AGV和智能电梯交互系统的研究与应用
文｜机械科学研究院机科发展科技股份有限公司
程者军
本文结合实例分析了AGV实现跨楼层物料配送的具体应用，提出了AGV和智能电梯基于以太局域网的报文安全交互系统，并对AGV基于5G工业互联网实现万物互联的全面智能制造场景进行了展望。
随着电梯智能化的发展和物联网技术的进步，与电梯交互的对象已不仅仅局限在人，还包括各式各样的AGV，电梯除了输送乘客之外，运送药物、食品、文件等也逐渐开始普及。
图1为上海某生物制药厂电梯与AGV之间的联动交互，AGV将药物箱运输到电梯口，并通过和电梯进行报文指令交互，然后进入电梯，再通过电梯将AGV运输到指定楼层。由于电梯属于特种设备，与电梯交互的设备需符合特种设备安全法的相关要求，其交互系统的安全性、稳定性及可靠性需符合电梯安全使用的要求。因此，设计一种安全可靠的交互机制至关重要。
AGV与电梯交互系统需首先建立AGV与电梯之间的数据通讯链路，由于AGV的移动性特点， AGV与AGV管理服务器之间的通讯可采用局域网无线通讯，本案例采用Wi-Fi接入，也可采用广域网无线通讯，如NB-IOT及5G等。AGV服务器和电梯之间可以采用有线网络实现互联。
AGV进入电梯系统的总体结构包含AGV管理服务器、电梯、AGV、通信模块MOXA和无线局域网AP等。
AGV管理服务器需要和多台电梯实现通信，通过Ethernet接口接入局域网和电梯进行通信，电梯通过RS485串口和AGV服务器进行通信。在AGV服务器端和电梯数据传输单元端之间添加一个MOXA通讯模块，实现Ethernet接口和RS485串口之间的相互转换，建立两者之间的通讯链路，从而实现一台AGV管理服务器和多台电梯之间的报文交互。
AGV管理服务器和AGV之间通过无线局域网AP实现通信。
AGV 管理服务器获取到电梯的状态后，通过无线AP给AGV发送相关的动作指令，AGV收到指令后，执行进入和驶出电梯的动作。
AGV和智能电梯系统总体结构，如图2。
二、AGV和电梯信息交互设计
为了减少AGV和电梯直接交互过程产生的报文数量，本系统由AGV服务器和电梯进行信息交互，并对结果进行分析，将执行指令发送给AGV，AGV执行相应指令。
AGV系统和电梯交互流程为：AGV申请电梯登记→电梯反馈登记成功→AGV查询电梯所在楼层→电梯反馈所在楼层→AGV请求电梯开门→电梯开门保持→AGV进入/驶出电梯→AGV停止发送开门请求→电梯关门→电梯释放成功。AGV在申请电梯登记后，如果得到电梯反馈登记成功，才可以进行下一步动作，该交互流程中每个环节都是不可或缺且环环相扣；通讯协议数据段中，充分利用数据段中的每一位数据，并进行数据位校验，避免传输和解析错误，通信数据量也能大大降低。
1.AGV驶入电梯信息交互设计
AGV进入电梯时，AGV系统和电梯消息交互设计，如图3。
AGV进入电梯消息交互过程为：
①AGV到达电梯门口后，发送A轿内指令登记；
②电梯回应轿内登记指令；
③AGV轿内指令登记成功，发送查询电梯状态指令；
④电梯回应当前状态；
⑤电梯所在楼层信息和AGV请求楼层一致，AGV发送开门请求指令；
⑥电梯开门到位后，发送电梯就绪信号；
⑦AGV开始驶入电梯，过程中不断发送开门请求指令；
⑧AGV到达电梯内部后，停止发送开门请求指令；
⑨电梯关门，本次AGV进入电梯消息交互完成，电梯释放。
2.AGV驶出电梯消息交互设计
AGV驶出电梯时，AGV和电梯消息交互设计，如图4。
AGV驶出电梯消息交互过程为：
①AGV进入电梯后，发送A轿内指令登记；
②电梯回应轿内登记指令；
③AGV轿内指令登记成功，发送查询电梯状态指令；
④电梯回应当前状态；
⑤电梯所在楼层信息和AGV请求楼层一致，AGV发送开门请求指令；
⑥电梯开门到位后，发送电梯就绪信号；
⑦AGV开始驶出电梯，过程中不断发送开门请求指令；
⑧AGV到达电梯外部后，停止发送开门请求指令；
⑨电梯关门，本次AGV进入电梯消息交互完成，电梯释放。
3.AGV和电梯心跳流程设计
AGV每隔3秒钟给电梯发送一次心跳报文，检测AGV和电梯之间链路的连通性，AGV和电梯之间心跳流程设计，如图5。
三、AGV和电梯交互报文设计
AGV和电梯交互报文设计，如图6。
交互报文具体内容，如表1。
DATA数据内容中包含AGV的请求指令和电梯的反馈信息，本案例中定义的指令，如表2。
四、AGV和电梯交互可靠性设计
AGV与电梯需要进行频繁的数据交互。实际使用过程中发现，由于以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付，传输会存在丢包、错包、数据不均匀等情况，特别是出现数据堵塞情况，若仍一直按堵塞之前的数据发送频率发送的话，只会进一步严重加剧数据异常的发生。
软件实现上，通过在收发两端建立数据队列，将收到的数据统一存储在接收队列中，防止因断包导致校验失败而丢弃，防止因堵塞造成数据同时到达时处理不当导致数据丢失等问题，实际接收处理时，通过在接收队列中提取合法数据包进行处理；在发送时，将数据统一放置发送队列，由发送单元周期性从发送队列中提取合法数据包执行发送，AGV和电梯缓冲区流程图，如图7。
另外，还可以通过调整发送单元合法数据包发送频率，避免堵塞时缓冲区数据内容过快填
五、结论
随着工业自动化的发展，AGV与电梯的交互应用场景将会越来越多，大到商场，小到住宅，凡是有电梯的场合就可能有AGV的应用。5G网络与工业互联网的融合，也逐步会使AGV应用的行业越来越多，跨度越来越大。AGV已经成为了工厂物流配送系统的有机组成部分。为了让配送系统实现更高的自动化程度，以及实现更高的效率，必须要实现AGV自动上下电梯，而要实现AGV自动上下电梯，就必须要实现AGV跟电梯系统之间的通信。如何设计稳定可靠的交互机制至关重要，是智能制造技术重点研究的课题。
本文提出基于以太局域网的安全交互系统，通过设计报文缓冲和重发互机制确保报文交互的成功率，最大程度上保证AGV与电梯交互的安全性和可靠性，具有一定的参考价值。
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