自从20世纪60年代美国设计出了全球第一套通过计算机控制的自动化立体仓库,其自动化和智能的分拣系统,大大的优化了人工操作,也由此拉开了自动化立体仓库在发达国家大面积建设的序幕。自动化立体仓库的建设在我国开展得比较晚,但是发展却非常快,特别是我国物流业快速发展过程中,自动化立体仓库被物流业的企业引进建设和推广,特别是在中国进入经济新时代后,电商经济的快速崛起,又为自动化立体仓库的智能化加了一把力,全流程自动化、人工智能识别、云存储数据的仓储物流是现代物流业快速发展的需求,特别是对于电子商务线上及线下的发展有着迫切的现实意义。自动化立体仓库之所以能够替代人工,其关键就在于它的智能控制系统,本文将围绕自动化立体仓库的智能控制系统功能,从自己的工作实际出发并结合当前自动化立体仓库建设的发展趋势,全面阐述自己对于自动化立体仓库智能控制系统的想法,文中从控制系统的特点入手,并进一步阐述自动化立体仓库智能控制系统组成的各个环节,并对各环节中终端设备的功能进行分析,为自动化立体仓库智能控制方式提供一种新的解决方案[1]。

自动化立体仓库智能控制系统的算关键技术在于计算机的自动控制,同时利用最新的物体识别技术、位置感知技术将物品的实物特征、位置特征等信息和状态信息实时数据进行处理,利用数据库和调度算法,按照事先设定好的程序自动的进行物品分拣、入库出库管理、摆放、查找、运输,实现仓库管理的准确性和效率的提升,并有效的提高货架的使用率,提升货物的周转率,从而减低物流管理的成本。

自动化立体仓库物理组成随着其存储物品和所涉及的行业的不同而不同,但是从各种自动化立体仓库的归纳来看,立体仓库主要有货架、托盘或货箱、搬运设备和堆垛机四种结构,根据不同的立体仓库也会有一些辅助设备[2]。

货架是立体仓库的基础构件,其主要是由金属型材组成,用来承担物件的重量。

托盘或货箱是用来盛放物品,托盘一般放置在货架上。

搬运设备是立体仓库的主要活动设备,其负责对物品的接收、运输、存放。目前最常用的搬运设备是自动引导运输小车即AGV,其根据引导方式的不同可以分为电磁导引和激光导引两种,运输小车按照特定的引导将从流水线分离的货物从规定的路径将货物快速的运送到仓库的不同货架,或从货架运输到出库流水线上。

堆垛机是负责物品的分拣、入库、出库、盘库等任务。它负责入库物品传送给搬运设备,或将搬运设备上的物品放在编号的托盘上。堆垛机具备纵向、水平和垂直三个维度的活动范围。

其他辅助设备有输送线、包装分离机等。其具体的组成见图1。

总体来讲自动化立体仓库智能控制系统由三个子系统组成:自动化立体仓库管理系统、监控系统和执行系统[3]。

图1 自动化立体仓库的平面图   下载原图

Fig.1 Plan view of automated warehouse

自动化立体仓库的管理系统是整个自动化立体仓库智能控制系统的核心,负责自动化立体仓库货位、货物进出库管理,并实现人机交互货物的查询,库存报表的生成,同时对立体仓库的各种设备即系统的执行层进行中央控制,这既包括对各种设备如堆垛机、流水线、搬运设备等的指令控制和调度管理,也包括各种辅助机电设备故障的分析及管理系统的维护,并对于监控系统发出的预警或监控视频分析异地存储,并依托局域网络或互联网实现区域内的信息共享或远程管理。

监控系统主要是通过监视设备对立体仓库进行全方面的监控,并对一些设备异常情况进行预警,管理整个立体仓库内部的传感器,对堆垛机、流水线的动作进行监控,分解位机的指令,并对指令进行优化便于各终端机执行,对连续指令进行排序,对监控终端下达指令和对下一步动作进行指令下达,并实现控制层对物理层的硬件信息传输。

执行系统主要是通过分拣机、堆垛机、搬运设备、流水线等设备完成货物的存取和运输。该层属于物理层,以PLC作为该层的核心计算中心,通过其特定的端口实现各终端设备之间的通信连接,同时接收上位机下达的指令,并将接收上位机的任务指令,通过数据链路传至终端设备,同时在PLC数据采集端口,采集设备传感系统的各种信号,通过PLC内部中央处理器处理收集的信号,通过输出端口将处理结果以指令的形式输出,以控制终端设备的下一步运动,将货物的存、取作业通过PLC编程器进行编程,实现货物的自动化流转与存储。同时PLC内的通信端口,将各端口采集的信息处理后发送给上位机,以便上位机对整个自动化立体仓库智能控制系统采集的终端设备的实时状态信息进行汇总、分类、计算、传输,以实现监控系统对自动化立体仓库所有设备的实时监控功能[4]。

分拣系统的核心智能视觉检测系统,视觉检测系统,在分拣机系统的前端摄像机采集图像,并经过数字化处理和灰度处理,对图像进行预处理,并进一步做出图像特征提取,然后找寻出我们货物数据库中相应图像进行对比,最终确定货物的性状。上位机发出作业指令,推料机将货物推出,货物通过链板传送线和导向杆进入皮带传送带,在货物上方通过前端摄像机,系统货物性状确定后,条形码在货物的特定部位,贴上条形码,并做出入库统计,并进入流水线控制系统。

流水线的核心控制系统以PLC作为该层的核心计算中心,通过系统总线将上位机与流水线上得各终端连接,其总线负责系统的通信连接,PLC各端口及端口连接扩展模块负责数据的采集计算和输出。同时总线也将上位机与各部分的控制柜连接,PLC负责采集流水线上各行程开关、阻挡器、光电传感器等传输的实时状态数据,并通过模数转换器转换为梯形图,以实现对混合式流水线的运行状态进行检测和运动的控制,并通过I/O转换器将上位机传输的运动指令转化为电信号来控制调节电机的转速,确保运转的同步。当流水线控制系统,在货物被识别后,由上位机根据立体仓库入库控制系统的要求发出作业指令,控制摄像机启动,拍摄货物的图像,并将数字化图像再次反馈给上位机,再由上位机计算给出相应的指令以对后续作业进行控制。

堆垛机的核心控制系统为一般为交流伺服电机,电机控制器采用嵌入式开关模式,其开关模式存在“单机/联机”两种控制模式。在“手动”模式时,其工作模式为单机状态,如果设定为“自动”模式,其在上位工控机控制下,进行实时自动操作运行。在货物滚筒输送线到达堆垛机的正面,堆垛机把装有货物的载货箱抓取到AGV小车上,由AGV小车来进行输送到指定货架的位置,并将位置信息反馈给上位机,通过自动化立体仓库智能管理系统数据把货物的信息、数量、存储位置记录在系统的数据库,从而完成一次入库作业流程[5]。

上位工控机的控制系统实际上是一台计算机其功能主要是对设备的调度和管理同时对各种传感器传来的信号进行分析并监控设备运行状态。物流系统的信息流经上位工控机接收、记录、分析并存储在自动化立体仓库控制系统内的数据库中,并对分析后的数据转变成指令传给PLC和运动控制器发送指令,协调系统设备的正常运行。上位工控机的监控功能通过仓库控制中通监控界面与PLC进行数据交换,完成物流系统运行状况的实时监控。

AGV其内核为一个自主运动的机器人在接收上位工控机发出的指令,将货物送到指定的位置,同时发出完成任务指令,等待新指令的控制,其关键技术在于导航定位技术,目前有电磁引导模式和激光引导两种,电磁引导模式如磁条引导、磁钉引导等,激光引导如直接坐标导航、光学引导、激光引导、超声波引导、视觉导航、惯性导航,但是近几年快速发展的GPS、北斗导航等多种导航技术也被用来引导运输小车,而且有后来居上的趋势[6]。

执行系统控制软件主要由两部分组成,就是控制PLC的程序和自动控制系统的人机交互界面。自动化立体仓库管理系统控制系统软件总体采用模块化结构设计,而PLC程序由PLC编程软件开发,而人机交互界面通过现行的Python、C++和Java语言编辑。PLC程序在编程设计中主要实现数据采集、超限报警及远程监控等功能,满足自动送取货物的要求。自动控制系统软件的人机交互界面主要实现数据采集、搬运AGV控制、堆垛机控制、流水线控制、远程控制、数据查询和报警功能。人机交互界面主要包含主显信息画面、操作画面、参数设置画面、故障信息画面等内容。其中在主显信息画面显示的内容包括各终端中电机运行状态、货物种类、状态、数量等检测信息、货物在仓库的数量、存储位置、出入库信息以及系统提示信息等。操作界面分为自动、手动、维护三种操作状态,自动控制系统下,人机界面显示输送带、货架、堆垛机运行速度及状态,并按照系设置堆垛高度、机械手臂运行速度及最大伸长范围等参数设置指挥整个系统的运行。参数设置界面要系统控制人员才有权打开,来设置系统各部分控制开关量设置。故障信息显示设备故障信息和可能原因等,如送入层有货、取出层无货、出入库小车、升降台超程报警、超重、超高、变频器故障、伺服故障等信息[7]。

自动化立体仓库智能控制系统的开发,对我国物流仓储业的发展具有十分重要的作用,由于自动化立体仓库是一种集信息、储存、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品,涉及的领域很广,在推动了人工智能在存储物流方面得到应用的同时可以带动相关的技术研究,并可以实现物流业与国际高端服务业的接轨,促进仓储技术的完善性,可靠性,稳定性,最终实现技术的出口,为我国的自动化立体仓库向海外拓展奠定基础。