044|前沿|4|解密一项“工业4.0德国物流黑科技”

今天记得是好像去年这个时候，有一条刷爆朋友圈的文章，题目叫“物流黑科技，德国再出颠覆性发明”，大概是这样的一款设备：

这套系统是来自德国的，名字叫cellueyor，是一套模块化的输送系统。这个系统由多个六边形模块组成，每个六边形模块内部有三个可以正反转向的结构轮。通过这些六边形和上边的轮的配合，可以完成各种包裹的运动，比如排序，排列，缓存，专项，正向，反向等等。

每个六边形是可以随时方便的插拔的，重新拼接后的矩阵组合可以自动继续搬运包裹。

以上的这种技术其实就是我们上篇文章讲到的一种“即插即用”的前沿物流技术。

King：043|前沿|3|“不要不相信”之即插即用物流技术的实例

今天接着上次的介绍来继续分享一下这种技术具体是怎么实现的。

为了让大家更加眼界丰富，我参考德国的当前另外一款与cellueyor类似的前沿物流输送产品来介绍。这个产品叫cognilog模块化输送机，是由汉诺威莱布尼兹大学来研发的。

大概是这样的：

看着是不是和cellueyor很像？没错，是的。因为它也是模块化设计的：

cognilog输送机就是由上边一个个的小转轮模块拼接组合而成的，可以直接进行即插即用。

每个转轮模块自己可以正转和反转，自己本体结构也可以旋转。

看过我之前的关于工业4.0下的即插即用的物流自动化技术的文章应该能了解到，cognilog输送机具有如下的特点：

• 标准模块化
• 即插即用
• 可扩展
• 可重构
• 自适应性
• 高度的柔性

高度柔性化和分布式控制的物流输送系统

不管是cellueyor输送机还是cognilog输送机，他们都有很多类似的地方，但归根到底，设计人员设计类似这样功能的输送机的目的究竟是什么呢？

之前的文章我们也介绍过原因，在工业4.0的总体框架下来看，未来的自动化物流一定是朝着高度柔性化的方向去发展的。

放到一个具体的场景中来看，比如一段物流搬运系统，早上搬运输送的是一袋袋的大米，尺寸大概600mm*400mm，每个袋子重约10Kg；到了下午搬运输送的又变成了一盒一盒的数码产品，尺寸变成了更小的比如200mm*150mm，每个盒子重约1kg。

由于输送的物料单元的尺寸或者重量或者包装形式的不统一，对于这种情况，现阶段我们的做法通常是将不同的物料单元统一到标准的容器中，比如统一的料箱或者统一的托盘等等，然后再针对料箱或者托盘运用成熟的标准输送方案，比如皮带输送机或者托盘输送机。

但由于未来的发展方向是高度柔性和产品的非标准化、可定制化的特点，这会导致物料单元的不可预知性，如果再继续用统一的容器来进行管理，可能会有库容量不合理、大尺寸物料需要拆盘过于频繁、或者小件物料分拣环节复杂、效率低下等等各种问题。另外随着搬运工艺和上下游要求的变化，当前的物料单元可能去向也会发生变化，去向发生变化的同时由于包装的需要，也许需要物料本身的方向也要发生变化。

• 理想中的高柔性化的搬运系统可以将不同的物料单元投入到该输送系统中，输送系统可以根据当前不同的物料单元的属性进行输送，也可以根据当前输送的要求，动态的完成该物料的去向，旋转、等待、合并，排队等等各种动作。
• 有了对应不同物料的各种输送功能，还需要系统能够自适应的调整自己的程序来完成上述的功能。我们现有的控制系统中的实现方式为，将各种可能存在的搬运控制逻辑都写入到控制器里，如果有新的要求和输送控制方式，要重新修改控制程序。自适应性的柔性输送机系统可以根据当前物料要去的下游和包装要求、吞吐量要求自动调整到正确输送控制模式下，不再依赖于中央控制器，属于分布式控制的方式。
• 中间某个模块除了故障，直接换一个，系统继续运行。如果模块还未还，如果别的模块可以帮助“曲线救国”，系统也可以自动通过“曲线救国”来自动完成。

实现方法：

考虑到上边的高柔性和分布式控制的要求，那生活中有没有类似这样的智能系统存在呢？

答案是：有。

比如可以安排一组人来接力搬运各种物品，不管物品是什么样的，不管物品一会儿要去车间A还是去仓库B，也不管中间有人要休息了，可以由别人来代替。接力的时候的人也只需要看看包裹就可以把包裹传递给下一个人，而不需要有个类似于中央控制器的大喇叭在指挥每个人去具体干什么干什么。

正是参考上边这种人的组合和方式，就可以做出类似的柔性化系统。

-系统功能分散到足够多的小模块上

-每个模块有一定的智能，且模块与模块之间采用弱连接的方式，可替代性强

-每个模块互相之间自主传递任务信息

-每个模块可以做基本的搬运动作

-每个模块的动作不依赖于某个中央控制器

-每个模块与相邻的模块可自主配合

那回到cognilog输送机，我们可以看看是否是这样设计的。

-系统功能分散到足够多的小模块上：

-每个模块有一定的智能，且模块与模块之间采用弱连接的方式，可替代性强：

cognilog输送机做成模块化可插拔的方式，并且模块与模块之间是通过标准工业总线标准接口简单相连

-每个模块互相之间自助传递任务信息

Cognilog的每个模块通过对当前物料单元的特征进行动作相应，模块与模块之间会将物料单元和任务信息进行传递，从而完成具体任务

-每个模块可以做基本的搬运动作：

每个单元模块可以正转和反转，自身也可以按照一定角度旋转

-每个模块的动作不依赖于某个中央控制器

cognilog不需要单独配一个类似PLC或者工控机的中央控制来统一调度控制，而是自我控制

-每个模块与相邻的模块可自主配合

cognilog与周围4个模块进行配合，完成具体搬运作业和动作

控制系统

由于cognilog是去中心化的一种控制实现方式，也就是说系统是由各个模块自我控制并互相配合从而实现整体功能的。因此这里所说的控制系统都被集成到各自的模块中，而没有一个中央控制器比如PLC之类的存在。

如有一个物料来到cognilog后，物料单元第一个被“转轮模块”检测到后，这个模块会根据上游传递过来的当前的物料单元的信息（尺寸，去向，效率要求，其他等等）来控制自己当前是正转还是反转，并且是否需要自身旋转。模块同时也要将当前自身的状态和当前物料单元的信息传递给周围4个模块，以保证周围的模块能配合自身完成输送，并且信息传输的速度 要非常快。

在输送开始之前 ，由于可能整个cognilog输送机上有多个物料单元正在输送，如果控制不好的话，有可能会发生死锁或者碰撞的可能，比如：A和B在输送过程中路径上可能会发生重叠

因此，物料单元进入cognilog输送机后，第一个探测到cognilog的模块要开始规划该物料单元的路径才能避免后续搬运过程中的碰撞。由于每个模块只能与周边的4个模块进行通讯，后续的这4个模块继续自我判断与自己的后4个相邻模块进行通讯，直至形成一个可运行的路径。

路径规划计算的过程中初了要考虑路径的可通过性外，还要考虑时间和物料单元的尺寸。比如不同的物料同一时间到达同一个位置时会发生冲突，因此路径规划时也要将此因素作为计算的依据，比如到达某个位置时要暂停等等3s。

路径的算法有很多相应的研究，比如距离向量算法。目前研究结构也正在热火朝天的开展中。

高柔性分布式控制系统的IT结构

我们在之前的文章中分享过现在的各种自动化系统或者IT系统都是基于金字塔结构而设计的。

基本的结构组成是这样的：

位于底层现场分布的各种设备包括传感器，执行器，子系统，电机等等将自己的信息和状态上传到中央控制器比如PLC处，中央控制器在根据这些信息经过计算后，再将控制命令下发给现场的这些执行机构，比如电机，气缸等等做出相应的动作，最终只会这些子系统设备完成工艺任务。同样的，企业里会有N多个中央控制器，这些中央控制器会同样的往上上传给更上层的系统，更上层的系统协调调度来给这些中央控制器下发任务，以此类推，一层一层的上传下达。通常最高的一层为企业的ERP。

在我们平时生活中，金字塔结构的系统也到处都是。比如我们手机的APP，用户在APP上操作的所有的数据都要通过wifi或者4G网络上传给这款APP的背后运营商的服务器，服务器根据手机APP发送的请求，针对性的将数据再下发给APP便于用户查看。

这种金字塔 结构有很多优势，我们不在这里赘述。由于每个金字塔结构内部都有自己的一套结构标准和通讯接口，如果有外来的新的子系统或者设备要并入这个金字塔内部，则需要金字塔内部每层都要做一定的调整工作才能兼容新来的子系统。新的子系统进入的越频繁，金字塔结构需要调整的工作量越大，也越麻烦。

另外像在物流自动化领域的金字塔结构的系统里，现场发生的物理的搬运并未与数字信息传递同时发生，数字信息一致都在某个服务器里，也就是说物理和数字是割裂开的。从宏观意义上来讲，物理和数字上不能同时并行发生，阻碍了智能网络的扩展性和各个环节中信息交换的便利性。

这也是为什么分布式控制系统被提出来的意义。

数据通讯

-现场总线

在像cognilog输送系统里类似的网络结构，每个模块周边最多可以连接4个其他模块。而在实际中，有些位置可能周边没有模块。一套完整的输送机系统里，其中这么多模块与模块之间的通讯必须要求现场总线能够支持，并且能够识别出当前的每个模块在整个网络里的拓扑结构是什么样，并且知道当前的这模块所在的网络位置是什么样的。知道了当前自己所处的拓扑结构位置便于信息传递给周边模块，同时根据当前物料的搬运任务，调动对应的几个模块之间互相配合完成输送。

这种现场总线要同时能够支持大部分现有的工业设备和常规的IT接口。比如CAN总线就可以支持。

数据传输速度

由于物料的搬运是通过多个模块之间的同时协同配合才能完成的，那就需要相邻一起工作并且同时搬运物料的模块之间的通讯要足够快。需要多快？那至少需要物料从前一个模块移动到下一个模块所需要的时间要长于两个模块之间的通讯所需要的时间。

比如输送机的输送速度为1m/s, 两个模块之间的距离为10cm，那两个物料单元跨越两个模块之间的时间需要100ms，也就相当于两个模块之间的信息传递必须在100ms之内完成，也就是说模块A和隔壁模块B必须在100ms内通知对方需要配合的事情，双方根据协议作出动作，才能保证物料的正常输送。

如果CAN总线的传输速度为125KB/s，可以得出两个模块之间的传输的数据包不能超过12.5KB大小。

数据形式

数据通讯最主要的目的是和第三方模块或者子系统进行有效的对接。在金字塔结构中，用户可以很方便的对接上位机，从而读取到当前现场所有设备和子系统的状态，因为底层的设备和系统实时都将信息统一的汇总到上位机。而对于分布式控制系统来讲，用户了解当前底层的设备也同样重要，但是由于系统中不在有一个所谓的中央控制单元，所以用户要了解当前的系统数据，只能通过上边讲到的数据传递过程中的数据才获取。因此数据包的传送格式需要采用目前标准的语言格式，比如可以采用XML的方式。

数据内容

要保证多个模块能互相配合作出动作完成统一的任务，传输的内容里要包含当前物料的基本信息，比如尺寸，下游要去的去的去向等等。

采用XML规范，数据包可以有两部分组成，一部分是头文件信息，主要内容为信息包的创建时间，创建人，版本号等等；另一部分为有效信息，主要包含上述的和搬运任务相关的内容，比如物料单元的基本信息，长宽，重量等，物料单元搬运的任务优先级等等。以上的内容要约定成标准的格式 ，便于外部调用读取相关的信息。

总结

基于工业4.0背景下的生产环节中越来越要求系统的柔性，而厂内物流 系统 是生产环节其中很重要的组成部分，自然也离不开这种高度柔性的需求 。不论是德国的cognilog输送系统还是之前提到的 cellueyor输送系统 ，都是高度模块化和高度柔性化系统的有益尝试和前沿研究。这种新的系统真正的尝试性的研究了基于分布至控制系统的物流自动化单元在实际中应用的方式和方法，颠覆了之前我们长期以来基于典型金字塔结构系统搭建的认知，为我们智能制造、工业4.0大背景下的 真正完成打通各个环节 数据壁垒和资源互通的趋势迈出了关键的一步。

同时也希望国内也能有类似的机构作出真正的智能化研究并且落地，而不只是宏观规划和口头畅想。