傅友賓，薛成超，李翔宇

(新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 智能物流GB，遼寧 沈陽 110168)

以多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“貨到人”配送系統(tǒng)，具有顯著提升效益和節(jié)省時(shí)間的特點(diǎn)，在歐美市場已經(jīng)深入人心，很多企業(yè)已經(jīng)將其作為優(yōu)化物流布局、高效履行訂單的技術(shù)首選.相比傳統(tǒng)立體庫上用的堆垛機(jī)，多層穿梭機(jī)器人在前期安裝、使用和后期維護(hù)等方面靈活性更高.當(dāng)用戶的倉庫或產(chǎn)線發(fā)生變化時(shí)，多層穿梭機(jī)器人能夠便捷地拆裝移動(dòng)，增減產(chǎn)品數(shù)量，以便適應(yīng)用戶新的生產(chǎn)和倉儲(chǔ)配送需求.

雖然多層穿梭機(jī)器人在歐美已經(jīng)成為無處不在的常規(guī)產(chǎn)品，但是在中國還是廠商近兩年向市場推廣的新技術(shù).與歐美等國家相比，中國對(duì)智能物流產(chǎn)品的需求仍處于起步階段，多層穿梭機(jī)器人的應(yīng)用尚未普及.隨著該技術(shù)的日益成熟，國內(nèi)大型企業(yè)逐步認(rèn)識(shí)到了自動(dòng)化物流產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢，已經(jīng)開始引入多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng).該系統(tǒng)具有易于拆裝，靈活性強(qiáng)、工作效率高等特點(diǎn)[1].

1 機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)的規(guī)劃和格局.機(jī)器人在巷道內(nèi)穿梭，實(shí)現(xiàn)貨物的存取.巷道的一端是穿梭機(jī)器人提升機(jī)，實(shí)現(xiàn)穿梭機(jī)器人在巷道中不同層之間的轉(zhuǎn)換；巷道另一端是雙工位貨物提升機(jī)，實(shí)現(xiàn)貨物在貨架與輸送機(jī)之間的輸送.多層穿梭機(jī)器人集成先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)，以超級(jí)電容為供電模塊，并對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行能量反饋設(shè)計(jì)，可在工作中完成設(shè)備充電，真正實(shí)現(xiàn)24 h無間斷作業(yè).多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)總體布局如圖1所示.

圖1 多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)總體布局

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)包括設(shè)備控制層和監(jiān)控層兩部分，它是多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制核心[2].其上位機(jī)采用多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)度計(jì)算機(jī)，通過接收、發(fā)送指令完成貨物的運(yùn)送；下位機(jī)是多層穿梭機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，完成貨物的檢測與識(shí)別，同時(shí)對(duì)控制信息進(jìn)行傳遞[3-6].

2.1 控制系統(tǒng)的功能

通過軟件界面可實(shí)現(xiàn)控制方式的切換，包括手動(dòng)方式、聯(lián)機(jī)方式、緊急停止及故障報(bào)警等.

(1)手動(dòng)控制方式：電氣控制系統(tǒng)在該控制方式下，由人工對(duì)各多層穿梭機(jī)器人正反向行走、貨叉左右伸叉、勾叉升降進(jìn)行控制操作.

(2)聯(lián)機(jī)控制方式：電氣控制系統(tǒng)在聯(lián)機(jī)控制方式下接收上位計(jì)算機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層穿梭機(jī)器人的自動(dòng)控制，通過物流和數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸，滿足物流工藝的要求.

(3)緊急停止及故障報(bào)警：地面控制系統(tǒng)及調(diào)度界面具有緊急停止操作功能.當(dāng)按下急停按鈕后，多層穿梭機(jī)器人停止運(yùn)行.多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可自動(dòng)診斷，將診斷信息傳送給地面控制系統(tǒng)并發(fā)出聲光報(bào)警.當(dāng)遇故障而突然停電時(shí)，控制程序可以保持當(dāng)前的狀態(tài)，在重新上電后根據(jù)需要繼續(xù)正常運(yùn)行.

2.2 系統(tǒng)的控制界面

PLC編程和調(diào)試軟件使用L-force PLC Designer 3.10及以上版本，以符合IEC 1131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的PLC編程語言進(jìn)行程序編寫.標(biāo)準(zhǔn)化編程方式使程序易于擴(kuò)展和維護(hù)，模塊化編程方式使程序結(jié)構(gòu)清晰明了.采用易于理解的符號(hào)表代替內(nèi)存地址，以便查找與理解.詳細(xì)的中文注釋更便于理解程序功能.

另外，良好的人機(jī)交互界面可以為工作人員有較高工作效率提供保障，多樣化的操作模式使控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制條件.系統(tǒng)的操作界面具有對(duì)穿梭機(jī)器人執(zhí)行急停、解抱閘、故障復(fù)位、回原點(diǎn)等基本操作的功能，并可同時(shí)對(duì)多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)的其他輸送設(shè)備進(jìn)行維護(hù)操作.系統(tǒng)的人機(jī)控制界面如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的人機(jī)控制界面

2.3 供電裝置

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，超級(jí)電容器的用量越來越大.利用超級(jí)電容器的優(yōu)越性能和特點(diǎn)，可有效滿足多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)的供電需求.

超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備，在工作過程中會(huì)消耗電量.為保證多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)各部分穩(wěn)定工作，超級(jí)電容器端電壓需保持在165 V以上，以保證開關(guān)電源及變頻器的正常使用.在程序控制方面，需實(shí)時(shí)監(jiān)控直流母線電壓(即超級(jí)電容器端電壓).多層穿梭機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中回到充電位置時(shí)，若電壓低于220 V就立即充電，此時(shí)伸叉動(dòng)作正常執(zhí)行；執(zhí)行行走動(dòng)作時(shí)將斷開充電接觸器.多層穿梭機(jī)器人待機(jī)過程中處于巷道內(nèi)部時(shí)，若電壓低于190 V則自動(dòng)回到充電位置充電，直到滿電250 V時(shí)斷開充電接觸器，并執(zhí)行新的任務(wù).

3 軟件及通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過需求分析，對(duì)多層穿梭機(jī)器人和傳統(tǒng)堆垛機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，用編程語言實(shí)現(xiàn)具體邏輯，使多層穿梭機(jī)器人擁有更高的效率，并且確定其應(yīng)用場景.多層穿梭機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示.

圖3 軟件控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心與應(yīng)用中心是服務(wù)器.它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)運(yùn)行應(yīng)用服務(wù)程序，多層穿梭機(jī)器人的每個(gè)工作環(huán)節(jié)都有實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障等問題時(shí)，系統(tǒng)可自行恢復(fù)連接，且各設(shè)備無需初始化.

通訊系統(tǒng)采用TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，與上位機(jī)的調(diào)度計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，通過數(shù)據(jù)庫完成信息的傳遞[7].該系統(tǒng)具有作業(yè)管理、庫存管理、統(tǒng)計(jì)查詢、優(yōu)化調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控等功能.

(1)作業(yè)管理：對(duì)出入庫任務(wù)的執(zhí)行信息進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)更新任務(wù)狀態(tài)，查看任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，并進(jìn)行手工刪除、手工報(bào)告完成等操作.通過任務(wù)狀態(tài)的跟蹤完成對(duì)庫存信息的更新[8-10].

(2)庫存管理：對(duì)庫中物資的庫存及相關(guān)信息進(jìn)行管理，通過倉庫例行盤點(diǎn)，記錄盤點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)行盤贏、盤虧處理，根據(jù)庫存盤點(diǎn)結(jié)果對(duì)庫存數(shù)量與系統(tǒng)記錄數(shù)量的差異進(jìn)行調(diào)整，并打印出庫存盤點(diǎn)報(bào)告[11-12].

(3)統(tǒng)計(jì)查詢：按用戶要求執(zhí)行各種組合條件的查詢并統(tǒng)計(jì)倉庫日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括貨架、庫位、作業(yè)任務(wù)等.通過信息綜合查詢與統(tǒng)計(jì)分析，分類生成各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息查詢和信息統(tǒng)計(jì).所有信息均可轉(zhuǎn)存為Excel表格或用Word文檔保存.

(4)優(yōu)化調(diào)度：可提供批次處理下任務(wù)(指令)的緩存和管理，包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)的管理、指令的增加/修改/刪除等操作.該模塊能根據(jù)設(shè)備的一些屬性詳細(xì)規(guī)劃設(shè)備組合運(yùn)行的最優(yōu)路徑，大大提高設(shè)備的有效利用率.

(5)設(shè)備監(jiān)控：通過物流在線仿真界面，所有物流控制系統(tǒng)和物流設(shè)備信息均可實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)顯示物流的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、位置及完成情況、故障提示和報(bào)警信息等.

系統(tǒng)的調(diào)度監(jiān)視界面如圖4所示.

圖4 調(diào)度監(jiān)視界面

4 結(jié) 論

多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)提高了出入庫的吞吐量，使整個(gè)出入庫的效率大大提高.與傳統(tǒng)的自動(dòng)化立體倉庫相比，多層穿梭機(jī)器人系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn).

(1)更高的存儲(chǔ)密度.支持貨物的雙伸或者多伸存儲(chǔ)和處理，不同大小的貨物經(jīng)過包裝可存放在非固定貨位，提升機(jī)能夠連接上下工位并且實(shí)現(xiàn)多工位處理，確保存儲(chǔ)密度和空間利用率的最大化.

(2)任務(wù)排序更優(yōu)化.針對(duì)上層管理任務(wù)，通過算法優(yōu)化，最后的排序方式可呈現(xiàn)給用戶，配合多層穿梭機(jī)器人可大大提高作業(yè)的吞吐率.

(3)多樣化的貨物類型.多層穿梭機(jī)器人比較靈活，整個(gè)系統(tǒng)能夠適應(yīng)所有尺寸的貨物類型.

(4)可拓展性強(qiáng).任何層級(jí)都可隨時(shí)加入多層穿梭機(jī)器人，不需要過多調(diào)試，系統(tǒng)就能順利運(yùn)行.

參考文獻(xiàn):

[1] 史科科,韓天文. 一種新型交叉帶分揀機(jī)的研究與分析[J].機(jī)械工程師,2017(5):88-90.

[2] 楊 芳,曲立彥,楊建平. 全面集成物流管理系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].軟件,2012,33(2):24-26.

[3] 顧 紅.卷煙企業(yè)物流系統(tǒng)柔性調(diào)度管理研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2012.

[4] Geyik F，Cedimoglu I H.The strategies and parameters of tabu search for job-shop scheduling[J].Journal of Intelligent Manufacturing,2004,15(4):439-448.

[5] 齊昌盛.自動(dòng)小車存取系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[D].廈門：廈門大學(xué)，2011.

[6] Yuan X H,Zhou S S.The research of syntax tree of the compiler based on programmable logic controller ladder diagram[C]//International Conference on Business Management and Electronic Information.New York,USA:IEEE,2011:100-102.

[7] 徐 濤,劉志鐵,李 淞,等.延吉卷煙廠自動(dòng)化物流信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2011,16(5):82-83.

[8] 宋 旻.石油行業(yè)計(jì)量器具智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)作管理[J]. 物流技術(shù)(裝備版),2013(4):94-96.

[9] 曾 勇,董麗華,馬建峰.排隊(duì)現(xiàn)象的建模解析與模擬[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011.

[10] 馬小姝,李宇龍,嚴(yán) 浪.傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法和多目標(biāo)遺傳算法的比較綜述[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2010,32(3): 48-50.

[11] 卓 雷.電能計(jì)量中心智能倉儲(chǔ)管理及物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué),2016.

[12] 肖際偉.配送中心揀貨系統(tǒng)優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2010.