基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉儲設(shè)計

薛玉東，賀鵬飛，王中訓，趙守青，張建軍，張桐敬

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

倉儲作為制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等行業(yè)重要的一環(huán)，其智能化升級是構(gòu)建未來行業(yè)體系的關(guān)鍵。在智能化倉儲的研究中，有些學者從理論角度給出了智能化倉儲建設(shè)方案[1-4]；有些研究側(cè)重智能倉儲系統(tǒng)的具體應(yīng)用[5-9]。因為帶電作業(yè)工器具庫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)計可移動式庫房[10-11]、結(jié)合PLC 與組態(tài)軟件實現(xiàn)庫房溫度控制[12]、利用RFID 與射頻技術(shù)實現(xiàn)工器具管理信息化[13-14]，還有的學者從數(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)工器具智慧倉儲的研究已經(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)計的基于分布式控制系統(tǒng)的帶電作業(yè)工器具智慧倉儲系統(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、增強倉儲溫濕度的控制、提升作業(yè)運轉(zhuǎn)效率的效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧倉儲分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧倉儲分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

智慧倉儲分布式控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分為三個部分：倉儲調(diào)度系統(tǒng)、倉儲后臺管理系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)。

倉儲調(diào)度系統(tǒng)主要負責工器具出庫、入庫和盤點業(yè)務(wù)。調(diào)度系統(tǒng)通過集成AGV 接口、Windows Service、RFID 設(shè)備接口、電動感應(yīng)門等實現(xiàn)整個作業(yè)過程的智能化。

倉儲后臺管理系統(tǒng)的主要功能為實現(xiàn)庫房內(nèi)儲位、工器具等信息的數(shù)字化管理。除此之外，后臺管理系統(tǒng)還有盤點任務(wù)單生成，工器具盤盈虧調(diào)整，庫房信息導出等功能，便于操作人員對庫房信息進行整體把控。

溫濕度控制系統(tǒng)的主要功能是維持倉庫內(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)會根據(jù)溫濕度監(jiān)測值對倉庫內(nèi)除濕機、加熱器進行啟停控制，使得倉庫內(nèi)溫濕度的變化在允許范圍內(nèi)波動，滿足帶電作業(yè)工器具的存放要求。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

帶電作業(yè)工器具智慧倉儲的分布式控制系統(tǒng)與普通的智慧倉儲系統(tǒng)相比，首先是功能上更加齊全。在實現(xiàn)倉庫信息的數(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，減少了人為因素對倉儲的干擾，監(jiān)控了倉庫內(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。分布式架構(gòu)的設(shè)計保證當部分功能在出現(xiàn)意外情況時，其他功能可以正常運行，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)進行信息綁定，用戶能夠掌握倉庫內(nèi)固定資產(chǎn)的流轉(zhuǎn)情況。

整個倉庫根據(jù)功能劃分為三部分：倉儲區(qū)、控制室和緩沖區(qū)。倉庫地面按照網(wǎng)格形式劃分，在網(wǎng)格節(jié)點處設(shè)置有坐標二維碼。倉庫主體區(qū)域為倉儲區(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)正常運行。緩沖區(qū)與控制室之間的電動感應(yīng)門設(shè)置有信號阻斷層，作用是減小RFID天線對控制室操作員以及其他工器具的影響。AGV在倉儲區(qū)和緩沖區(qū)進行移動，倉庫設(shè)置有多臺AGV，提高作業(yè)效率的同時增大了系統(tǒng)容錯率。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 倉儲調(diào)度系統(tǒng)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，倉儲調(diào)度系統(tǒng)上位機程序采用C#編寫，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，AGV 采用海康威視Q3-600C 潛伏機器人，RFID 天線采用ZEBRA 的AN480，調(diào)度系統(tǒng)主界面如圖2 所示。

圖2 倉儲調(diào)度系統(tǒng)主界面

倉儲調(diào)度系統(tǒng)承擔整個倉儲系統(tǒng)中工器具的實物調(diào)度功能。以出庫為例，操作員進入控制室，操作工控機登錄調(diào)度系統(tǒng)，登錄后點擊“工具出庫”，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的任務(wù)單并下發(fā)給AGV，AGV 收到后前往指定坐標區(qū)域搬運工器具架，將工器具架運送至緩沖區(qū)感應(yīng)門一側(cè)后回傳到達信號。調(diào)度系統(tǒng)在收到信號后解除感應(yīng)門開關(guān)限制，操作員開啟感應(yīng)門后根據(jù)任務(wù)明細進行工器具拿取，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 信息進行核實并將任務(wù)單顯示到主界面，天線關(guān)閉。操作員確認后點擊返庫，AGV 執(zhí)行返庫，將工器具架移動到原位置，任務(wù)結(jié)束。整個作業(yè)環(huán)節(jié)簡潔流暢，AGV 任務(wù)狀態(tài)由多線程Windows Service 實時刷新抓取回傳，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)時主界面會顯示超期未歸還或者需要試驗與檢修的工器具明細，提示操作員及時處理。

2.2 倉儲后臺管理系統(tǒng)

倉儲后臺管理系統(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)進行訪問，保證安全性的同時提高系統(tǒng)使用的便捷性。倉儲后臺管理系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 倉儲后臺管理系統(tǒng)主界面

登錄后臺管理系統(tǒng)需要管理員創(chuàng)建的賬號，不同的賬號通過預設(shè)操作權(quán)限來展示頁面功能，系統(tǒng)的安全性和保密性進一步得到了加強。整個系統(tǒng)包括了系統(tǒng)管理、系統(tǒng)設(shè)置、基礎(chǔ)信息、報表中心、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。系統(tǒng)設(shè)置模塊的主要作用是為不同的賬號分配操作權(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)提供盤點任務(wù)單和盤點權(quán)限。報表中心模塊可以查看調(diào)度系統(tǒng)運行時生成的出入庫明細，可以將數(shù)據(jù)以EXCEL 表格形式導出或?qū)搿９芾硐到y(tǒng)還可以查看溫濕度控制系統(tǒng)運行工況，瀏覽溫濕度實時數(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量并回傳數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)以可視化形式進行頁面顯示；二是利用硬件設(shè)備進行倉庫內(nèi)溫濕度自動調(diào)節(jié)。

操作員輸入賬號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、準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)備均布置在倉儲區(qū)，并通過485 通信連接工控機，溫濕度控制系統(tǒng)使用可控式電源開關(guān)控制設(shè)備運轉(zhuǎn)。庫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，加強了系統(tǒng)對于倉庫環(huán)境的把控。溫控系統(tǒng)設(shè)置有聲光報警功能，當溫濕度超出可控范圍后會自動觸發(fā)報警，提高了倉儲的安全性。

3 系統(tǒng)測試

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

表1 分布式控制系統(tǒng)帶電作業(yè)工器具庫房測試

依據(jù)上表的測試結(jié)果可以看出，分布式智慧倉儲庫房相比傳統(tǒng)的智能管理庫房具備極大的優(yōu)勢，分布式控制管理系統(tǒng)采用了分布式處理，各個系統(tǒng)之間既相互關(guān)聯(lián)又能單獨承擔某一部分功能，使得系統(tǒng)整體更加穩(wěn)定；AGV 的引進避免了人為因素對倉庫內(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，延長了工器具的使用壽命。最終達到了降低運營、維護、損耗成本，提升效率、信息透明度和庫房安全等級的效果。

4 結(jié)束語

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