模拟系统，本体需根据接口传输的移动路线添加详细的避让路线模拟，以此测算库区的天车运行效率能否满足下线、上线、发货等作业计划。该部分通讯数据内容主要包含天车运行的实时 数据、运行指令数据、指令运行接口反馈数据，因此天车本体模拟可设计如下：
（1）与二级系统接口进行连接，并接收工单信息、指令信息;
（2）控制天车按接收的信息准确进行动作，更新天车数据;
（3）工单信息存在避让时，按对应的避让路径进行数据更新;
（4）返回天车实时数据，在要求时机返回对应起吊和放吊完成数据。
天车本体模拟模块流程如图2：
另外本体模拟程序需要良好的适应性，能适应不同的类型的天车，例如夹具天车、电磁吊天车、抓斗天车等，为此在模拟中添加天车类型选项，对不同类型天车进行对应样式的数据更新。除了适应性，复制性也是要求之一，一个项目往往有多台天车，批量生成多台天车模拟程序可大大减少工作量。 3 MES系统
MES系统与无人化天车系统主要为物料信息的交互，MES系统负责将新产出的物料信息、物料信息变化发送到天车系统，供天车系统进行物料追踪和逻辑参考，而天车系统将物料位置变化数据返回MES，MES根据物料位置的变化对物料进行入库和出库管理。
由于部分工厂MES包含物流管控系统，物流管理系统需将车辆配货单传输到天车系统，作为无人天车自动装卸车的数据支撑，车辆完成装卸作业后，因此MES系统的模拟主要包含以下功能：
（1）产出新的物料和物料信息，可对物料信息进行变化;
（2）模拟新的车辆装配单;
（3）将上述信息通过接口传输到天车系统;
（4）接收天车发送的物料位置变化信息和车辆离开报文。
MES系统模拟流程如图3：
其中物料信息必需包含物料编号、物料重量、物料尺寸、物料去向等必要信息即可，方便适应不同的项目。如项目物料为可码放型物料，如钢卷、板坯、线材等，设置物料种类、品级、交货单等属性，智能库管根据这些属性分析物料的码放策略，实现库区利用效率的最大化。
4 产线系统
产线是物料进出库区的主要途径之一，也是与无人化天车系统交互的关键性设备，产线系统模拟要求具备设备状态模拟、设备连锁模拟、物料跟踪模拟、天车系统指令响应能力模拟，从而保证与天车系统的顺畅交互。但与产线设备的联动不仅要保证过程的流畅性，更要确保各种状况下设备的安全性，这就要求产线模拟时考虑到产线设备的各种异常情况，以测试无人化天车系统的应对策略是否正确。产线系统模拟的主要功能设计如下：
（1）设备移动及对应物料跟踪模拟;
（2）接收天车系统指令并进行对应的设备连锁;
（3）设备各种异常状态模拟;
（4）将上述信息通过接口传输到天车系统。
对于卷库、板坯库、线材库，该模拟能在开发阶段起到关键性的作用。但对于松散类物料的无人库区，如水渣、矿粉、废钢等，这些类型物料一般直接进入库区，做简单的模拟物料入库即可。
5 其它系统
除上诉模拟系统外，常见的外围交互系统还有车辆识别系统、门禁系统、地面系统、过跨车系统等，这些系统根据项目库区情况不同来决定是否投入，但各个系统在不同项目中的应用方式几乎相同。
其中车辆识别系统接收天车系统发送车辆信息，对车辆进行3D扫描后返回车辆及物料位置信息，天车系统根据位置信息进行装卸车作业，虽交互方式较为复杂，但接口形式明了，控制逻辑清晰，因此可将车辆识别系统模拟简单化，直接读取天车系统发送的车辆信息，再根据数据做对应的数据返回即可。门禁系统负责识别进出口车号信息，地面系统主要负责库区安全门开启状态，此类系统接口简单、数据单一，可直接做简单模拟写入相关数据接口表，省略接口程序模拟。
过跨车属于天车系统内部设备，过跨车配置独立PLC系统用于接收指令，并按指令控制过跨车进行过跨移动，控制方式和接口方式都较為固定，模拟程序同样按车辆识别模拟设计方式进行开发，利用直接读取指令，然后按指令返回对应数据。
6 总结
按上述设计开发出的模拟系统投入运行后，已顺利配套两个无人化天车系统的开发工作，有模拟系统配套开发出的程序相对于之前的程序，程序具有更强的稳定性和适应性，现场调试改动量明显减少，与各个系统之间交互稳定性明显提高，对比之前同类项目，每个项目平均缩短现场调试周期半个月左右。该结果表明该配套模拟系统的投入为无人化天车项目的调试提拱了很大便利，可进行广泛应用。