智能天车物流管理系统的设计

张 红

(湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006)

智能天车物流管理系统的设计

张 红

(湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006)

针对天车作业过程中出现的无法实时定位与跟踪物料的问题, 提出了一种基于电磁感应技术的天车定位解决方案, 实时计算物料的x、y、z轴空间位置, 通过工业无线局域网将空间坐标上传到上位机进行处理, 达到实时跟踪物料位置和状态的目的; 另外, 应用PDA设备上传和下达生产数据, 实现地面与中控之间的通信, 指挥天车作业.

天车; 物流; 电磁感应; 自动定位

引言

在现代物流生产、仓储过程中, 往往采用天车调运大型部件入库、出库和生产转运[1]. 传统管理模式是操作工在地面工作人员的配合下直接操作调运设备进行装卸, 地面人员事后记录和管理库房中物料.由于采用人工或半人工管理方法, 必然导致人为事故的出现, 影响来料验收、加工生产、下线和发货等工作. 因此, 传统仓储业向现代物流转换, 应考虑如何提升仓库装卸及收、发、管的自动化和智能化[2].

1 相关工作

智能天车物流管理系统目前主要采用的技术有天车位置检测技术、计算机技术和网络通信技术. 现有技术中, 对于天车的定位和库位管理, 通常是使用人工手动操作. 如果采用人工手动操作则定位操作难度大, 对操作人员的技术水平和素质要求高, 定位精度差, 因无位置检测, 所以也无目标定位操作值, 人工操作往往需要几次操作才能达到定位; 另外也易出现误操作, 造成安全事故[3]; 网络通信一般采用有线固定网络, 由于是立体仓库, 一般天上与地面无法布线, 因此不能即时通信, 调度人员很难判断天车即时状态, 影响调度和指挥. 另外, 物料库位信息量非常大, 人工进行库区数据管理造成工作强度大, 也易于造成库区物料数据错误. 文献[4]详细阐述了一种用于自动存取的立体仓库控制系统, 其主要有电机传动控制模块、定位模块、自适应模块和自动称重等功能模块, 可实现计算机对立体仓库的库位进行实时控制,并具备较高的控制精度和性能. 但其存在以下缺点: (1)定位功能是二维定位, 不能实现立体定位; (2)不能自动检测位置, 需要人工输入; (3)只能通过有线网络实现地面固定节点的通信, 一些不适合或比较困难布线的地方会出现网络盲区[5～7].

为实现对移动机车、天车和立体库位等复杂要素构成的仓库进行有效管理, 本文提出并设计了天车物流管理系统, 实现立体的网络全覆盖, 实现动态节点(如移动机车和移动设备)、天车、中控室和地面调度员之间的实时通信, 可以对库区部件位置信息自动记录和跟踪; 采用高精度的立体位置检测功能, 从而确定调运部件的实时位置信息(x坐标、y坐标和z坐标), 在此基础上实现自动定位和自走功能; 根据目标库位位置信息, 系统控制天车走行方向、速度、起吊和放吊时机, 从而满足钢铁厂大型天车物流调度运输需求.

2 系统结构设计

天车物流管理系统采用工业无线局域网通信技术进行数据交换与控制, 采用感应无线编码电缆技术,检测库房天车地址, 控制天车自动走行, 定位库房每个分区及物料的实际位置. 在物料入库、上线、下线、出库、倒库作业过程中用无线数据采集器采集数据, 实时将物料的数据信息传送给服务器; 同时系统自动形成计划及目标位置并发送给天车, 天车上触摸屏与语音器提示天车工作人员进行作业, 服务器实时监控天车作业, 记录天车作业结果, 完成对库房的每个原料信息的跟踪及位置的定位, 对库房中的原料能在任一时间知道其所在的位置, 对库房进行优化管理, 能随时对库房库存进行查询及自动生成库房作业的班组、日、月、年报表.

智能天车物流管理系统由硬件子系统、上位机数据处理子系统、PDA数据采集子系统和自动化控制子系统四部分构成,如图1所示. 硬件子系统负责位置检测、物重检测、数据传输等功能; 自动化控制系统主要完成天车的x、y、z轴地址以及车上信号采集, 控制天车自动走行, 显示计划给天车司机; PDA数据采集子系统负责采集生产现场数据(如吊运计划、验收和物料数据等), 并通过工业无线通信网络与上位机数据处理子系统通信; 上位机数据处理子系统是本系统的中枢, 负责接受和处理从PDA和PLC采集过来的数据, 并将处理结果反馈给控制子系统和PDA子系统.

上位机数据处理子系统将计划、钢卷信息、目标地址发给自动化控制子系统, 读取自动化控制子系统获取的的地址、信号、物重等信息来判断天车吊物, 通过报文方式接收PDA数据采集子系统采集的信息;另外, 系统对外部ERP系统预留接口, 如图2所示.

图1 天车物流管理系统结构

图2 各子系统关系图

本系统对外预留ERP接口CTMS_ERP_INTERFACE, 实现与ERP系统按照数据交换协议交换数据.交换数据采用视图方式, 包括 ERP提供的来料信息、上线计划、下线计划、出库计划和库存信息, 并向ERP提供动作数据和位置数据.

数据交换协议及内容定义: Acknowledge: 回复报文; HealthCheck: 心跳电文; MaterialMovement: 物料移动电文; MaterialMovementRequest: 物料移动请求电文.

心跳电文约定: TCP/IP连接本身有间断的特点, 它是由路由进行一个激活的过程. 在上一个连接到下一个连接建立时会在这个中间有一个间隙(grap). 如果报文在这个 grap中发送, 报文就有丢失的可能. 为了消除这个grap, 每隔一分钟发送一个HealthCheck报文. 发送时只要发一个报文头就可以.

系统内部接口主要有: 上位机数据处理子系统与自动化控制子系统数据交换接口以及PDA数据采集子系统与上位机数据处理子系统之间的接口.

3 功能设计

3.1 上位机数据处理子系统

上位机数据处理子系统功能包括: 监控库房天车、钢卷的起吊放吊以及库存变化; 对 PDA录入的钢卷信息处理、保存、管理; 库存信息的查询、统计与报表; 天车起吊、放吊判断以及位置计算.

(1) 起吊判断

系统定时读取PLC内检测到的天车物重信息(250毫秒), 结合物重判断参数以及天车位置及库房布局等多方面因素, 得出天车是否起吊的结果.

(2) 放吊判断

系统定时读取PLC内检测到的天车物重信息(250毫秒), 结合物重判断参数以及天车位置及库房布局等多方面因素, 得出天车是否放吊的结果.

(3) 位置判断

系统定时读取PLC内检测到的天车位置信息(250毫秒), 结合库房布局, 得出天车当前所处的用户可识别的位置.

(4) 原料入库

主要包括请求来料入库、入库计划修改、起吊确认等功能.

(5) 上线处理

主要包括请求上线计划管理、上线计划修改和起吊确认等功能.

(6) 下线处理

主要包括请求下线计划管理、下线计划修改、起吊确认和放吊确认功能.

(7) 出库处理

包括请求出库计划管理、出库计划修改、出库起吊确认和出库放吊确认管理功能.

(8) 动画功能

主要是采用动画将天车、物料当前状态实时显示起来.

3.2 PDA数据采集子系统

主要通过PDA设备实现现场数据的采集、上传和下载管理功能.

(1) 原料入库

读取完成来料信息表的原料信息, 原料入库时选择或录入数据, 发送计划给天车, 对天车起吊和放吊人工确认.

(2) 成品下线

读取下线计划表中计划, 下线时选择或录入数据, 发送计划指挥天车作业, 对天车起吊和放吊人工确认.

(3) 计划查询

查询库存里的钢卷信息; 上线、出库时选择或输入钢卷信息, 发送计划指挥天车作业, 对天车起吊和放吊人工确认.

(4) 库存核查

跟据服务器生成的需求核查表、定期核查表对库存中的物料进行核查确认.

3.3 自动化控制子系统

PLC是整个控制系统的核心模块, 主要完成地址信号的采集、自动走行的控制、语音器的控制、触摸屏的控制、人机数据交换、天车工作状态的采集, 与上位机进行数据交换; ACS系统在PLC的控制下, 进行有序的工作.

1) 主控模块

程序流的控制, 根据时序要求控制调用各子程序.

2) PLC采集数据处理

准备送给上位机的数据, 包括地址, 物重信号的采集.

3) 检测y轴地址及地址计算

检测y轴模拟值和格雷码并计算处理y轴地址.

4) x、y、z轴自动走行

x、y、z轴自动走行的进入、速度方向判断、刹车及控制.

5) x1x2并行查询读地址及地址判定

根据车上地址检测器送来的数据分时检测x1x2轴的地址.

6) 触摸屏数据交换

处理触摸屏动画, 把上位机发送的一些信息处理后在触摸屏上显示出来. 触摸屏动作信号处理后送给上位机.

3.4 硬件子系统

硬件子系统由中控室单元、天车单元和地面单元三大模块组成, 各单元通过AP接入无线局域网, 中控单元通过有线网络接入企业内部局域网.

(1) 中控室单元

中控室单元由两台IBM服务器(一台服务器作为工作服务器, 另外一太作为冗余服务器使用)、一台交换机和一台无线路由器组成.

工作服务器与每台车上的PLC、其它客户端及无线输入设备进行通讯和数据交换. 冗余服务器可对数据进行备份, 也可在工作服务器出现故障时, 转换为工作服务器, 替代原工作服务器进行工作.

通过交换机实现与其它系统及无线路由组成的无线局域网相连. 无线路由器实现与其它无线路由及无线AP组成无线局域网.

(2) 车上单元

车上单元包括无线硬件接口、触摸屏、车上控制柜和编码电缆组成.

✧ 无线硬件接口

采用SCALANCE W744作为无线局域网的客户端, SCALANCE W788作无线连接, PLC通过它们组成的无线局域网与上位机之间进行通信.

✧ 触摸屏

触摸屏连接车上控制柜的PLC, 用于显示库区动画、作业计划及其它数据.

✧ 车上控制柜

PLC采用 S7-226+EM221+CP243-1, 地址检测器检测x、y轴地址, 信号发生器对y轴发送信号, 旋转编码器进行z轴位置检测, 物重检测装置检测物重信号.

✧ 编码电缆

包括x轴方向编码电缆(车上检地址)和y轴方向编码电缆(地上检地址), 起到标尺的作用.

✧ 天线箱

包括x轴方向编码电缆车上检地址天线箱和y轴方向编码电缆地上检地址天线箱, 用于发送和接收信号.

✧ 控制柜

x轴方向电缆信号发送控制柜.

4 结束语

天车物流管理系统已经应用到非常多的产业领域, 如钢铁、煤炭、焦化和港口等[8], 能准确定位物流,跟踪物流运转状态, 具有实时性、精确性和方便性等特点. 本文将系统应用到了钢铁厂钢卷的运输管理中,起到了非常好的效果, 相对传统的管理模式, 减少了人工参与, 消除了物料丢失的现象, 实现了物料吊运自动化和智能化, 打通了与ERP系统之间的信息通道, 能有效促进企业转型升级.

[1] 王铄生. 炼钢生产过程物流调度与优化项目研究[D]. 石家庄: 河北科技大学硕士学位论文, 2010

[2] 张明川, 韩建松, 吴庆涛. 自控天车定位精度的研究与实现[J]. 计算机工程与应用, 2010, 46(15): 218～221

[3] Shi Y, Eberhart R. Fuzzy adaptive particle swarm optimization[C]. Proc Congress on Evolutionary Computation, Seoul, Korea, 2001:101～106

[4] 易芸芸. 基于PLC的立体仓库控制系统设计[J]. 国内外机电一体化技术, 2008, (5): 36～38

[5] 何留杰, 李 静. 基于计算机的天车物流管理系统设计[J]. 物流技术, 2012,7(262): 398～401

[6] 催 健, 朱立新. 宝钢纯净钢生产技术的进步[J]. 中国工程科学, 2005, 6(2): 12～16

[7] 孙永权. 无线数据通信技术在宝钢一炼钢行车的应用[J]. 现场总线与网络技术, 2004, 4(3): 23～25

[8] 朱小英. 钢厂板坯贮运无线调度系统的研制[D]. 南京: 东南大学硕士学位论文, 2007

Design of Intelligent Crane Logistics Management System

ZHANG Hong
(College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

According to the problem that the material can not be located and tracked by the crane, the paper proposes a Crane positioning solution based on electromagnetic induction technology, calculates material space x, y, z axis, and uploads space coordinates to PC for processing by industrial wireless local area network (WLAN), and achieves the purpose of real-time tracking material position and status; In addition, this paper uses PDA to upload and download the production data, to realize communication between ground and control.

crane; logistics; electromagnetic induction; automatic positioning

TP273

A

1672-5298(2014)04-0028-05

2014-10-11

湖南省科技计划项目(2014GK3025)

张 红(1959− ), 女, 湖南岳阳人, 湖南理工学院计算机学院高级实验师. 主要研究方向: 物流技术, 智能计算