基于物聯(lián)網(wǎng)的物料智能配送系統(tǒng)研究

徐振宇，魏孟羲，周 純，汪惠芬

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

物料配送是工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。物料配送的效率、準(zhǔn)確程度、安全性等都直接決定了生產(chǎn)效益。而隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如何將新型技術(shù)融入到傳統(tǒng)物料配送流程中成為了人們關(guān)心的話題。如果能引入一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的物料配送系統(tǒng)，必將在提高配送效率的前提下降低物料流動(dòng)的復(fù)雜性[1]。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)化的智能配送系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)特征及物料企業(yè)自身發(fā)展的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能物料配送系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 物料配送系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室示意圖

本系統(tǒng)含立體倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)物流、生產(chǎn)工位等工藝模塊，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用射頻識(shí)別(radio frequency identification, RFID)/條碼等技術(shù)，在不同的位置布置感知模塊，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的物料智能配送系統(tǒng)，并與制造執(zhí)行系統(tǒng)集成，從而根據(jù)生產(chǎn)訂單，從立體倉(cāng)庫(kù)取出正確的物料并調(diào)度自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(automated guided vehicle, AGV)及時(shí)配送至上料工位。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，物料在不同工位流轉(zhuǎn)直至入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程物料的全面感知和智能配送。

物料的出入庫(kù)由倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)盤(pán)點(diǎn)，每個(gè)工位旁配備一個(gè)機(jī)械手，用于搬運(yùn)原材料與成品。工位1為人工上料，并進(jìn)行打印圖案及二維碼的操作；工位2利用RFID讀寫(xiě)器對(duì)上位機(jī)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行錄入；工位3利用視覺(jué)檢測(cè)儀對(duì)工位1打印的圖案及二維碼進(jìn)行檢查；工位4利用RFID讀寫(xiě)器對(duì)之前錄入的數(shù)據(jù)信息讀取并檢查；工位5進(jìn)行打包操作；工位6人工對(duì)打包產(chǎn)品張貼標(biāo)簽。

本系統(tǒng)主要包括基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知、物料配送及信息反饋系統(tǒng)和AGV智能物料配送3個(gè)部分，各分系統(tǒng)將在下文中詳細(xì)說(shuō)明。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知是通過(guò)RFID與讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)的。在錄入數(shù)據(jù)和成品檢查工位上布置RFID低頻讀寫(xiě)器。當(dāng)ID卡到達(dá)這兩個(gè)工位時(shí)，機(jī)械手將ID卡放到讀寫(xiě)器上，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀與寫(xiě)操作。在AGV上貼高頻標(biāo)簽，同時(shí)在其他工位前布置RFID高頻讀寫(xiě)器。當(dāng)AGV到達(dá)任意工位時(shí)，工位前的高頻讀寫(xiě)器讀到AGV上的標(biāo)簽，表示加工工件正在此工位加工。當(dāng)?shù)皖l讀寫(xiě)器讀到ID卡的標(biāo)簽時(shí)，表示加工工件正在錄入數(shù)據(jù)或檢查工位正在進(jìn)行加工處理。此步驟可以實(shí)現(xiàn)工件加工狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤的系統(tǒng)功能。

2.1 智能感知模塊的布置

在倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)口與各個(gè)工位處布置YMC150系列高頻RFID讀寫(xiě)器。工位2、工位4上的讀寫(xiě)器不僅可用于數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，還與其他工位一樣可用于加工物料的智能感知追蹤，使整個(gè)加工過(guò)程無(wú)人化。

為保證讀寫(xiě)器與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及系統(tǒng)規(guī)模拓展的可能性，采用RS-485對(duì)出入庫(kù)口與各工位的RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行組網(wǎng)[2]。若讀寫(xiě)器數(shù)據(jù)端與供電端同時(shí)接入上位機(jī)的同一USB接口，易發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，此時(shí)可將各個(gè)讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)線與電源線分開(kāi)并聯(lián)至上位機(jī)的不同USB接口，具體連接方式如圖2所示。

圖2 讀寫(xiě)器與上位機(jī)連接方式

2.2 智能感知軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

各個(gè)工位的讀寫(xiě)器需實(shí)現(xiàn)加工物料的位置感知。利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)智能感知軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工物料的數(shù)據(jù)讀取、寫(xiě)入以及加工過(guò)程追蹤等功能。

智能感知軟件界面分為5個(gè)功能區(qū)：卡片操作、加工狀態(tài)追蹤、讀寫(xiě)器參數(shù)設(shè)置與查詢、讀寫(xiě)器工作狀態(tài)提示以及傳輸數(shù)據(jù)顯示，具體界面如圖3所示。其主要作用為：讀取加工物料的固有數(shù)據(jù)；選擇卡片不同的扇區(qū)讀取其中的數(shù)據(jù)；選擇不同的塊號(hào)對(duì)卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入操作和對(duì)部分扇區(qū)進(jìn)行加密操作。

圖3 智能感知軟件界面

3 物料配送及信息反饋系統(tǒng)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

系統(tǒng)將RFID作為數(shù)據(jù)采集工具，對(duì)貨物信息進(jìn)行自動(dòng)采集，并為倉(cāng)儲(chǔ)管理提供數(shù)據(jù)和信息支持。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用C/S結(jié)構(gòu)，采用三層架構(gòu)開(kāi)發(fā)模式：顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層[3]。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。顯示層提供了業(yè)務(wù)邏輯的處理模塊和用戶交互界面。

3.2 配送數(shù)據(jù)管理功能

本系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的操作代碼單獨(dú)提取出來(lái)成為一個(gè)DbAccess類庫(kù)，方便業(yè)務(wù)邏輯層和顯示層的調(diào)用。定義貨物、貨位、出入庫(kù)表、盤(pán)點(diǎn)表實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表的增刪改查的方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)UI界面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)以及增刪改查的操作。

物流信息系統(tǒng)如圖4所示，主要功能為入庫(kù)、出庫(kù)、盤(pán)點(diǎn)、庫(kù)存和執(zhí)行管理。

圖4 物流信息系統(tǒng)界面

入庫(kù)管理將入庫(kù)RFID讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的標(biāo)簽信息顯示在狀態(tài)顯示功能區(qū)。系統(tǒng)管理員可以參考該信息選擇合適的貨位將該貨物人工入庫(kù)。入庫(kù)后數(shù)據(jù)庫(kù)信息改變，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)更新倉(cāng)庫(kù)當(dāng)前狀態(tài)的展示視圖。

出庫(kù)管理可根據(jù)制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system, MES)查詢貨物信息并選擇貨物出庫(kù)[4]，亦可點(diǎn)擊按計(jì)劃出庫(kù)命令系統(tǒng)判斷和選擇貨物出庫(kù)。出庫(kù)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。

盤(pán)點(diǎn)管理讀取貨位的貨物信息，并將該信息顯示在盤(pán)點(diǎn)進(jìn)程顯示區(qū)中[5]。系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行比對(duì)并顯示比對(duì)結(jié)果，隨后將該貨位盤(pán)點(diǎn)的結(jié)果顯示在倉(cāng)庫(kù)盤(pán)點(diǎn)狀態(tài)顯示區(qū)中。判斷結(jié)果正確則正常顯示，判斷結(jié)果錯(cuò)誤則用紅色字體顯示。待所有貨位都盤(pán)點(diǎn)結(jié)束后，將此次的盤(pán)點(diǎn)結(jié)果展示在最終結(jié)果顯示區(qū)中。

庫(kù)存管理可通過(guò)輸入起止日期來(lái)查詢指定日期內(nèi)的庫(kù)存信息，包括庫(kù)存總量、各類型卡片的庫(kù)存量、不同加工狀態(tài)卡片的庫(kù)存量等，并能根據(jù)這些信息生成庫(kù)存報(bào)表和庫(kù)存圖例以便更加直觀和清晰地反映庫(kù)存的統(tǒng)計(jì)值[6]。

4 AGV智能物料配送

AGV是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置、能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛、具有安全保護(hù)以及各種移載功能的搬運(yùn)車。由于研發(fā)的是基于物聯(lián)網(wǎng)的物料配送系統(tǒng)，AGV的智能性和輕便性使其在搬運(yùn)物料方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[7]，因此本文考慮設(shè)計(jì)一輛基于STM32F103RCT6芯片的AGV。

4.1 AGV的硬件結(jié)構(gòu)

AGV的結(jié)構(gòu)如圖5所示。以車體2為載體，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)10安裝在車體底板上以驅(qū)動(dòng)其行駛。車體下方安裝4個(gè)麥克納姆輪1，此結(jié)構(gòu)保證AGV在行駛時(shí)無(wú)需轉(zhuǎn)向即可向任意方向移動(dòng)。車體上方固定電池4以提供電源，同時(shí)安裝STM32F103RCT6主板。該主板由驅(qū)動(dòng)模塊、Wi-Fi模塊、控制主板組成，保證AGV按要求運(yùn)行。WiFi模塊ATK-ESP8266采用IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)AP模式連入WiFi信號(hào)環(huán)境。模塊上方安裝攝像頭7，反饋AGV的動(dòng)態(tài)。為實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)，AGV車體上方配備一升降臺(tái)式托盤(pán)5，此托盤(pán)下方固連在AGV車體上，根據(jù)實(shí)際加工需要可以調(diào)整其高度，以配合機(jī)械手的夾取與裝放。AGV前端安裝避障模塊8，用于識(shí)別路況，保證AGV在按規(guī)定路線行駛的同時(shí)避免與障礙物相撞。底板前端安裝循跡模塊9，用于識(shí)別預(yù)先布置好的路徑，保證AGV沿規(guī)定路線行駛。車體側(cè)面設(shè)置一塊液晶顯示屏3，用于動(dòng)態(tài)顯示 AGV 的位置、物料加工情況等。通過(guò)10個(gè)硬件的配合，AGV 得以正常工作。

1—麥克納姆輪；2—車體；3—液晶顯示屏；4—固定電池；5—升降臺(tái)式托盤(pán)；6—STM32F103RCT6主板；7—攝像頭；8—避障模塊；9—循跡模塊；10—驅(qū)動(dòng)電機(jī)

4.2 AGV的控制系統(tǒng)

AGV系統(tǒng)的控制是通過(guò)物流上位調(diào)度系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及車載控制系統(tǒng)的相互協(xié)作完成的[8-9]。

上位調(diào)度系統(tǒng)主要用于用戶下達(dá)訂單，向AGV表達(dá)需求。最初的信號(hào)由上位調(diào)度系統(tǒng)傳達(dá)給地面控制系統(tǒng)，相當(dāng)于AGV控制系統(tǒng)的用戶層。

地面控制系統(tǒng)用于接收上位調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的指令，進(jìn)而將任務(wù)分配給AGV，同時(shí)規(guī)劃路線、將訂單明確化，相當(dāng)于AGV控制系統(tǒng)的控制層。

車載控制系統(tǒng)即AGV單機(jī)控制系統(tǒng)，在收到地面控制系統(tǒng)的指令后，命令A(yù)GV單機(jī)執(zhí)行導(dǎo)航、導(dǎo)引、路徑選擇、車輛驅(qū)動(dòng)、裝卸操作等動(dòng)作。這是AGV控制系統(tǒng)的最小單元，相當(dāng)于工作層。

4.3 AGV的工作原理與流程

AGV的運(yùn)行由輸入在開(kāi)發(fā)板6中的程序?qū)崿F(xiàn)，由WiFi將總臺(tái)發(fā)出的信號(hào)傳達(dá)給AGV。AGV通過(guò)底板循跡模塊9對(duì)地面上涂設(shè)的條帶狀路標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，

根據(jù)信號(hào)要求選擇最佳方案，以達(dá)到快速、精準(zhǔn)配送物料的目的。AGV行駛過(guò)程中，自動(dòng)停留在相應(yīng)的工位處，等待系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)后繼續(xù)出發(fā)。到達(dá)指定位置后，與預(yù)先布置在物料設(shè)備的RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行對(duì)接[10]，從而進(jìn)行物料的上料與下料。與此同時(shí)，WiFi 信號(hào)環(huán)境下工作的AGV與平臺(tái)實(shí)時(shí)互動(dòng)，動(dòng)態(tài)反饋AGV的運(yùn)動(dòng)狀況。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用與深入性研究

系統(tǒng)的3個(gè)模塊：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知、物料配送及信息反饋系統(tǒng)和AGV智能配送通過(guò)WiFi模塊和RFID實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)信息的交互。如圖6，7所示，上位機(jī)系統(tǒng)下達(dá)指令后，機(jī)械手從倉(cāng)庫(kù)中取料，放置于工位1上。在6個(gè)工位上布置型號(hào)相同的RFID讀寫(xiě)器，從而使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)感知物料的位置。當(dāng)機(jī)械手將物料置于AGV上時(shí)，系統(tǒng)給AGV下達(dá)指令，后者沿跡駛向工位2，機(jī)械手將物料從AGV上取出放置于工位上進(jìn)行加工，AGV等待加工完畢后駛向下一個(gè)工位，以此類推。當(dāng)完成生產(chǎn)流程時(shí)，AGV將原路返回，依次完成產(chǎn)品打包和人工粘貼標(biāo)簽等加工工藝。隨后AGV回到工位 1 處待命，物料入庫(kù)，進(jìn)入下一個(gè)物料配送周期。

圖6 物料配送流程圖

圖7 系統(tǒng)工作框圖

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果圖如圖8所示。選用仿真軟件為HedraSMF。該軟件可利用Python語(yǔ)言對(duì)機(jī)械臂、加工設(shè)備、AGV等模型進(jìn)行控制，對(duì)整體工作流程進(jìn)行模擬仿真，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理之處?；谠O(shè)計(jì)理念，利用仿真軟件對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可行性進(jìn)行模擬仿真布置，可確定立體倉(cāng)庫(kù)、AGV、工位、機(jī)械手等硬件的尺寸與布置關(guān)系，較好地規(guī)劃物料配送系統(tǒng)的布局[11-12]。

圖8 物料智能配送系統(tǒng)效果圖

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)與仿真，系統(tǒng)的工作性能良好，可以較好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及物料配送過(guò)程中。與傳統(tǒng)的物料配送系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)完成一次入庫(kù)到出庫(kù)的時(shí)間僅為90 s，大大縮短了物料配送周期。系統(tǒng)訂單通過(guò)率達(dá)到90%，平臺(tái)安排調(diào)度機(jī)器反應(yīng)時(shí)間為1 s，感知模塊對(duì)射頻標(biāo)簽的識(shí)別率達(dá)到98%以上。系統(tǒng)可以根據(jù)訂單個(gè)性化定制產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。AGV在運(yùn)行過(guò)程中能夠較好地完成物料運(yùn)輸工作，物流反饋系統(tǒng)可輕松地查閱已經(jīng)完成的訂單與存單，反映物料運(yùn)輸情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控各工位的工作狀態(tài)與小車的位置信息。本系統(tǒng)充分利用了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)、高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)物料的智能配送，降低了生產(chǎn)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)物料配送的不足和特點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的物料智能配送系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)與物料運(yùn)輸?shù)娜詣?dòng)化與智能化，從而解決了傳統(tǒng)運(yùn)輸行業(yè)中物料配送信息不流通、生產(chǎn)非自動(dòng)帶來(lái)的低效與數(shù)據(jù)閉塞以及現(xiàn)在企業(yè)管理與控制層面上無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成化、統(tǒng)一化管理的問(wèn)題，給現(xiàn)階段的車間生產(chǎn)提供了參考。系統(tǒng)適用性廣，集成度高，科技含量高，具有極高的推廣價(jià)值。