智能立體多元存儲柜系統的設計與應用

陳占國，孫兆盛，薛晨霞，邢 勇，李衛東

（國能寶日希勒能源有限公司物資供應中心，內蒙古 海拉爾 021025）

0 引言

隨著互聯網和信息技術的不斷進步和發展，現代供應鏈體系也逐步走上了智能化的發展道路，物資采購、倉儲管理、使用者三方以智能化技術手段為紐帶構建起更加緊密快捷的聯系[1-3]，倉儲管理作為供應鏈體系的重要環節也在不斷提升智能化水準[4-5]。現階段人工智能、物聯網以及大數據技術已經日趨成熟，在各個行業都得到了廣泛應用，也極大助力了倉儲管理的智能化進程[6-7]。倉儲管理作為露天煤礦物資采購和一線生產的中轉站，在整個露天煤礦的生產運行中扮演著十分重要的角色[8]。傳統的物資供應倉儲管理采用人工方式，零小配件、工具查找不方便，倉庫空間利用率低，物品難于管理易丟失等問題十分突出，雖然占用大量人力資源，但倉庫的存儲效率并不高。借助搭建的完整智能化倉儲管理系統必將有效提高露天煤礦倉儲存儲效率，增加倉儲物資配置靈活性，同時可節約大量運營管理成本[9]。

目前，露天煤礦倉儲管理在智能化方面仍然比較欠缺，隨著建設智慧礦山要求的提出，智能化倉儲管理系統的建立對于露天煤礦智能化進程顯得越發重要。鑒于此，筆者針對國能寶日希勒露天煤礦物資供應中心庫房零散配件存儲方法的現狀和實際需求，設計了一種立體多元智能化的存儲柜系統，采用優化算法迅速確定最佳路徑，縮短存取時間。其碼盤認址系統以箱斗為認址單元，且與企業ERP 連接完成網絡化管理共享數據。將系統應用于寶日希勒露天煤礦物資供應中心，以期提高物資供應中心的倉儲智能化水平。

1 智能存儲柜系統結構

智能存儲柜外形尺寸為3 200mm（長）×1 950 mm（寬）×7 400mm（高），整機可承載質量16 000kg。存儲柜箱斗形式為A型箱斗單箱承載500kg，采用鏈式傳動垂直回轉，全封閉設計，外形尺寸為2 500mm（長）×510mm（深）×400（高）mm。共配置32 個箱斗，每箱斗設置一個固定豎隔板，共計可存放超過2 400 件各個品類物資。整機采用模塊式組合結構，板材采用優質冷軋鋼材。主體框架的材質采用優質異型鋼材，要求能承受所載物體的重量，機械運轉穩定可靠。設備的傳動件、緊固件及其它零部件均采用優質材料制造。所有鏈軌組合鏈輪齒面經過高頻淬火。導向裝置要求使用優質鋼材制造，可確保運行機構長久可靠運行。

智能立體多元存儲柜系統主要由主體框架、可移式箱斗、驅動系統、傳動系統、工作平臺、蒙皮、控制系統、計算機管理系統、監控系統等部分組成。

（1）主體框架

智能立體多元存儲柜主體框架是連接主導軌、副導軌、三角支臂主驅動軸、可移式箱斗及安裝固定電機及相關輔件的受力載體。主體框架的材質選用優質異型鋼材（Q235）組合而成。框架的截面尺寸為80mm×80mm×4mm 方鋼管骨架，底盤、側壁承重鋼板厚度為10mm。

（2）可移式箱斗

可移式箱斗不但是物品的存儲單元，也是主要的載重單元。可移式箱斗內可根據存放物品的形狀變化配裝各類不同的工位器具盒或配置可調式隔板、檔板及相關的定位器具，保證物品器具達到最佳的存放狀態。可移式箱斗的結構設計具有較強的抗撓、抗扭能力。箱斗的內外表層采用先進的高壓靜電噴涂技術，使產品的耐磨力更好，抗腐力更強。

（3）驅動系統

驅動系統是智能立體多元存儲柜的動力源。由三相驅動電機與減速器組合而成，拖動傳輸鏈條使箱斗按設定程序有序運轉。驅動系統可根據載荷的變化配置軟啟動裝置，用來克服瞬間啟動時對鏈條產生的沖擊，同時也大大降低了啟動噪聲。

（4）傳動系統

傳動系統是由鏈條、鏈輪、傳動軸、導向輪、導向支臂、主導軌、副導軌、三角支臂、連接盤等相關輔件的有機組合構成。主導軌是在驅動系統作用下的輔助傳動系統，驅使三角支臂與副導軌配合使箱斗按設定的運動軌跡位移，傳動速度為4～7m/min。

（5）工作平臺

工作平臺是操作員工作臺，也是入/出物資的緩沖臺，采用優質不銹鋼材料（AISI201），防磕碰耐腐蝕。

（6）蒙皮

蒙皮為智能立體多元存儲柜的外體，是整機的外包裝和保護層。蒙皮由厚度為1.2mm 優質冷軋鋼板（Q235）軋制而成，其表面除了要進行經磷化處理，還要采取高壓靜電噴涂。蒙皮對整機的內臟及存貯的物品起著保護作用，減輕物品的污染和損壞并可有效降噪。

（7）拉門：取貨口采用上下對開門方式，開啟方便故障少，考慮夜間取貨門上配有照明裝置。

2 存儲柜控制系統

2.1 系統結構形式

智能存儲柜的控制系統選擇了SIEMENS 的PLC（S7-200）作為系統的核心，其人機界面主要通過SIEMENS 觸摸屏。控制系統引入了最先進的現場總線技術，能夠高效監控主機與PLC 間的數據傳輸，使系統的整體性能及可靠性大大提高。為了保障存取零小配件的安全可靠，智能立體多元存儲柜配備有入口安全保護裝置，當工作人員向系統下達運行指令后，系統會自動檢測所存器具的狀態，發現器具尚未歸位徹底則不能運行，并發出報警提示工作人員。存儲柜控制系統具備貨位指示系統，當與管理監控系統連接時能夠接受管理監控系統信息指示貨物存儲位置。控制系統的結構示意如圖1 所示。

圖1 智能存儲柜控制系統結構組成

2.2 控制系統工作方式

（1）聯機模式

控制系統的主要工作方式為聯機模式，管理計算機首先對下位機的健康運行狀態進行判斷。若監測到下位機健康運行，就會向PLC 發出運行、存取等指令，同時傳輸物品的詳細分揀信息。而PLC 一旦識別指令就會快速反應，把物品的相關分揀信息在人機界面顯示出來，借助優化算法確定最短路徑迅速運行至指定貨位，然后等待工作人員對物品的下一步操作。工作人員按照所顯示的物品分撿信息來完成物品的存取操作，之后按下系統的應答按鈕，指示上位機操作已經完成，監控計算機則更改數據記錄，并開始新的指令發送。在PLC 運行過程中上位機會持續監視PLC 的運行狀況，將監測的系統信息顯示給工作人員。控制系統人機界面如圖2 所示。

圖2 控制系統人機界面

（2）單機自動

在和管理上位機斷開未接入的工作狀態下，主要是通過單機自動工作方式，而且與監控機聯機時也是建立在單機自動的基礎上的。在此種狀態下，工作人員可以在人機界面上的設定層位置自行輸入目的層號，然后點擊運行按鈕，PLC 仍然會快速確定最短路徑迅速運行至指定貨位，然后等待工作人員對物品的下一步操作，人機界面自動顯示相應的位置信號。

（3）手動模式

在手動工作狀態下，工作人員可通過操控控制面板上的左、右移開關就能實現向左或向右移動。當到達目的位置后將開關恢復原位，系統將停止運行。

（4）調試狀態

當系統處于調試狀態時能夠按照預先調試目的設置存儲柜系統所需要的詳細運行參數，一旦完成參數設置系統就會進行檢測并保存相關設置。

3 計算機管理系統

智能存儲柜管理信息系統用于庫房物品的在庫管理，涵蓋了物品的出庫、入庫以及所存物品的查詢統計。單機智能立體多元存儲柜提供100M 以太網接口，可以與計算機等外圍設備聯接，網絡上的其他計算機可遠程控制智能立體多元存儲柜及查詢庫內存儲信息。

3.1 ERP 接口

管理系統采用網絡數據庫，數據庫權限和結構可以開放給ERP，ERP 系統可讀取本庫庫存內容作為ERP 的基礎數據，經與ERP 廠家協商建立數據接口后，可與ERP 進行連接。管理系統與國能寶日希勒能源有限公司上層管理系統（ERP 系統）可在通訊協議下實現無縫對接。管理系統與物資供應中心原有庫房管理軟件（WMS）兼容，可轉移原有數據并能涵蓋原有功能。

WMS 與用戶ERP 軟件的接口方式通過雙方根據約定流程修改中間數據表或者XML 數據文件來實現，ERP的中間數據表由用戶方負責完成，庫房出入庫計劃和操作由WMS 實現管理，同時將貨物出入庫信息反饋給ERP 實現記帳變更。軟件報價支持以下信息交換界面形式或類似模式，WMS 系統將在此形式上實現與企業ERP 的連接。ERP 數據業務接口結構如圖3 所示。

圖3 ERP 數據業務接口

（1）入庫單處理接口

從上層業務系統（ERP 系統）中接收入庫信息列表，轉換成入庫計劃單，并依據入庫計劃單據進行貨盤入庫，然后自動生成入庫單據，把實際收貨數據反饋給上層業務系統。

（2）出庫單處理接口

從上層業務系統（ERP 系統）中接收出庫信息列表，轉換成出庫計劃單，并依據出庫計劃單據進行出庫，然后自動生成出庫單據，把實際出庫數據反饋給上層業務系統。

3.2 管理系統結構

整體上管理信息系統仍然屬于經典的管理、監控和設備控制三層結構，如圖4 所示。在出入庫站及監控站上分別安裝了不同的軟件可以執行不同的任務，具體說明如下：

圖4 管理系統結構

（1）服務器：將數據庫軟件安裝于服務器上，主要承擔物品、用戶、人員等相關信息的存儲任務。

（2）管理監控站：將客戶端軟件安裝在管理監控站上，主要承擔物品的出庫、入庫、查詢、統計、盤庫、打印等相關任務。此外還用于物品出入庫任務信息的接收，將信息處理后聯網上傳至相應設備上，并通過網絡采集設備信息對設備進行實時監控。

3.3 主要模塊功能

（1）信息維護與管理

具有將用戶提供的基礎數據信息導入后臺數據庫的人機界面窗口。可根據人員的職責，分配不同的賬號、密碼以及不同的系統使用權限，將相應項目和托盤綁定，實現分級操作。

（2）物品、存儲管理

可維護所有物品的相關信息，包括物料名稱、物料編號、物品種類、單價、供應商、計量單位、數量、存放時間、物品圖像、對應圖紙等。支持手工輸入、EXCEL 表導入兩種方式，方便管理人員操作。可實現庫房貨區的劃分與設置、貨位的設置。

（3）貨位、貨區劃分

進行貨位的設置主要結合庫房的實際物理參數，如按層、貨格等把各個存儲單元的位置賦予編號，形成貨位編碼。針對存儲位置的實際使用情況將一組貨位編碼組合為邏輯上的一個存儲區，用于存放不同類別的零配件，分配給不同的工作人員取用，此外還能夠設置貨區的操作權限，實現不同操作權限的人使用不同貨區的目的。

（4）入庫訂單管理

可定制各種入庫單據，支持人工錄入、導入數據或從企業ERP、MES 讀取數據，支持批次、訂單化管理。完成到貨的清點、物品基本信息錄入、條碼掃描，最后完成物品信息與貨位信息的綁定。系統根據貨區劃分原則、貨位優先級生成每個貨位的貨位號，從而實現了貨位信息與物品信息的綁定并更新庫存。庫存物品入庫界面如圖5 所示。

圖5 庫存物品入庫界面

（5）出庫訂單管理

主要完成出庫訂單信息的建立，目標貨位的出庫任務的生成及物品揀選。定制各種出庫單據，支持人工錄入或從企業ERP、MES 讀取數據，如物品信息、出庫單和人員信息等，支持批次、訂單化管理。庫存物品出庫界面如圖6 所示。

圖6 庫存物品出庫界面

（6）庫存管理

包含數量低限提示、限時提示、空閑貨位提示等，可以根據物品存放需求，實現對每種物品設置庫存數量低限、存放有效期等參數的設置，具備自動報警功能。存放物品時可提示優先空閑空間。

（7）盤點管理

能夠完成庫房內所存物品的定期盤點任務，以對歷史庫存信息進行校驗。根據物品的數量、單價、供貨商和貨位多種形式進行盤點，方便日后采購和成本核算。

（8）系統報警功能

系統會對庫存信息進行周期性檢查，將檢查數據與系統所設各類參數值比較，對溢出標準值的參數會通過顯示警告框來警示工作人員。例如庫存量上/下限報警、存留超時報警等。

4 計算機監控系統

計算機監控系統能夠實現智能立體多元存儲柜的實時監控。根據管理軟件自動分配好的作業地址信息，依據運行時間最短、作業間的合理分配等原則對作業順序進行優化排定，數據處理后向智能存儲柜的控制器分發作業命令。系統實時接收控制器的信息反饋并對主要設備的運行位置、作業狀態、貨位占位情況以及運行故障等狀態信息進行動態顯示。主要功能如下：

（1）接收出入庫任務信息：將物品的出入庫信息處理分解排序，然后向智能存儲柜系統發送任務指令，同時對任務具體實施狀態跟蹤顯示。

（2）歷史記錄查看：查看設備運行的歷史記錄，提供設備故障報警并顯示故障信息。

（3）任務分解與處理：將任務分解上傳至網絡，然后等候相關自動化設備對任務的下一步處理，在處理本次出入庫任務時，對上次未完成的出入庫任務給出提示和處理的選擇。

（4）手動調整聯機隊列：當聯機隊列形成之后，可以對其進行調整從而達到貨物的預先出/入庫目的。根據貨物的存儲位置、生產批次、入庫時間等參數、設置出入庫聯機隊列的優先權。

（5）設備監控與顯示：對設備的運行情況進行實時監控，監控智能立體多元存儲柜的站號、當前層、故障、光電報警、變頻報警、急停狀態等。顯示系統的工作方式、顯示系統的作業類型、顯示作業地址和當前位置、顯示系統作業以及設備通訊狀態。

5 應用結果及分析

通過將智能立體多元存儲柜系統在國能寶日希勒露天煤礦物資供應中心3 號庫房進行應用，可以完成智能化存取配件，箱斗通過最優路徑的選取，快速將貨物送至存取貨口，相比以往人工存取操作簡單快捷，最大限度的節省取送貨物時間，用時縮短了3～5倍。而且智能立體多元存儲柜節約占地面積，提高了庫房垂直方向的空間利用率。存取物品不再依靠人力，箱斗通過自動認址存取物料，最大限度節省人力資源，之前8 人的工作崗位現在減少至2 人。全封閉的庫體滿足庫房物品防塵、防盜、防火的要求，存儲柜入口光電保護系統能在庫體運轉時確保工作人員和物品的安全。通過與企業ERP 連接，實現了網絡化管理共享數據，將多臺智能立體多元存儲柜聯網操作，同時進行貨物的存取、查找等操作，管理效率較以往大大提高。計算機數據庫管理庫存，報表統計及時準確，并采用員工卡掃描的方式確定出入庫器件責任人，實現了工具、器件管理的可追溯性，系統準確性提高到100%。

綜合以上表明，設計的智能立體多元存儲柜系統適合寶日希勒露天煤礦物資供應中心庫房存取零散配件，滿足了庫房倉儲智能化要求，可最大限度的節約人力資源，充分利用庫房空間，減少工人勞動強度，有效提高了存儲效率和倉儲管理水平。

6 結論

針對露天煤礦物資供應中心庫房零散配件存儲問題，設計了一種立體多元智能化的存儲柜系統，介紹了其系統結構組成和實現過程。經現場應用表明，智能化存儲柜系統能有效提高倉庫空間利用率和配件存儲效率，降低工人勞動強度，提高了露天煤礦物資供應中心倉儲智能化水平，該產品也可推廣應用于其他行業倉儲管理。