随着物联网、射频身份识别 (RFID) 、可编程序控制器 (PLC) 等信息产业新技术的迅猛发展, 以RFID与PLC相结合的控制将逐步取代继电器控制, 广泛应用于各行各业的自动化管理与控制领域。在物流、销售产业的整个供应链中仓储起着至关重要的作用, 正确的进货和库存控制及发货, 将会有利于管理费用的控制, 服务质量的保证, 从而提升企业的竞争力;传统的静态简单的手工作业的仓储管理模式已无法保证现代社会对各种资源的高效利用需求。当今的仓库管理和库存控制作业具有多样化复杂化的特点, 仅靠手工录入和人工记忆, 既费时费力容易出错, 同时也会带来巨大损失。

图1 系统示意图  下载原图

全球最为重要的物流商及零售商, 沃尔玛、麦德龙、家乐福等都将注意力投向了RFID与自动仓储管理技术, 并成为全球仓储自动化管理革命的推动引擎。沃尔玛公司的CIO Linda Dillman称, 在过去一年中, 使用R F I D标签的商品进货量超过了非RFID商品的3倍多, 因为采用了RFID技术, 沃尔玛公司的库存下降了16%。麦德龙德国总部配送中心仓库每年可因RFID的应用节省850万欧元。而在中国, 目前许多仓储管理主要是基于手工作业及计算机半自动化管理实现的, 其缺点是需要投入大量人力进行规范物品的放置、定期整理盘点以及出入库记录等工作, 这使得仓储管理问题十分琐碎繁杂, 消耗大量时间及人力资源, 现代社会的大物流大仓储管理需求决定了该方式不能适应社会发展, 人们迫切需要新的, 自动化程度高的仓储管理新方式。

鉴于此, 本文设计并给出了一套使用RFID与PLC相结合的物流自动仓储管理系统, 该系统对仓储所有阶段实施了全方位自动化控制管理, 系统可对货物进行存放位置、货物批次、保质日期、配送方式等按目的实现RFID电子标签管理, 对整个收货、发货、补货等各个环节的规范化作业, 还可以根据客户的需求制作多种合理的统计报表;RFID技术引入仓储物流管理, 去掉了手工书写输入的步骤, 解决库房信息陈旧滞后的弊病。RFID技术与信息技术的结合帮助商业企业合理有效地利用仓库空间, 以快速、准确、低成本的方式为客户提供最好的服务。相对于目前已经日益普及的仅使用RFID技术的管理, 该系统具有将RFID信息与P L C控制结合起来, 使仓储管理不仅靠RFID识别货物且可以通过PLC控制机械手、传送带自动存放提取储存物品, 为仓储管理全面自动化提出了新思路。

图2 M/T测速法  下载原图

图3 同转速运行框图  下载原图

本系统包括对货物识别, RFID打印, 仓储系统, 取货自动机械手, 传送带, 检测出库子模块等组成, 系统功能示意图描述见图1。系统各部分具体构成及设计将在下节介绍。

从上节图1中可以看到, 系统的构成是由几个部分组成, 本节将分别介绍系统的各个组成部分。

图4 系统PLC控制梯形图  下载原图

由步进电机驱动同步齿形带、储取货物机构、光电编码器、旋转气缸、光杠组成。起重机主要应是实现货物在仓库内的自动存取, 对于大物件或质量大的物件的出入库由叉车及起重机共同完成, 体积较小且轻的则是由稍后介绍的机械手与传送带配合完成。

本系统适用于常规立体仓库, 仓库应由货物储备台、检测传感器、立体仓库型材基体组成。仓库主要作用是实现货物的存储, 系统依赖于仓库, 但仓库本身并不是本系统设计的一部分, 故本文不对仓库本身进行。

自动取物机械手由直线气缸、型材基体组成。自动取物机构的主要原理是利用双杆直线气缸实现对货物的自动存取。

自动取物机械手控制装置由上位光电探测开关K1、下位光电探测开关K 2、前到位限位开关K 3、后到位到限位开关K 4、握紧执行机构K M 1 (使直流电动机正转) 、松开执行机构KM2 (使直流电动机反转) 等部件组成。光电探测开关为检测到具有系统命令给定的对应的RFID号码的物体为ON, 否则为OFF (表1) 。

以下为出库时, 机械手的控制要求, 入库过程与此相反即可。

(1) 机械手控制要求:当检测到对应RFID的物品, 机械手由内到外或由外到内伸入到该物品库位对应的光电检测开关K1或K 2时, 机械手握紧功能执行, 机构K M 1动作, 电动机正转, 到达握紧感应限位开关K3位置时, 电机停止运行。

(2) 机械手在抓取位置停留, 待操作员视频确认无误后, 自动进入抓取物品过程, 抓取物品执行机构K M 2被起动, 电动机反转, 当握紧感应器感觉到物品被紧握时并移动到握紧限位开关K4位置时, 电机停止运行。

(3) 握紧物品后通过机械手上继电器控制的电机的运行, 机械手抬起, 在此过程中, 当有物品滑落现象, 既由通过光电检测开关K2或K1检测到物品时时, 应立即停止抬起机械手, 执行放下物品操作, 并返回第二步重新抓取物品。

(4) 机械手通过光电定位, 到达传送带上方, 向下将物品放置于传送带上。

(5) 传送带运行, 将物品传送到仓库出口。

传送带电机采用的是变频电机便于针对不同物体调节传送速度, 但是变频电机可能出现速度过快或过慢的情况, 系统针对该情况使用了转速控制的方式, 使传送带速度在合理范围内运行。系统运用的电动机转子的转速测量来保证传送带速度稳定。此外, 对于某些情况下, 传送带可能距离很远, 需要多个电机控制几段传送带来达到出库的目的, 这样就必须要保证每段传送带之间的速度一致, 电机系统需要进行多个电机间同速运行的控制, 下文中给出了两个电机同转速控制的电路, 对于三个以上的电机控制电路类似, 此次不在赘诉。

传送带电动机恒速必须要系统的能够测量速度, 系统利用混合式光电编码器是将绝对式光电编码器和增量式光电编码器相结合的技术, 达到该目的。首先运用绝对式光电编码器进行定相, 以便确定起始时电动机转子转动的大概位置;然后利用增量式光电编码器所发出的Z脉冲输入机械偏差补偿量, 得到电机转子起始转动的精确位置;最后运用增量式光电编码器所发出的脉冲, 进行相对于起始位置的计数, 进而确定转子转动时的位置。如图4所示, m1和m2是在Z脉冲到来时开始, 直至下一个Z脉冲到来时的T S并延长ΔT时间为止, 所记录的编码器脉冲数m1与以PLC内部时钟作为时基记录的脉冲数m2 (图2) 。

由于本系统采用PLC对电动机进行控制, 所以可采用P L C直接对电动机转速的测量读取, 在PLC编程计算电动机转速时采用了传统的M/T法。所谓M/T法就是在采样周期内记录编码器时钟脉冲的个数, 而后利用公式:

式中, f0为PLC内部时钟频率;PN为电机主轴转动一周光电编码器所发出的脉冲数的值。

表1 机械手PLC输入输出地址表  下载原图

同转速是1#, 、2#电动机联动运行方式之一, 同转速的简化框图如图 (3) 所示。由方框图可知, 两套系统只须共用一个给定积分器, 也就是说对应两台电机的调节回路的两个速度调节器给定来自同一个给定积分器的输出值。因此只要两台电机速度反馈度相同, 就能保证两台电机的转速相同。

传送带同转速运行的目地主要是用于出库口距离物品距离过远, 单个传送带长度不足, 需要多个传送带连接传送的情况。在系统同转速运行时, 由于多个电动机机各自实际承受本传送带的负载, 各台电机的电流一般不相等。

为了实现以上PLC的设计要求, 系统采用P L C的通用描述梯形图对系统进行实施, 具体内容如图4所示。

本文结合R F I D与P L C技术, 给出了一种仓储自动化管理解决方案, 该方案既解决了国内当前仓储系统过份依赖人工带来的效率低下问题, 也将RFID与PLC联合运用改进了国外同类系统尽管使用了RFID技术, 在物品出入库过程中仍需要大量人工干预的问题。经过实践证明, 该系统具有良好的可靠性和合理性。