劉建芬

(廣東省技師學(xué)院,廣東惠州 516100)

0 引言

自從20世紀(jì)60年代美國(guó)設(shè)計(jì)出了全球第一套通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù),其自動(dòng)化和智能的分揀系統(tǒng),大大的優(yōu)化了人工操作,也由此拉開(kāi)了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在發(fā)達(dá)國(guó)家大面積建設(shè)的序幕。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的建設(shè)在我國(guó)開(kāi)展得比較晚,但是發(fā)展卻非?？?特別是我國(guó)物流業(yè)快速發(fā)展過(guò)程中,自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)被物流業(yè)的企業(yè)引進(jìn)建設(shè)和推廣,特別是在中國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)新時(shí)代后,電商經(jīng)濟(jì)的快速崛起,又為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的智能化加了一把力,全流程自動(dòng)化、人工智能識(shí)別、云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的倉(cāng)儲(chǔ)物流是現(xiàn)代物流業(yè)快速發(fā)展的需求,特別是對(duì)于電子商務(wù)線(xiàn)上及線(xiàn)下的發(fā)展有著迫切的現(xiàn)實(shí)意義。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)之所以能夠替代人工,其關(guān)鍵就在于它的智能控制系統(tǒng),本文將圍繞自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的智能控制系統(tǒng)功能,從自己的工作實(shí)際出發(fā)并結(jié)合當(dāng)前自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì),全面闡述自己對(duì)于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的想法,文中從控制系統(tǒng)的特點(diǎn)入手,并進(jìn)一步闡述自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)組成的各個(gè)環(huán)節(jié),并對(duì)各環(huán)節(jié)中終端設(shè)備的功能進(jìn)行分析,為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制方式提供一種新的解決方案[1]。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的算關(guān)鍵技術(shù)在于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制,同時(shí)利用最新的物體識(shí)別技術(shù)、位置感知技術(shù)將物品的實(shí)物特征、位置特征等信息和狀態(tài)信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用數(shù)據(jù)庫(kù)和調(diào)度算法,按照事先設(shè)定好的程序自動(dòng)的進(jìn)行物品分揀、入庫(kù)出庫(kù)管理、擺放、查找、運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)管理的準(zhǔn)確性和效率的提升,并有效的提高貨架的使用率,提升貨物的周轉(zhuǎn)率,從而減低物流管理的成本。

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的物理組成

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)物理組成隨著其存儲(chǔ)物品和所涉及的行業(yè)的不同而不同,但是從各種自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的歸納來(lái)看,立體倉(cāng)庫(kù)主要有貨架、托盤(pán)或貨箱、搬運(yùn)設(shè)備和堆垛機(jī)四種結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的立體倉(cāng)庫(kù)也會(huì)有一些輔助設(shè)備[2]。

貨架是立體倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)構(gòu)件,其主要是由金屬型材組成,用來(lái)承擔(dān)物件的重量。

托盤(pán)或貨箱是用來(lái)盛放物品,托盤(pán)一般放置在貨架上。

搬運(yùn)設(shè)備是立體倉(cāng)庫(kù)的主要活動(dòng)設(shè)備,其負(fù)責(zé)對(duì)物品的接收、運(yùn)輸、存放。目前最常用的搬運(yùn)設(shè)備是自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸小車(chē)即AGV,其根據(jù)引導(dǎo)方式的不同可以分為電磁導(dǎo)引和激光導(dǎo)引兩種,運(yùn)輸小車(chē)按照特定的引導(dǎo)將從流水線(xiàn)分離的貨物從規(guī)定的路徑將貨物快速的運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)的不同貨架,或從貨架運(yùn)輸?shù)匠鰩?kù)流水線(xiàn)上。

堆垛機(jī)是負(fù)責(zé)物品的分揀、入庫(kù)、出庫(kù)、盤(pán)庫(kù)等任務(wù)。它負(fù)責(zé)入庫(kù)物品傳送給搬運(yùn)設(shè)備,或?qū)徇\(yùn)設(shè)備上的物品放在編號(hào)的托盤(pán)上。堆垛機(jī)具備縱向、水平和垂直三個(gè)維度的活動(dòng)范圍。

其他輔助設(shè)備有輸送線(xiàn)、包裝分離機(jī)等。其具體的組成見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的平面圖Fig.1 Plan view of automated warehouse

3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的組成及功能實(shí)現(xiàn)

總體來(lái)講自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成:自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)[3]。

3.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的管理系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)貨位、貨物進(jìn)出庫(kù)管理,并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互貨物的查詢(xún),庫(kù)存報(bào)表的生成,同時(shí)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的各種設(shè)備即系統(tǒng)的執(zhí)行層進(jìn)行中央控制,這既包括對(duì)各種設(shè)備如堆垛機(jī)、流水線(xiàn)、搬運(yùn)設(shè)備等的指令控制和調(diào)度管理,也包括各種輔助機(jī)電設(shè)備故障的分析及管理系統(tǒng)的維護(hù),并對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警或監(jiān)控視頻分析異地存儲(chǔ),并依托局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的信息共享或遠(yuǎn)程管理。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)監(jiān)視設(shè)備對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行全方面的監(jiān)控,并對(duì)一些設(shè)備異常情況進(jìn)行預(yù)警,管理整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的傳感器,對(duì)堆垛機(jī)、流水線(xiàn)的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控,分解位機(jī)的指令,并對(duì)指令進(jìn)行優(yōu)化便于各終端機(jī)執(zhí)行,對(duì)連續(xù)指令進(jìn)行排序,對(duì)監(jiān)控終端下達(dá)指令和對(duì)下一步動(dòng)作進(jìn)行指令下達(dá),并實(shí)現(xiàn)控制層對(duì)物理層的硬件信息傳輸。

3.3 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)主要是通過(guò)分揀機(jī)、堆垛機(jī)、搬運(yùn)設(shè)備、流水線(xiàn)等設(shè)備完成貨物的存取和運(yùn)輸。該層屬于物理層,以PLC作為該層的核心計(jì)算中心,通過(guò)其特定的端口實(shí)現(xiàn)各終端設(shè)備之間的通信連接,同時(shí)接收上位機(jī)下達(dá)的指令,并將接收上位機(jī)的任務(wù)指令,通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳至終端設(shè)備,同時(shí)在PLC數(shù)據(jù)采集端口,采集設(shè)備傳感系統(tǒng)的各種信號(hào),通過(guò)PLC內(nèi)部中央處理器處理收集的信號(hào),通過(guò)輸出端口將處理結(jié)果以指令的形式輸出,以控制終端設(shè)備的下一步運(yùn)動(dòng),將貨物的存、取作業(yè)通過(guò)PLC編程器進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)化流轉(zhuǎn)與存儲(chǔ)。同時(shí)PLC內(nèi)的通信端口,將各端口采集的信息處理后發(fā)送給上位機(jī),以便上位機(jī)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)采集的終端設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行匯總、分類(lèi)、計(jì)算、傳輸,以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能[4]。

3.3.1 分揀控制系統(tǒng)

分揀系統(tǒng)的核心智能視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),在分揀機(jī)系統(tǒng)的前端攝像機(jī)采集圖像,并經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理和灰度處理,對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,并進(jìn)一步做出圖像特征提取,然后找尋出我們貨物數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)圖像進(jìn)行對(duì)比,最終確定貨物的性狀。上位機(jī)發(fā)出作業(yè)指令,推料機(jī)將貨物推出,貨物通過(guò)鏈板傳送線(xiàn)和導(dǎo)向桿進(jìn)入皮帶傳送帶,在貨物上方通過(guò)前端攝像機(jī),系統(tǒng)貨物性狀確定后,條形碼在貨物的特定部位,貼上條形碼,并做出入庫(kù)統(tǒng)計(jì),并進(jìn)入流水線(xiàn)控制系統(tǒng)。

3.3.2 混合式流水線(xiàn)控制系統(tǒng)

流水線(xiàn)的核心控制系統(tǒng)以PLC 作為該層的核心計(jì)算中心,通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)將上位機(jī)與流水線(xiàn)上得各終端連接,其總線(xiàn)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信連接,PLC各端口及端口連接擴(kuò)展模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集計(jì)算和輸出。同時(shí)總線(xiàn)也將上位機(jī)與各部分的控制柜連接,PLC負(fù)責(zé)采集流水線(xiàn)上各行程開(kāi)關(guān)、阻擋器、光電傳感器等傳輸?shù)膶?shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為梯形圖,以實(shí)現(xiàn)對(duì)混合式流水線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)的控制,并通過(guò)I/O轉(zhuǎn)換器將上位機(jī)傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)控制調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,確保運(yùn)轉(zhuǎn)的同步。當(dāng)流水線(xiàn)控制系統(tǒng),在貨物被識(shí)別后,由上位機(jī)根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)控制系統(tǒng)的要求發(fā)出作業(yè)指令,控制攝像機(jī)啟動(dòng),拍攝貨物的圖像,并將數(shù)字化圖像再次反饋給上位機(jī),再由上位機(jī)計(jì)算給出相應(yīng)的指令以對(duì)后續(xù)作業(yè)進(jìn)行控制。

3.3.3 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)

堆垛機(jī)的核心控制系統(tǒng)為一般為交流伺服電機(jī),電機(jī)控制器采用嵌入式開(kāi)關(guān)模式,其開(kāi)關(guān)模式存在“單機(jī)/聯(lián)機(jī)”兩種控制模式。在“手動(dòng)”模式時(shí),其工作模式為單機(jī)狀態(tài),如果設(shè)定為“自動(dòng)”模式,其在上位工控機(jī)控制下,進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)操作運(yùn)行。在貨物滾筒輸送線(xiàn)到達(dá)堆垛機(jī)的正面,堆垛機(jī)把裝有貨物的載貨箱抓取到AGV小車(chē)上,由AGV 小車(chē)來(lái)進(jìn)行輸送到指定貨架的位置,并將位置信息反饋給上位機(jī),通過(guò)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)把貨物的信息、數(shù)量、存儲(chǔ)位置記錄在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù),從而完成一次入庫(kù)作業(yè)流程[5]。

3.3.4 上位工控機(jī)控制系統(tǒng)

上位工控機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)際上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)其功能主要是對(duì)設(shè)備的調(diào)度和管理同時(shí)對(duì)各種傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析并監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。物流系統(tǒng)的信息流經(jīng)上位工控機(jī)接收、記錄、分析并存儲(chǔ)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,并對(duì)分析后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成指令傳給PLC 和運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令,協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。上位工控機(jī)的監(jiān)控功能通過(guò)倉(cāng)庫(kù)控制中通監(jiān)控界面與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,完成物流系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.5 自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸小車(chē)(AGV)控制系統(tǒng)

AGV 其內(nèi)核為一個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人在接收上位工控機(jī)發(fā)出的指令,將貨物送到指定的位置,同時(shí)發(fā)出完成任務(wù)指令,等待新指令的控制,其關(guān)鍵技術(shù)在于導(dǎo)航定位技術(shù),目前有電磁引導(dǎo)模式和激光引導(dǎo)兩種,電磁引導(dǎo)模式如磁條引導(dǎo)、磁釘引導(dǎo)等,激光引導(dǎo)如直接坐標(biāo)導(dǎo)航、光學(xué)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、超聲波引導(dǎo)、視覺(jué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航,但是近幾年快速發(fā)展的GPS、北斗導(dǎo)航等多種導(dǎo)航技術(shù)也被用來(lái)引導(dǎo)運(yùn)輸小車(chē),而且有后來(lái)居上的趨勢(shì)[6]。

3.3.6 執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件

執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件主要由兩部分組成,就是控制PLC的程序和自動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件總體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而PLC程序由PLC編程軟件開(kāi)發(fā),而人機(jī)交互界面通過(guò)現(xiàn)行的Python、C++和Java語(yǔ)言編輯。PLC程序在編程設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、超限報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,滿(mǎn)足自動(dòng)送取貨物的要求。自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、搬運(yùn)AGV 控制、堆垛機(jī)控制、流水線(xiàn)控制、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)查詢(xún)和報(bào)警功能。人機(jī)交互界面主要包含主顯信息畫(huà)面、操作畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、故障信息畫(huà)面等內(nèi)容。其中在主顯信息畫(huà)面顯示的內(nèi)容包括各終端中電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、貨物種類(lèi)、狀態(tài)、數(shù)量等檢測(cè)信息、貨物在倉(cāng)庫(kù)的數(shù)量、存儲(chǔ)位置、出入庫(kù)信息以及系統(tǒng)提示信息等。操作界面分為自動(dòng)、手動(dòng)、維護(hù)三種操作狀態(tài),自動(dòng)控制系統(tǒng)下,人機(jī)界面顯示輸送帶、貨架、堆垛機(jī)運(yùn)行速度及狀態(tài),并按照系設(shè)置堆垛高度、機(jī)械手臂運(yùn)行速度及最大伸長(zhǎng)范圍等參數(shù)設(shè)置指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。參數(shù)設(shè)置界面要系統(tǒng)控制人員才有權(quán)打開(kāi),來(lái)設(shè)置系統(tǒng)各部分控制開(kāi)關(guān)量設(shè)置。故障信息顯示設(shè)備故障信息和可能原因等,如送入層有貨、取出層無(wú)貨、出入庫(kù)小車(chē)、升降臺(tái)超程報(bào)警、超重、超高、變頻器故障、伺服故障等信息[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),對(duì)我國(guó)物流倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用,由于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是一種集信息、儲(chǔ)存、管理于一體的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品,涉及的領(lǐng)域很廣,在推動(dòng)了人工智能在存儲(chǔ)物流方面得到應(yīng)用的同時(shí)可以帶動(dòng)相關(guān)的技術(shù)研究,并可以實(shí)現(xiàn)物流業(yè)與國(guó)際高端服務(wù)業(yè)的接軌,促進(jìn)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的完善性,可靠性,穩(wěn)定性,最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的出口,為我國(guó)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)向海外拓展奠定基礎(chǔ)。