自動化立體倉庫的智能控制系統

劉建芬

(廣東省技師學院,廣東惠州 516100)

0 引言

自從20世紀60年代美國設計出了全球第一套通過計算機控制的自動化立體倉庫,其自動化和智能的分揀系統,大大的優化了人工操作,也由此拉開了自動化立體倉庫在發達國家大面積建設的序幕。自動化立體倉庫的建設在我國開展得比較晚,但是發展卻非?？?特別是我國物流業快速發展過程中,自動化立體倉庫被物流業的企業引進建設和推廣,特別是在中國進入經濟新時代后,電商經濟的快速崛起,又為自動化立體倉庫的智能化加了一把力,全流程自動化、人工智能識別、云存儲數據的倉儲物流是現代物流業快速發展的需求,特別是對于電子商務線上及線下的發展有著迫切的現實意義。自動化立體倉庫之所以能夠替代人工,其關鍵就在于它的智能控制系統,本文將圍繞自動化立體倉庫的智能控制系統功能,從自己的工作實際出發并結合當前自動化立體倉庫建設的發展趨勢,全面闡述自己對于自動化立體倉庫智能控制系統的想法,文中從控制系統的特點入手,并進一步闡述自動化立體倉庫智能控制系統組成的各個環節,并對各環節中終端設備的功能進行分析,為自動化立體倉庫智能控制方式提供一種新的解決方案[1]。

1 自動化立體倉庫智能控制系統的特點

自動化立體倉庫智能控制系統的算關鍵技術在于計算機的自動控制,同時利用最新的物體識別技術、位置感知技術將物品的實物特征、位置特征等信息和狀態信息實時數據進行處理,利用數據庫和調度算法,按照事先設定好的程序自動的進行物品分揀、入庫出庫管理、擺放、查找、運輸,實現倉庫管理的準確性和效率的提升,并有效的提高貨架的使用率,提升貨物的周轉率,從而減低物流管理的成本。

2 自動化立體倉庫的物理組成

自動化立體倉庫物理組成隨著其存儲物品和所涉及的行業的不同而不同,但是從各種自動化立體倉庫的歸納來看,立體倉庫主要有貨架、托盤或貨箱、搬運設備和堆垛機四種結構,根據不同的立體倉庫也會有一些輔助設備[2]。

貨架是立體倉庫的基礎構件,其主要是由金屬型材組成,用來承擔物件的重量。

托盤或貨箱是用來盛放物品,托盤一般放置在貨架上。

搬運設備是立體倉庫的主要活動設備,其負責對物品的接收、運輸、存放。目前最常用的搬運設備是自動引導運輸小車即AGV,其根據引導方式的不同可以分為電磁導引和激光導引兩種,運輸小車按照特定的引導將從流水線分離的貨物從規定的路徑將貨物快速的運送到倉庫的不同貨架,或從貨架運輸到出庫流水線上。

堆垛機是負責物品的分揀、入庫、出庫、盤庫等任務。它負責入庫物品傳送給搬運設備,或將搬運設備上的物品放在編號的托盤上。堆垛機具備縱向、水平和垂直三個維度的活動范圍。

其他輔助設備有輸送線、包裝分離機等。其具體的組成見圖1。

圖1 自動化立體倉庫的平面圖Fig.1 Plan view of automated warehouse

3 自動化立體倉庫智能控制系統的組成及功能實現

總體來講自動化立體倉庫智能控制系統由三個子系統組成:自動化立體倉庫管理系統、監控系統和執行系統[3]。

3.1 自動化立體倉庫管理系統

自動化立體倉庫的管理系統是整個自動化立體倉庫智能控制系統的核心,負責自動化立體倉庫貨位、貨物進出庫管理,并實現人機交互貨物的查詢,庫存報表的生成,同時對立體倉庫的各種設備即系統的執行層進行中央控制,這既包括對各種設備如堆垛機、流水線、搬運設備等的指令控制和調度管理,也包括各種輔助機電設備故障的分析及管理系統的維護,并對于監控系統發出的預警或監控視頻分析異地存儲,并依托局域網絡或互聯網實現區域內的信息共享或遠程管理。

3.2 監控系統

監控系統主要是通過監視設備對立體倉庫進行全方面的監控,并對一些設備異常情況進行預警,管理整個立體倉庫內部的傳感器,對堆垛機、流水線的動作進行監控,分解位機的指令,并對指令進行優化便于各終端機執行,對連續指令進行排序,對監控終端下達指令和對下一步動作進行指令下達,并實現控制層對物理層的硬件信息傳輸。

3.3 執行系統

執行系統主要是通過分揀機、堆垛機、搬運設備、流水線等設備完成貨物的存取和運輸。該層屬于物理層,以PLC作為該層的核心計算中心,通過其特定的端口實現各終端設備之間的通信連接,同時接收上位機下達的指令,并將接收上位機的任務指令,通過數據鏈路傳至終端設備,同時在PLC數據采集端口,采集設備傳感系統的各種信號,通過PLC內部中央處理器處理收集的信號,通過輸出端口將處理結果以指令的形式輸出,以控制終端設備的下一步運動,將貨物的存、取作業通過PLC編程器進行編程,實現貨物的自動化流轉與存儲。同時PLC內的通信端口,將各端口采集的信息處理后發送給上位機,以便上位機對整個自動化立體倉庫智能控制系統采集的終端設備的實時狀態信息進行匯總、分類、計算、傳輸,以實現監控系統對自動化立體倉庫所有設備的實時監控功能[4]。

3.3.1 分揀控制系統

分揀系統的核心智能視覺檢測系統,視覺檢測系統,在分揀機系統的前端攝像機采集圖像,并經過數字化處理和灰度處理,對圖像進行預處理,并進一步做出圖像特征提取,然后找尋出我們貨物數據庫中相應圖像進行對比,最終確定貨物的性狀。上位機發出作業指令,推料機將貨物推出,貨物通過鏈板傳送線和導向桿進入皮帶傳送帶,在貨物上方通過前端攝像機,系統貨物性狀確定后,條形碼在貨物的特定部位,貼上條形碼,并做出入庫統計,并進入流水線控制系統。

3.3.2 混合式流水線控制系統

流水線的核心控制系統以PLC 作為該層的核心計算中心,通過系統總線將上位機與流水線上得各終端連接,其總線負責系統的通信連接,PLC各端口及端口連接擴展模塊負責數據的采集計算和輸出。同時總線也將上位機與各部分的控制柜連接,PLC負責采集流水線上各行程開關、阻擋器、光電傳感器等傳輸的實時狀態數據,并通過模數轉換器轉換為梯形圖,以實現對混合式流水線的運行狀態進行檢測和運動的控制,并通過I/O轉換器將上位機傳輸的運動指令轉化為電信號來控制調節電機的轉速,確保運轉的同步。當流水線控制系統,在貨物被識別后,由上位機根據立體倉庫入庫控制系統的要求發出作業指令,控制攝像機啟動,拍攝貨物的圖像,并將數字化圖像再次反饋給上位機,再由上位機計算給出相應的指令以對后續作業進行控制。

3.3.3 堆垛機控制系統

堆垛機的核心控制系統為一般為交流伺服電機,電機控制器采用嵌入式開關模式,其開關模式存在“單機/聯機”兩種控制模式。在“手動”模式時,其工作模式為單機狀態,如果設定為“自動”模式,其在上位工控機控制下,進行實時自動操作運行。在貨物滾筒輸送線到達堆垛機的正面,堆垛機把裝有貨物的載貨箱抓取到AGV小車上,由AGV 小車來進行輸送到指定貨架的位置,并將位置信息反饋給上位機,通過自動化立體倉庫智能管理系統數據把貨物的信息、數量、存儲位置記錄在系統的數據庫,從而完成一次入庫作業流程[5]。

3.3.4 上位工控機控制系統

上位工控機的控制系統實際上是一臺計算機其功能主要是對設備的調度和管理同時對各種傳感器傳來的信號進行分析并監控設備運行狀態。物流系統的信息流經上位工控機接收、記錄、分析并存儲在自動化立體倉庫控制系統內的數據庫中,并對分析后的數據轉變成指令傳給PLC 和運動控制器發送指令,協調系統設備的正常運行。上位工控機的監控功能通過倉庫控制中通監控界面與PLC進行數據交換,完成物流系統運行狀況的實時監控。

3.3.5 自動引導運輸小車(AGV)控制系統

AGV 其內核為一個自主運動的機器人在接收上位工控機發出的指令,將貨物送到指定的位置,同時發出完成任務指令,等待新指令的控制,其關鍵技術在于導航定位技術,目前有電磁引導模式和激光引導兩種,電磁引導模式如磁條引導、磁釘引導等,激光引導如直接坐標導航、光學引導、激光引導、超聲波引導、視覺導航、慣性導航,但是近幾年快速發展的GPS、北斗導航等多種導航技術也被用來引導運輸小車,而且有后來居上的趨勢[6]。

3.3.6 執行系統控制軟件

執行系統控制軟件主要由兩部分組成,就是控制PLC的程序和自動控制系統的人機交互界面。自動化立體倉庫管理系統控制系統軟件總體采用模塊化結構設計,而PLC程序由PLC編程軟件開發,而人機交互界面通過現行的Python、C++和Java語言編輯。PLC程序在編程設計中主要實現數據采集、超限報警及遠程監控等功能,滿足自動送取貨物的要求。自動控制系統軟件的人機交互界面主要實現數據采集、搬運AGV 控制、堆垛機控制、流水線控制、遠程控制、數據查詢和報警功能。人機交互界面主要包含主顯信息畫面、操作畫面、參數設置畫面、故障信息畫面等內容。其中在主顯信息畫面顯示的內容包括各終端中電機運行狀態、貨物種類、狀態、數量等檢測信息、貨物在倉庫的數量、存儲位置、出入庫信息以及系統提示信息等。操作界面分為自動、手動、維護三種操作狀態,自動控制系統下,人機界面顯示輸送帶、貨架、堆垛機運行速度及狀態,并按照系設置堆垛高度、機械手臂運行速度及最大伸長范圍等參數設置指揮整個系統的運行。參數設置界面要系統控制人員才有權打開,來設置系統各部分控制開關量設置。故障信息顯示設備故障信息和可能原因等,如送入層有貨、取出層無貨、出入庫小車、升降臺超程報警、超重、超高、變頻器故障、伺服故障等信息[7]。

4 結語

自動化立體倉庫智能控制系統的開發,對我國物流倉儲業的發展具有十分重要的作用,由于自動化立體倉庫是一種集信息、儲存、管理于一體的高技術密集型機電一體化產品,涉及的領域很廣,在推動了人工智能在存儲物流方面得到應用的同時可以帶動相關的技術研究,并可以實現物流業與國際高端服務業的接軌,促進倉儲技術的完善性,可靠性,穩定性,最終實現技術的出口,為我國的自動化立體倉庫向海外拓展奠定基礎。