基于PLC、RFID、AGV協同的智慧倉儲與配送系統設計*

李曉濤，李朝暉，趙松濤，侯吉良，姜東升

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.中國航發南方工業有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

智能制造[1]中物料需求的多樣性、離散性、多變性主要表現在以下幾個方面。

（1）多樣性。智能制造中的物料需求不僅包括原材料、半成品、產成品等基礎物料，還包括各種生產設備、檢測設備、維修工具等輔助物料，以及生產過程中的各種消耗品等。這些物料種類繁多，規格各異，需要根據生產計劃和生產進度的要求進行合理配置和調度。

（2）離散性。智能制造中的物料需求通常是非連續的、離散的。每個生產環節都有其特定的物料需求，不同環節之間的物料需求相互獨立。同時，由于生產設備的自動化和智能化程度較高，生產過程中可能會出現各種不可預測的異常情況，如設備故障、質量缺陷等，這些因素也會導致物料需求的離散性。

（3）多變性。智能制造中的物料需求是動態的、多變的。在生產過程中，物料需求會隨著生產進度的變化而不斷調整，如由于生產計劃的變更、設備故障等原因導致生產進度發生變化，從而對物料的需求產生影響。此外，由于市場需求的變化、產品升級換代等因素，也會導致物料需求的多變性。

利用RFID 技術[2]對物料進行識別和追蹤。在物料上粘貼RFID標簽，通過讀取設備對標簽進行掃描，可以實現物料的快速、準確識別。同時，RFID 技術還可以對物料的狀態進行實時追蹤，如物料的位置、庫存、使用情況等，從而更好地掌握物料的需求情況。

利用PLC技術[3]對物料進行自動化控制。在生產線上，可以利用PLC技術對物料進行自動化控制，如自動化輸送、自動化排序等，從而減少人工干預，提高生產效率。同時，PLC 技術還可以與上位機進行通信，將生產過程中的各種數據進行實時采集和傳輸，以便更好地掌握生產情況。

利用AGV 技術[4]對物料進行自動化搬運。AGV 技術可以實現物料在倉庫和生產線之間的自動化運輸和搬運，從而減少人工搬運的勞動強度和錯誤率。同時，AGV 技術還可以通過無線通信與上位機進行通信，將生產過程中的各種數據進行實時采集和傳輸，以便更好地掌握生產情況。

本文利用協同技術實現各個系統的協同工作。通過RFID、PLC、AGV 等技術的協同工作，可以實現各個系統的數據共享和信息交流，從而更好地掌握生產情況，提高生產效率。同時，協同技術還可以實現各個系統的優化和調整，如對生產計劃的優化、對設備故障的及時處理等?；赗FID、PLC、AGV 協同的智慧物料系統可以通過自動化、智能化地方式解決智能制造中物料需求的多樣性、離散性、多變性帶來的問題，從而提高生產效率和質量，降低成本和風險。

1 項目案例及系統方案簡介

1.1 項目案例介紹及主要問題

某保健品生產企業的包裝車間包裝材料的自動配送。用料車間在2 樓，包裝材料倉庫在1 樓，1～2 樓之間有3部專用電梯。車間有5 條包裝生產線，一條包裝生產線需要9～11 種物料，一個產品的批次所需物料是固定的，也即確定的產線、確定的生產批次，其工位所需物料的種類是確定的。

在本文所述系統投入使用之前，物料的配送是手推車完成的，工位叫料通過對講機呼叫完成。主要問題是溝通效率低、備料和運送目地容易出錯、配送任務管理難度大。

1.2 系統方案的主要目標

該物流場景的智能化改造，要達到如下目標：（1）改造料車（載具），使其適合AGV 運送，同時在適當位置放置磁鐵抗金屬RFID；（2）二樓工位一鍵叫料，呼叫成功后指示燈自動點亮；（3）AGV 送料到達工位后指示燈自動熄滅；（4）可設置AGV送料到達工位后是否等待工人清空料車后再回收空料車，或者立即放下料車然后執行其他任務；（5）二樓工位一鍵叫車（AGV）回收空料車，呼叫成功后指示燈自動點亮；（6）AGV 到達工位并馱走料車后指示燈自動熄滅；（7）一樓備料區部署揀選任務及配送任務看板[5]，包括任務創建時間、等待時間、執行狀態等信息；（8）揀選物料放置到料車，并將對應的RFID 放置在車把手預設的位置；（9）在二樓電梯口上側，部署RFID 讀頭（識別距離5 m）并連接到任務調度服務器，用于讀取料車上的RFID 標簽；（10）在二樓電梯口旁側，部署一個PLC 控制的帶燈按鈕（綠色），PLC 同樣連接到任務調度服務器，用于人工確認RFID 標簽文字和物料是否一致，一致則按下綠色按鈕發出叫車指令并等待AGV 過來運走，否則手工控制電梯將料車退回一樓處理；（11）AGV 根據任務調度服務器的指令，在電梯和工位之間運送料車，電梯到工位運送的是裝有物料料車，工位到電梯運送的是空料車；（12）RCS系統[6]負責監控AGV的電池電量并自動充電。

2 硬件系統

2.1 AGV、PLC、工業服務器

AGV 選用MiR250 自主導航機器人，負載為200 kg，最大速度為1.5 m/s，電池續航為12 h，尺寸為800 mm×580 mm×300 mm。負載對接方式為卡槽+頂升。本例中使用3臺可滿足配送任務。

PLC 選用臺達DVP ES3，每個工位用到2 個I 口用于接收按鈕事件2 個O 口用于控制指示燈，一臺PLC 內置80 個I/O 口可滿足一個產線的需求，上位機通過Modbus/TCP[7]與PLC 通信，間接控制I/O 口。每條產線需使用一臺，電梯位置一臺，共6臺。

服務器采用戴爾（DELL）機架式服務器主機R250至強E-2314 四核2.8 GB/16 GB 內存/2T SATA。本例共需2 臺服務器，RCS（機器人控制系統）使用一臺，WMS（運行叫料、叫車、備料看板等配送任務管理程序，數據庫服務，以及PLC上位機控制等程序）使用一臺。

2.2 RFID標簽/讀頭、料車和帶燈按鈕開關

RFID 標簽為抗金屬無源電子標簽，可放在不銹鋼手推料車把手上特制的凹槽中，選用SG-UT-298M。在不便做特制凹槽的場景也可要求RFID 參加定制帶磁性的RFID標簽，即可讓標簽吸附在車把手上。

料車的設計需兼容人工手推和AGV潛入頂升馱運兩種場景，使用不銹鋼材料制作，底部有6個萬向腳輪，每側3個。腳輪之上設計支架，支架之上為平板，支架高度的設計需能配合AGV的潛入和頂升作業，平板底部卡槽和擋板的設計需能配合AGV 負載機構的形態。如圖1所示。

圖1 AGV馱運料車途中

本文的帶燈按鈕開關的開關是常閉觸點式按鈕，指示燈邏輯上和開關的開/閉是分離的，也即燈的亮/滅并非指示開關的開/閉，而是指示相關的物流任務狀態。工位紅燈按鈕按下，紅燈亮時，表示工位需要補充物料，而且系統已收到該工位的叫料消息，AGV 運來物料后，紅燈自動熄滅。工位綠燈按鈕按下，綠燈亮時，表示工位有空料車需運回倉庫，而且系統已收到該工位的叫車消息，AGV 過來馱起空料車后，綠燈自動熄滅。電梯門打開時，如果有料車，RFID 讀頭會讀到RFID 標簽id，該id 對應某種物料，此時該種物料如果在配送任務列表中，則電梯側邊的綠燈按鈕亮起，等待人工確認標簽和物料是否“帳實相符”，相符則按下按鈕，系統將派AGV 來運送到對應的工位，不符則不按下，讀頭讀不到標簽時，綠燈將自動熄滅。

2.3 備料區看板系統硬件

看板系統由PC、LCD 大屏電視機、音箱（語音播報消息用）組成。主要用于顯示當前物業配送任務狀態，并對超期任務進行催促和異常進行播報。信息只讀，除對歷史信息進行查詢外，看板系統工作于無人值守狀態。

3 軟件系統

軟件系統包括RCS、WMS、PLC 上位機程序3 部分。系統邏輯拓撲如圖2所示。

圖2 系統邏輯拓撲

3.1 RCS子系統

RCS 基于AGV 原廠的MiR-Fleet 系統的API 接口開發。MiR-Fleet 運行于Linux 系統，也支持Docker 容器化部署。RCS 子系統監控AGV 的狀態并下達指令，提供地圖編輯、站點設置、交通管制、充電管理等功能。提供開放API 接口，以便應用程序可以提交運送任務，或暫停、終止運送任務，收到任務后，根據AGV 的位置和可用性，將運送任務分派給適合的AGV。

3.2 WMS子系統

本例WMS 重點是與PLC 上位機程序進行工位叫料、叫車指令的對接，與PLC 上位機程序進行工位點燈、滅燈指令的對接，物料編碼與RFID的綁定，物料運送任務的創建，與RCS 的通信將運送任務分派給AGV，備料區看板內容的更新等。WMS用Java Spring boot[8]開發，運行于Windows 10，數據庫采用PostgreSQL[9]。

3.3 PLC上位機子系統

該程序的作用可以理解為PLC與WMS之間的傳輸轉換。三者之間的網絡傳輸協議為Modbus/TCP 和http,PLC←Modbus/TCP→上位機程序←http→WMS。主要業務是叫料、空車運回任務的創建，以及物料防錯確認。其中叫料流程如算法1所示。

空車運回任務創建、物料防錯確認的流程和算法，與叫料任務創建類似。

3.4 看板子系統

看板子系統是前后端分離[10]的Web 應用程序，后端用Java Spring boot 開發，前端用Vue.js[11]開發。主要功能是在大屏上顯示備料、空料車退回、錯料退回相關的任務，對倉庫備料進行作業指導。當有叫料任務創建、備料任務超期、“帳實不符”的物料退回一樓等事件發生，以及任務由AGV 接手后，屏幕更新信息，并對重要信息進行語音播報?？窗遄酉到y還可以顯示配送中的任務，以及已完成的歷史任務?？窗逑到y顯示信息的更新，是根據WMS 維護的物料/料車運送任務列表中的狀態進行分級顯示，如算法2所示。

3.5 軟件系統交互邏輯

系統交互邏輯如圖3所示。按功能邏輯劃分，有工位PLC子系統、電梯口物料防錯子系統。圖中WMS子系統和看板子系統合稱為“任務調度”。主要步驟及接口如下所述。

圖3 軟件系統交互邏輯

（a）工位叫料按鈕按下，PLC 對應的輸入口收到信號；叫料任務創建成功后，PLC 對應的輸出口點亮指示燈（綠燈）。

（b）工位空車運回按鈕按下，PLC 的輸入口收到信號；空車運回任務創建成功后，PLC 對應的輸出口點亮指示燈（綠燈）。

（c）PLC 與其上位機子系統的雙向通信，采樣Modbus/TCP 協議，上行為按鈕按下信號，下行為指示燈的亮和滅控制。

（d）PLC 上位機子系統與WMS 子系統的雙向通信，采用http 協議。PLC 上位機子系統收到信號后，根據輸入口的地址得到工位編號以及信號類型（叫料或空車運回），并構建運輸任務發送給WMS子系統。當WMS收到RCS 子系統發來的AGV 運輸到站消息時，根據對應的運輸任務屬性，向PLC上位機子系統發送滅燈指令。同時，根據步驟g 獲取的物料是否在叫料列表中，給PLC 上位機子系統發物料防錯消息。

（e）WMS 維護運輸任務的進行狀態，并以RESTFul接口[12]（基于http的協議）向看板子系統提供數據。

（f）料車攜帶RFID 電子標簽，代表裝運的包裝材料。電梯開門后RFID讀頭會識別該標簽。

（g）WMS 系統實時獲取RFID 讀頭當前讀到的標簽信息。

（h）電梯口設一個按鈕兩個燈，紅燈表示RFID標簽代表的物料不在叫料列表中，綠燈表示叫料列表有該物料。不論是哪種燈，均需要人工按下按鈕系統才會進行下一步。這里PLC 的1 個輸入口用于接收按鈕按下信號，2 個輸出接口分別用于點亮/熄滅紅燈和綠燈。注：當綠燈亮但是RFID 標簽和物料不符時，代表RFID 代表的物料是工位需要的但是料車裝錯物料，此時不能按確認按鈕，只要手動將料車送回1 樓，切斷RFID 讀頭的識別，系統將自動控制滅燈。

（i）與步驟c同理，PLC 與其上位機子系統的雙向通信，采樣Modbus/TCP 協議，上行為按鈕按下信號，下行為指示燈的亮和滅控制。注：此處的PLC部署在電梯處，與用料工位距離較遠，由于I/O 連線的距離限制，不宜與工位的PLC 共用。PLC 上位機子系統和PLC 通過以太網連接，可以共用。

（j）WMS 子系統和RCS 子系統通過RESTFul 通信，WMS 子系統有運輸任務時，向RCS 子系統發送運輸指令。RCS 響應該指令時，并向WMS 子系統返回步驟k 執行任務的AGV 編號，WMS 將AGV 編號記錄到運輸任務，留待后續步驟使用。當AGV 完成運輸任務時，RCS 子系統向WMS 子系統發送AGV 到站消息，WMS 子系統根據AGV 編號確認對應的運輸任務，并修改其狀態。本例中，AGV 的站點是各個工位和3 個電梯轎廂。叫料運輸的到站點是工位，空車運回的到站點是轎廂。

（k）RCS子系統是AGV廠家提供的專用系統，該步驟包括地圖編輯、站點管理、定位、導航、避碰、交通管制、自動充電、運輸任務分派、工作與故障狀態采集、預/告警等。此處關注的重點是運輸任務分派和工作狀態采集[13]。

4 測試驗證與結果分析

項目的實施過程，首先是平面地圖編輯[14]和站點設置，地圖的作用是讓RCS 和AGV 知道現場哪些區域是禁入區（設備、辦公桌地方）哪些地方可以自由行駛，地圖有個世界坐標，站點（x，y）表示相對世界坐標的位置，并用代號表示每一個站點。

然后建立站點與物流建立關聯關系，工位站點可配置當前生產工藝（產品）所需物料（物料的編號、名稱、型號、一次運輸的數量）。同時建立RFID 與物料編號的對照表。

測試和驗證，從這幾個人機交互用例[15]著手即可確認。

（1）叫料用例：按下叫料按鈕，看綠燈是否點亮，同時檢查看板是否有備料任務顯示。

（2）備料超時告警：看板備料任務顯示后，等待足夠長時間（例如10 min），看板系統是否出現語音播報，播報內容是否正確，同時該任務是否轉為紅色文字。

（3）防錯確認用例：備料后的料車，先放錯誤的RFID 標簽（代表工位不需要的物料），手動推入電梯，送上2樓，檢查2樓電梯口的防錯確處是否顯示紅燈。手動按下按鈕，然后控制電梯將料車退回1 樓，將RFID 標簽換成正確的（和物料對應），再送上2 樓，并檢查2 樓電梯口的防錯確處是否顯示綠燈。

（4）AGV 運輸料車用例：防錯確認按鈕按下，檢查綠燈是否熄滅，AGV 是否會過來進入轎廂馱走料車，并運輸到正確的用料工位、放下料車、離開，再檢查看板對應的任務是否轉移到歷史任務。

（5）空車運回用例：工位從料車中拿走物料，按下空車運回按鈕，查看AGV是否會過來運走空料車，并運送到電梯轎廂、離開，電梯是否自動關門、自動下行到1樓。

以上是功能方面的測試和驗證。性能方面的分析，主要是根據人工配送系統的歷史數據和本系統實施后的數據做統計分析和對比[16]。分析表明，本系統實施后，減少送料人員3 人，效率提高20.6%，錯料率從0.3%降低至0.06%。

5 結束語

車間內部物流相關的智能化改造，涉及到諸多系統之間的協同，與物料的容器和載具形態強相關，與在用系統和在建系統的非標適配密不可分，既與IT 關聯又與OT關聯，工藝相關的來料和用料邏輯千差萬別。建設車間智慧物流系統，需在充分研究物流各環節的基礎上，深入分析相關要素在諸多系統上的分布情況，統一規劃以避免功能的缺失和重疊，對手動和自動化程度的取舍進行充分論證并達成共識。本文論述的智慧倉儲與配送系統，考慮了以下幾個關鍵要素。

（1）標準化和兼容性。為了實現與其他系統的協同，對物料容器和載具進行標準化設計，并確保系統之間的數據交互[17]標準統一。

（2）自動化與人工干預的平衡[18]。根據實際需求和現有條件，評估自動化設備和系統的優勢和局限性，確定哪些環節可以完全自動化，哪些需要人工干預。

（3）系統集成[19]。智慧倉儲與配送系統需要與在用系統和在建系統進行集成，對現有系統進行深入研究，明確接口和數據格式，實現系統之間的平滑過渡。

（4）物料信息的可視化[20]。通過對物料配送的實時監控、RFID 等技術，實現對物料信息的實時獲取和更新，提高物料管理的效率和準確性。

（5）工藝邏輯的定制化?？紤]了工藝相關的來料和用料邏輯的特征，根據實際生產需求，定制化地設定物料的存儲和配送邏輯。

（6）可持續優化?？筛鶕嶋H運行情況對系統進行優化和調整，以滿足生產需求的變化。當擴充產線，或產品、批次發生變更時，系統支持工位用料的綁定和解綁。

（7）安全性。已充分考慮了系統的安全性，包括數據安全、設備安全和操作安全等方面，制定了相應的安全策略和應急預案。

本文設計的系統，同樣適用于加工用料的配送、下線半成品的轉儲[21]、成品入倉等使用場景，具有較強的示范和推廣意義。