物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自動化立體倉庫的應(yīng)用研究

黃學(xué)飛 李兆飛

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引言

自動化立體倉庫是指采用幾層、十幾層乃至幾十層高的貨架儲存單元貨物，并用相應(yīng)的物料搬運設(shè)備進(jìn)行貨物入庫和出庫作業(yè)的倉庫[1]。由于它具有節(jié)約用地、減輕勞動強(qiáng)度、提高倉儲自動化水平及管理水平、有效減少流動資金的積壓、提高物流效率等諸多優(yōu)點，所以越來越受到人們的重視[2]。目前，對自動化立體倉庫控制管理系統(tǒng)主要采用條形碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)。采用條形碼技術(shù)時，如果條形碼污染了，數(shù)據(jù)就無法讀取，且存儲信息少，這些缺點不便于對自動化立體倉庫進(jìn)行信息管理。自動化立體倉庫若只采用射頻識別技術(shù)，而不與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，則不能組建更高效的自動化立體倉庫遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

針對以上各種現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本文提出一種采用先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RFID和GPRS技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。試驗表明：該系統(tǒng)能實現(xiàn)自動化立體倉庫智能化，具有實時性強(qiáng)、可靠性高等特點，滿足企業(yè)對自動化立體倉庫管理的需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)的需求

基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)以射頻識別技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)自動化立體倉庫智能化。

系統(tǒng)需具有如下功能。

①自動實現(xiàn)產(chǎn)品入庫和出庫功能。

②自動實現(xiàn)立體倉庫的盤點功能。

③自動實現(xiàn)庫存信息的查詢功能。

④自動分配貨物貨位功能。

⑤自動實現(xiàn)倒庫功能。

⑥自動對立體倉庫的信息管理功能。

1.2 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案

根據(jù)系統(tǒng)的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，其中，第一層為設(shè)備層，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的運行、數(shù)據(jù)的采集;第二層為現(xiàn)場管理層，這一層的硬件設(shè)備主要是現(xiàn)場管理計算機(jī)，通過開發(fā)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，監(jiān)控車間運行情況和控制設(shè)備層;第三層為遠(yuǎn)程管理層，主要是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。設(shè)備層以射頻識別技術(shù)作為主要傳遞信息的媒介[4－5]，給每個貨品和貨格位都貼上無源的電子標(biāo)簽，通過RFID讀寫器對貨品自動識別，并將識別的信息傳遞給數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器?，F(xiàn)場管理層和遠(yuǎn)程管理層則可以通過數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器管理整個系統(tǒng)的運行和控制?；谖锫?lián)網(wǎng)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 監(jiān)控管理系統(tǒng)方案框圖Fig.1 Strategic block diagram of the monitoring and management system

由于自動化立體倉庫空間大，而對于無源的電子標(biāo)簽的識別距離則比較小，所以要布置好RFID讀寫器的位置。在本系統(tǒng)中，RFID讀寫器主要分布在出入庫托盤輸送機(jī)系統(tǒng)的出入口、堆垛機(jī)的伸縮叉以及手持讀寫器上。

1.2.1 作業(yè)流程分析

根據(jù)貨品的流向，自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)主要完成貨品的入庫、出庫和庫存盤點等任務(wù)。

(1)入庫任務(wù)流程

①入庫準(zhǔn)備。對于入庫的貨品，首先倉庫員給貨品貼上電子標(biāo)簽，同時通過現(xiàn)場管理層將貨品的信息上傳給數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器;然后把貨品堆放在入庫的托盤上，堆放時要求貨品不要超高、超寬、超重;最后將托盤放入入庫托盤輸送機(jī)系統(tǒng)。

②貨位分配。當(dāng)托盤通過入庫托盤輸送機(jī)系統(tǒng)的入口RFID讀寫器時，RFID讀寫器將讀取貨品的信息，同時將信息通過GPRS模塊發(fā)送到現(xiàn)場管理層，并通過現(xiàn)場管理層將信息傳遞給數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器;然后在系統(tǒng)的控制下自動分配貨位，并將分配好的貨位信息傳遞給堆垛機(jī)。

③貨品入庫。堆垛機(jī)接受到貨位信息后，則把托盤送入到倉庫的貨位中。當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)指定貨位層時，堆垛機(jī)上的伸縮叉上升到相應(yīng)貨位的高度，伸縮叉上的RFID讀寫器則讀取貨位信息，如果與指定的貨位一致，則準(zhǔn)備將托盤送入貨位中。同時，伸縮叉上的傳感器檢查貨位是否有貨，如果沒有，則把托盤送入到系統(tǒng)中;如果有，則給上一級系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)有貨物的信息并請求重新分配貨位。

④入庫結(jié)束。系統(tǒng)完成入庫任務(wù)后，將完成的信息發(fā)送到現(xiàn)場管理層，并通過現(xiàn)場管理層將信息傳遞給數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器;然后回到待命狀態(tài)，等待下一個任務(wù)。

(2)出庫任務(wù)流程

①出庫準(zhǔn)備。對于出庫的貨品，系統(tǒng)首先發(fā)出相應(yīng)的貨位出庫的信息到堆垛機(jī)。

②貨品出庫。堆垛機(jī)運行到相應(yīng)的貨位后，伸縮叉上的RFID讀寫器則讀取貨位信息，如果與指定的貨位一致，則準(zhǔn)備將托盤取出。同時伸縮叉車上的傳感器則檢查貨位是否有貨，如果沒有，則給上一級系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)貨位無貨物的信息，并請求重新分配貨位;如果貨位上有貨位，則把托盤取出并送到出庫托盤輸送機(jī)系統(tǒng)。

③出庫結(jié)束。托盤通過安裝在出庫托盤輸送機(jī)系統(tǒng)的RFID讀寫器時，RFID讀寫器將讀取貨品的信息并通過GPRS模塊發(fā)送到現(xiàn)場管理層，通過現(xiàn)場管理層將信息傳遞給數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器。對于托盤上的剩余物品，則進(jìn)行重新入庫處理。

(3)庫存盤點任務(wù)流程

對于庫存盤點，則通過運行堆垛機(jī)伸縮叉上的RFID讀寫每個貨位上的物品的電子標(biāo)簽，并將讀取的電子標(biāo)簽信息通過GPRS模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器中;最后通過管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

1.2.2 監(jiān)控管理信息系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場管理層和管理層的主要功能是通過自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)對信息進(jìn)行深層處理和管理。

自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 管理信息系統(tǒng)功能模塊圖Fig.2 Functional module of the management information system

自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時監(jiān)控自動化立體倉庫設(shè)備的運行狀態(tài)、控制相應(yīng)的設(shè)備、管理整個系統(tǒng)的運行和對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。此外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了實時監(jiān)控和報警、設(shè)備運行控制、參數(shù)配置、貨位管理、操作管理、用戶管理、數(shù)據(jù)分析、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理等功能[6]。

由于Delphi是一種具有功能強(qiáng)大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點的可視化快速應(yīng)用開發(fā)工具，所以選用Delphi作為自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)的編程軟件。由于SQL Server 2000具有使用方便、可伸縮性好與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點[7]，同時所開發(fā)的系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)量比較大，所以在開發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)主要包括堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、地面操作臺控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)。

堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)運送貨品到指定的貨位，并進(jìn)行入庫/出庫動作。SIMATIC S7-200系列PLC具有強(qiáng)大的功能，其無論在獨立運行或相連成網(wǎng)絡(luò)中都能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能[8]，所以在堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用S7-200系列PLC作為主要控制核心。同時，S7-200系列PLC擁有專用于 S7-200系列PLC的GRPS無線數(shù)據(jù)通信模塊MD720-3，方便數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，滿足系統(tǒng)的控制需求。

為保證入庫/出庫動作的正確順利進(jìn)行，在堆垛機(jī)上安裝了一系列的對射式光電傳感器。對射式光電傳感器主要用于測量貨品有沒有超高、超寬，以及感應(yīng)貨格位上是否有貨品。系統(tǒng)采用對射式光電傳感器FE 20 R-PSM4。

地面操作臺控制系統(tǒng)主要是在現(xiàn)場控制堆垛機(jī)控制系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)的運行。該系統(tǒng)由SIMATIC S7-200系列PLC、觸摸屏組成。該系統(tǒng)主要是與堆垛機(jī)控制系統(tǒng)相互傳遞信息，一方面地面操作臺控制系統(tǒng)將現(xiàn)場管理計算機(jī)發(fā)送來的指令傳遞給堆垛機(jī)控制系統(tǒng);另一方面將接受到堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的信息通過CAN總線上傳給現(xiàn)場管理計算機(jī)。其中，與堆垛機(jī)控制系統(tǒng)相互傳遞信息的硬件采用GRPS無線數(shù)據(jù)通信模塊MD720-3。

RFID系統(tǒng)主要是通過電子標(biāo)簽和RFID的閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過GRPS上傳到現(xiàn)場管理計算機(jī)，現(xiàn)場管理計算機(jī)通過數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)將信息保存或獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)[9]。電子標(biāo)簽采用UHF-RFID無源遠(yuǎn)距離紙質(zhì)標(biāo)簽AOSID-0836。該電子標(biāo)簽采用跳頻工作模式，具有超強(qiáng)抗干擾能力;用戶可自定義讀寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，識讀距離可達(dá)10 m以上;1 024位內(nèi)存容量，全球唯一64位ID號，超寬工作頻段設(shè)計。RFID電子標(biāo)簽閱讀器采用中興通訊自主研發(fā)的、適用于室內(nèi)環(huán)境的高性能無源UHF RFID電子標(biāo)簽閱讀器ZXRIS 6600[9]。該電子標(biāo)簽閱讀器接口豐富，提供FE、RS232、RS485和GPRS接口方式，組網(wǎng)靈活。與該電子標(biāo)簽閱讀器連接的GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403。該模塊符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，下載速度為5 316 kbit/s，上傳速度為2 618 kbit/s。

通過自動化立體倉庫監(jiān)控管理信息系統(tǒng)的控制、管理、協(xié)調(diào)，使自動化立體倉庫正常運行，滿足企業(yè)的需求。實踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)的處理信息的速度比傳統(tǒng)方式提高了10倍以上，即由原來處理每筆業(yè)務(wù)需要花費2 s縮短至0.2 s，同時信息傳輸?shù)目煽啃?、信息的網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度也有所提高。

3 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化立體倉庫監(jiān)控管理系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用于自動化立體倉庫，進(jìn)一步提高了自動化立體倉庫效率，方便管理人員對立體倉庫的管理，很好地滿足自動化立體倉庫的需要。隨著社會對自動化立體倉庫的需求越來越大、要求越來越高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自動化立體倉庫領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

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