基于分布式控制系統的帶電作業工器具智慧倉儲設計

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.華能山東煙臺發電有限公司煙臺發電廠，山東煙臺 264002）

倉儲作為制造業、服務業等行業重要的一環，其智能化升級是構建未來行業體系的關鍵。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方案[1-4]；有些研究側重智能倉儲系統的具體應用[5-9]。因為帶電作業工器具庫房具有的特殊性與專業性，智能化改造的研究較少，目前的研究方向主要有設計可移動式庫房[10-11]、結合PLC 與組態軟件實現庫房溫度控制[12]、利用RFID 與射頻技術實現工器具管理信息化[13-14]，還有的學者從數字孿生角度出發，分析了帶電作業工器具全生命周期管理方法[15-16]。綜上，帶電作業工器具智慧倉儲的研究已經展開，但軟件系統功能不全面、人為干擾影響大、溫濕度控制與工器具監管結合差等問題仍有待解決。

該文設計的基于分布式控制系統的帶電作業工器具智慧倉儲系統，在滿足帶電作業工器具存放要求的基礎上，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、提升作業運轉效率的效果。

1 系統架構

智慧倉儲分布式控制系統架構如圖1 所示。

圖1 智慧倉儲分布式控制系統架構

智慧倉儲分布式控制系統的整體架構根據業務邏輯分為三個部分：倉儲調度系統、倉儲后臺管理系統和溫濕度控制系統。

倉儲調度系統主要負責工器具出庫、入庫和盤點業務。調度系統通過集成AGV 接口、Windows Service、RFID 設備接口、電動感應門等實現整個作業過程的智能化。

倉儲后臺管理系統的主要功能為實現庫房內儲位、工器具等信息的數字化管理。除此之外，后臺管理系統還有盤點任務單生成，工器具盤盈虧調整，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。

溫濕度控制系統的主要功能是維持倉庫內溫濕度的恒定。由于帶電作業工器具的特殊性，它的保存具有明確的溫濕度范圍。溫濕度控制系統會根據溫濕度監測值對倉庫內除濕機、加熱器進行啟停控制，使得倉庫內溫濕度的變化在允許范圍內波動，滿足帶電作業工器具的存放要求。

2 系統實現

帶電作業工器具智慧倉儲的分布式控制系統與普通的智慧倉儲系統相比，首先是功能上更加齊全。在實現倉庫信息的數字化與可視化基礎上，該系統優化了業務邏輯，減少了人為因素對倉儲的干擾，監控了倉庫內部溫濕度，為工器具的存放提供了適宜環境；其次是系統穩定性強。分布式架構的設計保證當部分功能在出現意外情況時，其他功能可以正常運行，防止了雪崩式的系統故障的發生；最后是系統的精確性高，每一件工器具都通過RFID 技術進行信息綁定，用戶能夠掌握倉庫內固定資產的流轉情況。

整個倉庫根據功能劃分為三部分：倉儲區、控制室和緩沖區。倉庫地面按照網格形式劃分，在網格節點處設置有坐標二維碼。倉庫主體區域為倉儲區，該區域存放工器具架及工器具。工器具架根據存取工器具種類的不同和作業相關性進行定制，能夠提高工器具的存取速度；控制室內有工控觸摸屏電腦，操作員通過觸摸屏電腦進行任務下發；緩沖區設置目的是便于操作員與AGV 之間進行工器具的交接。緩沖區的不同位置安裝有四部RFID 感應天線，保證感應系統正常運行。緩沖區與控制室之間的電動感應門設置有信號阻斷層，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在倉儲區和緩沖區進行移動，倉庫設置有多臺AGV，提高作業效率的同時增大了系統容錯率。各區域均設置門禁系統，一般情況下不能夠相互流通。

2.1 倉儲調度系統

根據業務需求，倉儲調度系統上位機程序采用C#編寫，系統采用C/S 架構，AGV 采用海康威視Q3-600C 潛伏機器人，RFID 天線采用ZEBRA 的AN480，調度系統主界面如圖2 所示。

圖2 倉儲調度系統主界面

倉儲調度系統承擔整個倉儲系統中工器具的實物調度功能。以出庫為例，操作員進入控制室，操作工控機登錄調度系統，登錄后點擊“工具出庫”，選擇作業任務，系統根據作業任務中包含的工器具種類生成帶有具體坐標的任務單并下發給AGV，AGV 收到后前往指定坐標區域搬運工器具架，將工器具架運送至緩沖區感應門一側后回傳到達信號。調度系統在收到信號后解除感應門開關限制，操作員開啟感應門后根據任務明細進行工器具拿取，完成后操作員關閉感應門，調度系統開啟RFID 天線，獲取工器具RFID 信息進行核實并將任務單顯示到主界面，天線關閉。操作員確認后點擊返庫，AGV 執行返庫，將工器具架移動到原位置，任務結束。整個作業環節簡潔流暢，AGV 任務狀態由多線程Windows Service 實時刷新抓取回傳，調度系統作為主體統籌AGV、RFID 天線、感應門等設備，操作員只需要操作調度系統即可實現工器具調度。除調度功能外，調度系統還具有異常信息提示功能，操作員登錄系統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

倉儲后臺管理系統主體為B/S 架構，由C#語言編寫，采用VisualStudio 編譯。管理系統通過內部局域網進行訪問，保證安全性的同時提高系統使用的便捷性。倉儲后臺管理系統主界面如圖3 所示。

圖3 倉儲后臺管理系統主界面

登錄后臺管理系統需要管理員創建的賬號，不同的賬號通過預設操作權限來展示頁面功能，系統的安全性和保密性進一步得到了加強。整個系統包括了系統管理、系統設置、基礎信息、報表中心、業務功能五大模塊。系統管理的主要作用是新建、修改與刪除登陸賬號。系統設置模塊的主要作用是為不同的賬號分配操作權限。基礎信息模塊為調度系統提供數據支持。業務功能模塊為調度系統提供盤點任務單和盤點權限。報表中心模塊可以查看調度系統運行時生成的出入庫明細，可以將數據以EXCEL 表格形式導出或導入。管理系統還可以查看溫濕度控制系統運行工況，瀏覽溫濕度實時數據或歷史信息等。

2.3 溫濕度控制系統

溫濕度控制系統硬件包括中央空調、溫濕度傳感器、加熱器、除濕機等，系統主界面如圖4 所示。

圖4 溫濕度控制系統主界面

溫濕度控制系統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據，同時將數據以可視化形式進行頁面顯示；二是利用硬件設備進行倉庫內溫濕度自動調節。

操作員輸入賬號登錄溫濕度控制系統，傳感器采集的數據通過工控機設置的虛擬串口傳輸到溫濕度控制系統，保證操作員能夠及時、準確地掌握溫濕度變化情況。溫控系統下轄的所有調節設備均布置在倉儲區，并通過485 通信連接工控機，溫濕度控制系統使用可控式電源開關控制設備運轉。庫房溫濕度可以通過系統設定溫濕度區間間接調整，也可以通過系統直接控制設備開關直接調整，加強了系統對于倉庫環境的把控。溫控系統設置有聲光報警功能，當溫濕度超出可控范圍后會自動觸發報警，提高了倉儲的安全性。

3 系統測試

基于分布式控制系統的帶電作業工器具智慧倉儲系統的測試結果如表1 所示。

表1 分布式控制系統帶電作業工器具庫房測試

依據上表的測試結果可以看出，分布式智慧倉儲庫房相比傳統的智能管理庫房具備極大的優勢，分布式控制管理系統采用了分布式處理，各個系統之間既相互關聯又能單獨承擔某一部分功能，使得系統整體更加穩定；AGV 的引進避免了人為因素對倉庫內部環境帶來的破壞；溫控系統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 結束語

基于分布式控制系統的帶電作業工器具智慧倉儲研究解決了智慧倉儲實現過程中環境不穩定、固定資產難追溯、人為干擾嚴重等問題，測試結果證明了該系統的建設可行性和使用穩定性，也為智慧倉儲的發展提供了更加完備的建設思路和建設模式。