基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)

薛玉東，賀鵬飛，王中訓(xùn)，趙守青，張建軍，張桐敬

（1.煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；2.中科新智軟件有限公司，山東煙臺(tái) 265500；3.華能山東煙臺(tái)發(fā)電有限公司煙臺(tái)發(fā)電廠，山東煙臺(tái) 264002）

倉(cāng)儲(chǔ)作為制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等行業(yè)重要的一環(huán)，其智能化升級(jí)是構(gòu)建未來行業(yè)體系的關(guān)鍵。在智能化倉(cāng)儲(chǔ)的研究中，有些學(xué)者從理論角度給出了智能化倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)方案[1-4]；有些研究側(cè)重智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的具體應(yīng)用[5-9]。因?yàn)閹щ娮鳂I(yè)工器具庫(kù)房具有的特殊性與專業(yè)性，智能化改造的研究較少，目前的研究方向主要有設(shè)計(jì)可移動(dòng)式庫(kù)房[10-11]、結(jié)合PLC 與組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)庫(kù)房溫度控制[12]、利用RFID 與射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)工器具管理信息化[13-14]，還有的學(xué)者從數(shù)字孿生角度出發(fā)，分析了帶電作業(yè)工器具全生命周期管理方法[15-16]。綜上，帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)的研究已經(jīng)展開，但軟件系統(tǒng)功能不全面、人為干擾影響大、溫濕度控制與工器具監(jiān)管結(jié)合差等問題仍有待解決。

該文設(shè)計(jì)的基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，在滿足帶電作業(yè)工器具存放要求的基礎(chǔ)上，能夠達(dá)到明確工器具的全生命周期信息、阻絕人員出入帶來的干擾、增強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度的控制、提升作業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧倉(cāng)儲(chǔ)分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧倉(cāng)儲(chǔ)分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

智慧倉(cāng)儲(chǔ)分布式控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分為三個(gè)部分：倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)。

倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工器具出庫(kù)、入庫(kù)和盤點(diǎn)業(yè)務(wù)。調(diào)度系統(tǒng)通過集成AGV 接口、Windows Service、RFID 設(shè)備接口、電動(dòng)感應(yīng)門等實(shí)現(xiàn)整個(gè)作業(yè)過程的智能化。

倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)的主要功能為實(shí)現(xiàn)庫(kù)房?jī)?nèi)儲(chǔ)位、工器具等信息的數(shù)字化管理。除此之外，后臺(tái)管理系統(tǒng)還有盤點(diǎn)任務(wù)單生成，工器具盤盈虧調(diào)整，庫(kù)房信息導(dǎo)出等功能，便于操作人員對(duì)庫(kù)房信息進(jìn)行整體把控。

溫濕度控制系統(tǒng)的主要功能是維持倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫濕度的恒定。由于帶電作業(yè)工器具的特殊性，它的保存具有明確的溫濕度范圍。溫濕度控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)溫濕度監(jiān)測(cè)值對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)除濕機(jī)、加熱器進(jìn)行啟?？刂?，使得倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫濕度的變化在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足帶電作業(yè)工器具的存放要求。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)與普通的智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)相比，首先是功能上更加齊全。在實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)信息的數(shù)字化與可視化基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)優(yōu)化了業(yè)務(wù)邏輯，減少了人為因素對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的干擾，監(jiān)控了倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部溫濕度，為工器具的存放提供了適宜環(huán)境；其次是系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。分布式架構(gòu)的設(shè)計(jì)保證當(dāng)部分功能在出現(xiàn)意外情況時(shí)，其他功能可以正常運(yùn)行，防止了雪崩式的系統(tǒng)故障的發(fā)生；最后是系統(tǒng)的精確性高，每一件工器具都通過RFID 技術(shù)進(jìn)行信息綁定，用戶能夠掌握倉(cāng)庫(kù)內(nèi)固定資產(chǎn)的流轉(zhuǎn)情況。

整個(gè)倉(cāng)庫(kù)根據(jù)功能劃分為三部分：倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)、控制室和緩沖區(qū)。倉(cāng)庫(kù)地面按照網(wǎng)格形式劃分，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處設(shè)置有坐標(biāo)二維碼。倉(cāng)庫(kù)主體區(qū)域?yàn)閭}(cāng)儲(chǔ)區(qū)，該區(qū)域存放工器具架及工器具。工器具架根據(jù)存取工器具種類的不同和作業(yè)相關(guān)性進(jìn)行定制，能夠提高工器具的存取速度；控制室內(nèi)有工控觸摸屏電腦，操作員通過觸摸屏電腦進(jìn)行任務(wù)下發(fā)；緩沖區(qū)設(shè)置目的是便于操作員與AGV 之間進(jìn)行工器具的交接。緩沖區(qū)的不同位置安裝有四部RFID 感應(yīng)天線，保證感應(yīng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。緩沖區(qū)與控制室之間的電動(dòng)感應(yīng)門設(shè)置有信號(hào)阻斷層，作用是減小RFID天線對(duì)控制室操作員以及其他工器具的影響。AGV在倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)和緩沖區(qū)進(jìn)行移動(dòng)，倉(cāng)庫(kù)設(shè)置有多臺(tái)AGV，提高作業(yè)效率的同時(shí)增大了系統(tǒng)容錯(cuò)率。各區(qū)域均設(shè)置門禁系統(tǒng)，一般情況下不能夠相互流通。

2.1 倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)上位機(jī)程序采用C#編寫，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，AGV 采用?？低昋3-600C 潛伏機(jī)器人，RFID 天線采用ZEBRA 的AN480，調(diào)度系統(tǒng)主界面如圖2 所示。

圖2 倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)主界面

倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)承擔(dān)整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中工器具的實(shí)物調(diào)度功能。以出庫(kù)為例，操作員進(jìn)入控制室，操作工控機(jī)登錄調(diào)度系統(tǒng)，登錄后點(diǎn)擊“工具出庫(kù)”，選擇作業(yè)任務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)任務(wù)中包含的工器具種類生成帶有具體坐標(biāo)的任務(wù)單并下發(fā)給AGV，AGV 收到后前往指定坐標(biāo)區(qū)域搬運(yùn)工器具架，將工器具架運(yùn)送至緩沖區(qū)感應(yīng)門一側(cè)后回傳到達(dá)信號(hào)。調(diào)度系統(tǒng)在收到信號(hào)后解除感應(yīng)門開關(guān)限制，操作員開啟感應(yīng)門后根據(jù)任務(wù)明細(xì)進(jìn)行工器具拿取，完成后操作員關(guān)閉感應(yīng)門，調(diào)度系統(tǒng)開啟RFID 天線，獲取工器具RFID 信息進(jìn)行核實(shí)并將任務(wù)單顯示到主界面，天線關(guān)閉。操作員確認(rèn)后點(diǎn)擊返庫(kù)，AGV 執(zhí)行返庫(kù)，將工器具架移動(dòng)到原位置，任務(wù)結(jié)束。整個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)潔流暢，AGV 任務(wù)狀態(tài)由多線程Windows Service 實(shí)時(shí)刷新抓取回傳，調(diào)度系統(tǒng)作為主體統(tǒng)籌AGV、RFID 天線、感應(yīng)門等設(shè)備，操作員只需要操作調(diào)度系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)工器具調(diào)度。除調(diào)度功能外，調(diào)度系統(tǒng)還具有異常信息提示功能，操作員登錄系統(tǒng)時(shí)主界面會(huì)顯示超期未歸還或者需要試驗(yàn)與檢修的工器具明細(xì)，提示操作員及時(shí)處理。

2.2 倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)主體為B/S 架構(gòu)，由C#語言編寫，采用VisualStudio 編譯。管理系統(tǒng)通過內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行訪問，保證安全性的同時(shí)提高系統(tǒng)使用的便捷性。倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 倉(cāng)儲(chǔ)后臺(tái)管理系統(tǒng)主界面

登錄后臺(tái)管理系統(tǒng)需要管理員創(chuàng)建的賬號(hào)，不同的賬號(hào)通過預(yù)設(shè)操作權(quán)限來展示頁(yè)面功能，系統(tǒng)的安全性和保密性進(jìn)一步得到了加強(qiáng)。整個(gè)系統(tǒng)包括了系統(tǒng)管理、系統(tǒng)設(shè)置、基礎(chǔ)信息、報(bào)表中心、業(yè)務(wù)功能五大模塊。系統(tǒng)管理的主要作用是新建、修改與刪除登陸賬號(hào)。系統(tǒng)設(shè)置模塊的主要作用是為不同的賬號(hào)分配操作權(quán)限。基礎(chǔ)信息模塊為調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。業(yè)務(wù)功能模塊為調(diào)度系統(tǒng)提供盤點(diǎn)任務(wù)單和盤點(diǎn)權(quán)限。報(bào)表中心模塊可以查看調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)生成的出入庫(kù)明細(xì)，可以將數(shù)據(jù)以EXCEL 表格形式導(dǎo)出或?qū)?。管理系統(tǒng)還可以查看溫濕度控制系統(tǒng)運(yùn)行工況，瀏覽溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史信息等。

2.3 溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)硬件包括中央空調(diào)、溫濕度傳感器、加熱器、除濕機(jī)等，系統(tǒng)主界面如圖4 所示。

圖4 溫濕度控制系統(tǒng)主界面

溫濕度控制系統(tǒng)的主要功能分為兩部分：一是通過溫濕度傳感器測(cè)量并回傳數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)以可視化形式進(jìn)行頁(yè)面顯示；二是利用硬件設(shè)備進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

操作員輸入賬號(hào)登錄溫濕度控制系統(tǒng)，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過工控機(jī)設(shè)置的虛擬串口傳輸?shù)綔貪穸瓤刂葡到y(tǒng)，保證操作員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握溫濕度變化情況。溫控系統(tǒng)下轄的所有調(diào)節(jié)設(shè)備均布置在倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，并通過485 通信連接工控機(jī)，溫濕度控制系統(tǒng)使用可控式電源開關(guān)控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。庫(kù)房溫濕度可以通過系統(tǒng)設(shè)定溫濕度區(qū)間間接調(diào)整，也可以通過系統(tǒng)直接控制設(shè)備開關(guān)直接調(diào)整，加強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的把控。溫控系統(tǒng)設(shè)置有聲光報(bào)警功能，當(dāng)溫濕度超出可控范圍后會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，提高了倉(cāng)儲(chǔ)的安全性。

3 系統(tǒng)測(cè)試

基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 分布式控制系統(tǒng)帶電作業(yè)工器具庫(kù)房測(cè)試

依據(jù)上表的測(cè)試結(jié)果可以看出，分布式智慧倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房相比傳統(tǒng)的智能管理庫(kù)房具備極大的優(yōu)勢(shì)，分布式控制管理系統(tǒng)采用了分布式處理，各個(gè)系統(tǒng)之間既相互關(guān)聯(lián)又能單獨(dú)承擔(dān)某一部分功能，使得系統(tǒng)整體更加穩(wěn)定；AGV 的引進(jìn)避免了人為因素對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部環(huán)境帶來的破壞；溫控系統(tǒng)的存在保證了工器具存放符合要求，延長(zhǎng)了工器具的使用壽命。最終達(dá)到了降低運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、損耗成本，提升效率、信息透明度和庫(kù)房安全等級(jí)的效果。

4 結(jié)束語

基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉(cāng)儲(chǔ)研究解決了智慧倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)過程中環(huán)境不穩(wěn)定、固定資產(chǎn)難追溯、人為干擾嚴(yán)重等問題，測(cè)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)的建設(shè)可行性和使用穩(wěn)定性，也為智慧倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展提供了更加完備的建設(shè)思路和建設(shè)模式。