1、引 言
大型航空货站货物出港处理流程是：散货收取、散货暂存、散货组装到集装器、集装器暂存到立体仓库、集装器出库。航空集装器是大型货物，人工搬运费时费力，自动化输送处理系统可提高货站生产效率。国内某航空货站2004年建成的自动化货物输送处理系统由加拿大某公司设计，其软件系统每年正常维护的服务费高达10多万美元。高费用的原因一是非本国化服务，另外也由于国内公司在该领域缺乏经验和竞争力。因此，开发大型货物输送处理系统对货运行业的发展具有战略意义。
输送系统由数十台
输送机组成，每个集装器处理工艺不同，控制系统需要实现单个输送机随时脱离系统进行人工干预的单机控制和协调多个输送机完成工艺流程的协调调度。要求输送机组可同时输送至少16个集装器，不碰撞，不形成堵塞。这构成了多任务并发、实时控制要求。这与常见的小型货物和原料输送系统不同。文献中设计的柔性物流输送系统输送线为环形，文献中涉及的生产原料输送系统输送的货物类型单一，二者都没有多工位处理多路径输送功能。
目前尚未发现可参考的大型控制系统软件样例。本系统开发综合了软件工程思想和实时控制系统方法，提供了类似系统PLC控制软件的范例。
2、输送线及工艺要求
在大中型航空货站中配置类似的输送机组3到6组。货物在町升降双向输送机上组装到集装器，然后输送到集装货物立体仓库区�？盏幕蛐枰匦伦樽暗募捌饕部赡苄枰恿⑻宀挚馇聪蚴渌偷郊捌髯樽扒�。图示输送机组共有4种类型22台输送机。图中的8台可升降双向输送机设计为集装器组装以及称重．打标签和录入货物信息的操作工位。输送机D2A，D5A与立体仓库堆垛机接口。输送电机采用变频器驱动。
航空货站的货物输送及处理工艺有五特性。特性一，其输送的对象是航空集装器，从其体积和重量上看属于大型货物，不易处理。特性二，航空货运物流处理中，同一个集装器货物可能需要在不同地点（工位上）多次组装，这提出了输送系统多工位的要求。特性三，由于航空货物装机配载的要求以及航空货物批量小、品种多的特点，每个集装器的装载操作流程经过的工位是不同的，提出了输送路径可随时变化的要求，即多路径要求。特性四，多个集装器在不同工位上同时组装、处理，要求控制系统具有多任务并发处理功能。特性五，要求对输送货物的信息进行实时跟踪�；捣矫妫渌突醯捞ㄊ渌头绞�，输送系统由多个可独立工作的输送机排列形成输送机组。
3、控制系统总体规划设计
控制系统由监控计算机和PLC两级组成。输送机组分为手动、半自动、联机自动3种工作模式。手动和半自动模式下由PLC单独控制输送机组。联机自动模式下监控计算机和PLC协作完成输送机组控制。
手动模式下提供单台设备的单一动作操作功能。半自动操作模式下，操作员通过触摸屏操作输入相关信息，当操作员选取目标地址后，PLC控制系统自动把货物输送到目标地址。由于PLC资源有限，半自动模式下不考虑多个货物同时输送时可能产生的路径冲突问题。
联机自动模式下，PLC与监控调度上位机联网，PLC按照上位机发来的指令执行输送动作，并向监控计算机报告输送机输送执行情况。路径冲突问题由上位机调度解决。为了便于维护和减少故障输送机对整个机组的影响，采取了工作模式的分组控制策略。邻近的几个输送机构成一个工作小组。
对于如图1所示的一组输送机组的控制，采用一台PLC为主控制器。主控制器通过现场总线与分组控制柜中的远程10�？橥ㄐ�。并通过工业以太网交换机与工位旁的8台触摸屏以及监控调度计算机通信。
4、控制软件开发方法分析
由于工艺的特性，在航空货站的物流执行系统中，用一般的输送机和顺序控制方法难以实现对物流的有效控制。物流执行系统的控制软件是实现多工位处理多路径输送等要求的关键。文献[2]以及其他一些文献提出了把面向对象的软件技术应用到复杂PI。C控制软件的开发。但单纯的面向对象开发方法已经不能适应本系统的特性需求。软件发展的新技术在PLC控制软件开发中应用一般较晚。软件架构即软件体系结构技术和面向对象技术在PLC软件开发中应用同样较少见。
本文把软件架构技术引入PLC软件开发，以期为该领域开发提供一个范例。正如文献[4]中所述“为工业软件设计体系结构时，必须将纯的体系结构风格改造成专用风格来满足特定领域的需求”，本系统应用了管道过滤器架构，并对其做了局部的面向对象的改造。本设计在系统底层对象的分析与设计方面本文与文献[3.5]相似，但文献[3，5]在系统架构方面关注较少。
5、P'LC控制软件设计
1)货物信息跟踪设计本系统中，由于每个被输送的货物的批次信息不同，以及处理过程的多工位、多路径特点，需要实时跟踪保持实际货物流和信息流的同步。以便输送控制系统做出相应的处理，或用于校验，或提交管理信息系统处理。跟踪传输的信息包括货物自身和控制相关两类信息。PLC通过相连的传感器或触摸屏获得两类信息，信息具体内容详见下文。
在一些生产线中，常采用条形码技术对物料进行全程数据跟踪。但条形码技术会增加贴码工序、读码设备，相应地增加成本。且条形码在数据动态变化的应用中显得不方便。本系统采用可编程序控制器进行集装器及其货物数据的同步输送，实现的数据全程跟踪。信息跟踪在监控计算机和PLC控制系统上分别实现，以起到相互校验和备份的功能。
2)监控计算机与PLC的通信设计在联机自动模式下，监控调度计算机向机组PLC控制系统下达输送指令，指挥机组中某一台输送执行输送动作。输送指令为一个结构体。其分量包括货物起始（输送机）位置、目标位置、货物号、货物重量、集装器类型、货物外形、输送指令类型、是否旋转、操作员工号等。输送机执行输送指令后把执行情况自动报告给监控计算机。PLC控制系统与监控计算机的通信采用PLC共享内存方式。在PLC数据存储器开辟指令数据“窗口”和报告数据“窗口”，并设置应答标志，以实现信息交互同步。输送机组PLC控制软件中设计了指令接收模块和报告发送�？橐允迪钟爰嗫丶扑慊耐ㄐ�。
3) PLC控制系统软件架构货物在输送机之间依次传输，这与管道过滤器模式处理数据的方式相似。用PLC软件实现管道过滤器模式以映射输送过程，可方便地同时实现数据与货物输送的同步。不同于一般过滤器，本系统过滤器．输送机控制�？榻细丛�，它需要完成输送机械的控制和货物信息的维护和传递。它同样有自身的控制数据和控制功能。面向对象技术适合应用于分布式系统，多个对象分别实现和存在，可方便地处理多任务并发操作。故本文把输送机控制�？橛成湮韵笫迪�。
根据对PLC控制系统系统信息跟踪和多任务并发控制要求，控制软件总体采用面向数据的管道过滤器模式。各个输送机控制模块部分采用面向对象模式。软件各个�？樯杓莆桓龈鍪荽砘�，模块间关系和数据流，如图2所示。
输送机控制部分按照面向对象方法对系统进行了分解。�？榧涞氖萃ü⒎绞酱�。指令队列和状态报告队列为FIFO（先进先出）队列。指令队列中的货物输送指令来自现场触摸屏输入或上位监控计算机，指令生产�？榛蛑噶罱邮漳？橥瓿捎氪ッ粱蛏衔换慕换ゲ⑹迪种噶畹男Ｑ楹蟀阎噶钛谷胫噶疃恿�。
4)指令分发及任务调度 控制软件的中枢是“指令分发及任务调度”�？�。指令分发及任务调度模块把指令分发到（压人各个输送机控制�？榈闹噶疃恿校└鞲鍪渌突刂颇？�，并激活相应的输送机控制�？�，实现输送机控制任务的动态调度。所有输送机控制�？樵谥噶罘址⒓叭挝竦鞫饶？橹邢允降饔�。调度的方法是通过控制其子程序“调用使能位”实现。多任务的调度实际上是使空闲的输送机控制�？樾菝�，也就是PLC不扫描相应模块，虽然软件上稍微复杂了一些．但带来2个好处。一是节约了PLC扫描时间，提高了系统实时性；二是可以减少传统PLC软件中复杂的联锁关系的设计。
5)输送机控制�？槭渌突刂颇？榭刂剖渌突亩�，并把任务执行情况压入指令报告队列以便与监控计算机通信。或把一个配合动作指令压入指令队列，通过“指令分发及任务调度”�？榘雅浜隙髦噶罘⑺偷搅硗庖桓鍪渌突刂颇？�，以通知其他输送机控制�？榻信浜隙�。输送机控制�？橥瓿纱吹氖渌椭噶詈蟾次蛔陨淼牡饔檬鼓芪�，使自己进入休眠，直到被指令分发及任务调度�？榧せ�·置位其调用使能位。
每个输送机控制�？椋ǘ韵螅┒杂τ谑导实囊惶ㄊ渌突目刂�。按照实际存在的输送机类型，系统设计了4种输送机控制子程序（类）。输送机设计相应的控制数据。�？槟诓可杓品椒ㄏ昙南�。
6)输送路径控制 半自动工作模式下的路径控制在输送机控制模块中实现。根据图l输送机组排列特点，各个工位上的输送机首先把货物输送到主干道即中间的一排输送机上。中间的输送机先比较当前纵坐标和目标地址纵坐标的大小关系确定输送的纵向方向，直到相等后比较横坐标确定输送的横向方向。
联机自动控制方式下由监控计算机调度实现多路径控制。为提高实时监控效率．监控计算机事先根据Dijkstra最短路径搜索算法计算出所有可能的路径（包括不同输送机组中的工位间的路径），保存在数据库中。需要时根据货物起点和终点查询出货物路径。在发送指令控制货物进入关键路径前先判断是否有路径冲突，并根据货物输送优先级设定决定是否允许货物进入关键路径输送机。即采取了主动避让策略，以避免发生路径死锁，造成货物堵塞。
6、系统实现与运行效果
PLC控制软件在Rockwell的Control Logix 5562（Rockwell公司也称其为PAC）上编程实现，一个输送机组的PLC控制程序规模（程序文件大�。┰�2MB，程序扫描周期在1ms—2 ms。设计的输送控制系统于2009年6月在某机场大型货运站实施，替代了进口。由于控制软件系统分析合理、结构清晰，加快了系统调试。
系统压力测试中，每2组机组同时输送32个集装器，同时投入50个集装器在16个工位上并行进行正方向输送操作，连续8h测试。测试表明系统在高负荷输送时输送流畅，可以避免路径死锁产生，系统实时性满足要求，不发生集装器碰撞。
7、结语
为实现实时多任务并发控制和物流与信息流的实时跟踪，在大型货物多工位处理和多路径输送PLC控制系统软件开发中应用了管道过滤器软件架构技术，对该架构局部应用了面向对象的技术实现�？⑼瓿闪艘桓鎏囟煊颍ㄈ嵝允渌涂刂疲┑娜砑芄埂８孟低橙砑杓品椒ń贤ǔ５乃承蚩刂瞥绦蛏杓品椒ǜ屎洗蠊婺７植际娇刂葡低晨�。实现的软件架构具有较强的适应性，便于重用。合理的控制软件架构也为实现多任务调度提供了方便，通过多任务的合理调度，使得PLC软件的执行是不完全扫描，缩短了扫描周期，提高了系统实时性。为此类复杂系统PLC控制软件开发提供了实用的范例。
系统实现了自动化货物输送处理系统国产化和本地化维护服务，显著降低了系统开发费和维护费，为我国航空货运业降耗增效做出了贡献。
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