智能立体多元存储柜系统的设计与应用

2023-02-22陈占国孙兆盛薛晨霞李卫东

物流科技 2023年3期

陈占国，孙兆盛，薛晨霞，邢勇，李卫东

（国能宝日希勒能源有限公司物资供应中心，内蒙古海拉尔 021025）

0 引言

随着互联网和信息技术的不断进步和发展，现代供应链体系也逐步走上了智能化的发展道路，物资采购、仓储管理、使用者三方以智能化技术手段为纽带构建起更加紧密快捷的联系[1-3]，仓储管理作为供应链体系的重要环节也在不断提升智能化水准[4-5]。现阶段人工智能、物联网以及大数据技术已经日趋成熟，在各个行业都得到了广泛应用，也极大助力了仓储管理的智能化进程[6-7]。仓储管理作为露天煤矿物资采购和一线生产的中转站，在整个露天煤矿的生产运行中扮演着十分重要的角色[8]。传统的物资供应仓储管理采用人工方式，零小配件、工具查找不方便，仓库空间利用率低，物品难于管理易丢失等问题十分突出，虽然占用大量人力资源，但仓库的存储效率并不高。借助搭建的完整智能化仓储管理系统必将有效提高露天煤矿仓储存储效率，增加仓储物资配置灵活性，同时可节约大量运营管理成本[9]。

目前，露天煤矿仓储管理在智能化方面仍然比较欠缺，随着建设智慧矿山要求的提出，智能化仓储管理系统的建立对于露天煤矿智能化进程显得越发重要。鉴于此，笔者针对国能宝日希勒露天煤矿物资供应中心库房零散配件存储方法的现状和实际需求，设计了一种立体多元智能化的存储柜系统，采用优化算法迅速确定最佳路径，缩短存取时间。其码盘认址系统以箱斗为认址单元，且与企业ERP 连接完成网络化管理共享数据。将系统应用于宝日希勒露天煤矿物资供应中心，以期提高物资供应中心的仓储智能化水平。

1 智能存储柜系统结构

智能存储柜外形尺寸为3 200mm（长）×1 950 mm（宽）×7 400mm（高），整机可承载质量16 000kg。存储柜箱斗形式为A型箱斗单箱承载500kg，采用链式传动垂直回转，全封闭设计，外形尺寸为2 500mm（长）×510mm（深）×400（高）mm。共配置32 个箱斗，每箱斗设置一个固定竖隔板，共计可存放超过2 400 件各个品类物资。整机采用模块式组合结构，板材采用优质冷轧钢材。主体框架的材质采用优质异型钢材，要求能承受所载物体的重量，机械运转稳定可靠。设备的传动件、紧固件及其它零部件均采用优质材料制造。所有链轨组合链轮齿面经过高频淬火。导向装置要求使用优质钢材制造，可确保运行机构长久可靠运行。

智能立体多元存储柜系统主要由主体框架、可移式箱斗、驱动系统、传动系统、工作平台、蒙皮、控制系统、计算机管理系统、监控系统等部分组成。

（1）主体框架

智能立体多元存储柜主体框架是连接主导轨、副导轨、三角支臂主驱动轴、可移式箱斗及安装固定电机及相关辅件的受力载体。主体框架的材质选用优质异型钢材（Q235）组合而成。框架的截面尺寸为80mm×80mm×4mm 方钢管骨架，底盘、侧壁承重钢板厚度为10mm。

（2）可移式箱斗

可移式箱斗不但是物品的存储单元，也是主要的载重单元。可移式箱斗内可根据存放物品的形状变化配装各类不同的工位器具盒或配置可调式隔板、档板及相关的定位器具，保证物品器具达到最佳的存放状态。可移式箱斗的结构设计具有较强的抗挠、抗扭能力。箱斗的内外表层采用先进的高压静电喷涂技术，使产品的耐磨力更好，抗腐力更强。

（3）驱动系统

驱动系统是智能立体多元存储柜的动力源。由三相驱动电机与减速器组合而成，拖动传输链条使箱斗按设定程序有序运转。驱动系统可根据载荷的变化配置软启动装置，用来克服瞬间启动时对链条产生的冲击，同时也大大降低了启动噪声。

（4）传动系统

传动系统是由链条、链轮、传动轴、导向轮、导向支臂、主导轨、副导轨、三角支臂、连接盘等相关辅件的有机组合构成。主导轨是在驱动系统作用下的辅助传动系统，驱使三角支臂与副导轨配合使箱斗按设定的运动轨迹位移，传动速度为4～7m/min。

（5）工作平台

工作平台是操作员工作台，也是入/出物资的缓冲台，采用优质不锈钢材料（AISI201），防磕碰耐腐蚀。

（6）蒙皮

蒙皮为智能立体多元存储柜的外体，是整机的外包装和保护层。蒙皮由厚度为1.2mm 优质冷轧钢板（Q235）轧制而成，其表面除了要进行经磷化处理，还要采取高压静电喷涂。蒙皮对整机的内脏及存贮的物品起着保护作用，减轻物品的污染和损坏并可有效降噪。

（7）拉门：取货口采用上下对开门方式，开启方便故障少，考虑夜间取货门上配有照明装置。

2 存储柜控制系统

2.1 系统结构形式

智能存储柜的控制系统选择了SIEMENS 的PLC（S7-200）作为系统的核心，其人机界面主要通过SIEMENS 触摸屏。控制系统引入了最先进的现场总线技术，能够高效监控主机与PLC 间的数据传输，使系统的整体性能及可靠性大大提高。为了保障存取零小配件的安全可靠，智能立体多元存储柜配备有入口安全保护装置，当工作人员向系统下达运行指令后，系统会自动检测所存器具的状态，发现器具尚未归位彻底则不能运行，并发出报警提示工作人员。存储柜控制系统具备货位指示系统，当与管理监控系统连接时能够接受管理监控系统信息指示货物存储位置。控制系统的结构示意如图1 所示。

图1 智能存储柜控制系统结构组成

2.2 控制系统工作方式

（1）联机模式

控制系统的主要工作方式为联机模式，管理计算机首先对下位机的健康运行状态进行判断。若监测到下位机健康运行，就会向PLC 发出运行、存取等指令，同时传输物品的详细分拣信息。而PLC 一旦识别指令就会快速反应，把物品的相关分拣信息在人机界面显示出来，借助优化算法确定最短路径迅速运行至指定货位，然后等待工作人员对物品的下一步操作。工作人员按照所显示的物品分捡信息来完成物品的存取操作，之后按下系统的应答按钮，指示上位机操作已经完成，监控计算机则更改数据记录，并开始新的指令发送。在PLC 运行过程中上位机会持续监视PLC 的运行状况，将监测的系统信息显示给工作人员。控制系统人机界面如图2 所示。

图2 控制系统人机界面

（2）单机自动

在和管理上位机断开未接入的工作状态下，主要是通过单机自动工作方式，而且与监控机联机时也是建立在单机自动的基础上的。在此种状态下，工作人员可以在人机界面上的设定层位置自行输入目的层号，然后点击运行按钮，PLC 仍然会快速确定最短路径迅速运行至指定货位，然后等待工作人员对物品的下一步操作，人机界面自动显示相应的位置信号。

（3）手动模式

在手动工作状态下，工作人员可通过操控控制面板上的左、右移开关就能实现向左或向右移动。当到达目的位置后将开关恢复原位，系统将停止运行。

（4）调试状态

当系统处于调试状态时能够按照预先调试目的设置存储柜系统所需要的详细运行参数，一旦完成参数设置系统就会进行检测并保存相关设置。

3 计算机管理系统

智能存储柜管理信息系统用于库房物品的在库管理，涵盖了物品的出库、入库以及所存物品的查询统计。单机智能立体多元存储柜提供100M 以太网接口，可以与计算机等外围设备联接，网络上的其他计算机可远程控制智能立体多元存储柜及查询库内存储信息。

3.1 ERP 接口

管理系统采用网络数据库，数据库权限和结构可以开放给ERP，ERP 系统可读取本库库存内容作为ERP 的基础数据，经与ERP 厂家协商建立数据接口后，可与ERP 进行连接。管理系统与国能宝日希勒能源有限公司上层管理系统（ERP 系统）可在通讯协议下实现无缝对接。管理系统与物资供应中心原有库房管理软件（WMS）兼容，可转移原有数据并能涵盖原有功能。

WMS 与用户ERP 软件的接口方式通过双方根据约定流程修改中间数据表或者XML 数据文件来实现，ERP的中间数据表由用户方负责完成，库房出入库计划和操作由WMS 实现管理，同时将货物出入库信息反馈给ERP 实现记帐变更。软件报价支持以下信息交换界面形式或类似模式，WMS 系统将在此形式上实现与企业ERP 的连接。ERP 数据业务接口结构如图3 所示。

图3 ERP 数据业务接口

（1）入库单处理接口

从上层业务系统（ERP 系统）中接收入库信息列表，转换成入库计划单，并依据入库计划单据进行货盘入库，然后自动生成入库单据，把实际收货数据反馈给上层业务系统。

（2）出库单处理接口

从上层业务系统（ERP 系统）中接收出库信息列表，转换成出库计划单，并依据出库计划单据进行出库，然后自动生成出库单据，把实际出库数据反馈给上层业务系统。

3.2 管理系统结构

整体上管理信息系统仍然属于经典的管理、监控和设备控制三层结构，如图4 所示。在出入库站及监控站上分别安装了不同的软件可以执行不同的任务，具体说明如下：

图4 管理系统结构

（1）服务器：将数据库软件安装于服务器上，主要承担物品、用户、人员等相关信息的存储任务。

（2）管理监控站：将客户端软件安装在管理监控站上，主要承担物品的出库、入库、查询、统计、盘库、打印等相关任务。此外还用于物品出入库任务信息的接收，将信息处理后联网上传至相应设备上，并通过网络采集设备信息对设备进行实时监控。

3.3 主要模块功能

（1）信息维护与管理

具有将用户提供的基础数据信息导入后台数据库的人机界面窗口。可根据人员的职责，分配不同的账号、密码以及不同的系统使用权限，将相应项目和托盘绑定，实现分级操作。

（2）物品、存储管理

可维护所有物品的相关信息，包括物料名称、物料编号、物品种类、单价、供应商、计量单位、数量、存放时间、物品图像、对应图纸等。支持手工输入、EXCEL 表导入两种方式，方便管理人员操作。可实现库房货区的划分与设置、货位的设置。

（3）货位、货区划分

进行货位的设置主要结合库房的实际物理参数，如按层、货格等把各个存储单元的位置赋予编号，形成货位编码。针对存储位置的实际使用情况将一组货位编码组合为逻辑上的一个存储区，用于存放不同类别的零配件，分配给不同的工作人员取用，此外还能够设置货区的操作权限，实现不同操作权限的人使用不同货区的目的。

（4）入库订单管理

可定制各种入库单据，支持人工录入、导入数据或从企业ERP、MES 读取数据，支持批次、订单化管理。完成到货的清点、物品基本信息录入、条码扫描，最后完成物品信息与货位信息的绑定。系统根据货区划分原则、货位优先级生成每个货位的货位号，从而实现了货位信息与物品信息的绑定并更新库存。库存物品入库界面如图5 所示。

图5 库存物品入库界面

（5）出库订单管理

主要完成出库订单信息的建立，目标货位的出库任务的生成及物品拣选。定制各种出库单据，支持人工录入或从企业ERP、MES 读取数据，如物品信息、出库单和人员信息等，支持批次、订单化管理。库存物品出库界面如图6 所示。

图6 库存物品出库界面

（6）库存管理

包含数量低限提示、限时提示、空闲货位提示等，可以根据物品存放需求，实现对每种物品设置库存数量低限、存放有效期等参数的设置，具备自动报警功能。存放物品时可提示优先空闲空间。

（7）盘点管理

能够完成库房内所存物品的定期盘点任务，以对历史库存信息进行校验。根据物品的数量、单价、供货商和货位多种形式进行盘点，方便日后采购和成本核算。

（8）系统报警功能

系统会对库存信息进行周期性检查，将检查数据与系统所设各类参数值比较，对溢出标准值的参数会通过显示警告框来警示工作人员。例如库存量上/下限报警、存留超时报警等。

4 计算机监控系统

计算机监控系统能够实现智能立体多元存储柜的实时监控。根据管理软件自动分配好的作业地址信息，依据运行时间最短、作业间的合理分配等原则对作业顺序进行优化排定，数据处理后向智能存储柜的控制器分发作业命令。系统实时接收控制器的信息反馈并对主要设备的运行位置、作业状态、货位占位情况以及运行故障等状态信息进行动态显示。主要功能如下：

（1）接收出入库任务信息：将物品的出入库信息处理分解排序，然后向智能存储柜系统发送任务指令，同时对任务具体实施状态跟踪显示。

（2）历史记录查看：查看设备运行的历史记录，提供设备故障报警并显示故障信息。

（3）任务分解与处理：将任务分解上传至网络，然后等候相关自动化设备对任务的下一步处理，在处理本次出入库任务时，对上次未完成的出入库任务给出提示和处理的选择。

（4）手动调整联机队列：当联机队列形成之后，可以对其进行调整从而达到货物的预先出/入库目的。根据货物的存储位置、生产批次、入库时间等参数、设置出入库联机队列的优先权。

（5）设备监控与显示：对设备的运行情况进行实时监控，监控智能立体多元存储柜的站号、当前层、故障、光电报警、变频报警、急停状态等。显示系统的工作方式、显示系统的作业类型、显示作业地址和当前位置、显示系统作业以及设备通讯状态。

5 应用结果及分析

通过将智能立体多元存储柜系统在国能宝日希勒露天煤矿物资供应中心3 号库房进行应用，可以完成智能化存取配件，箱斗通过最优路径的选取，快速将货物送至存取货口，相比以往人工存取操作简单快捷，最大限度的节省取送货物时间，用时缩短了3～5倍。而且智能立体多元存储柜节约占地面积，提高了库房垂直方向的空间利用率。存取物品不再依靠人力，箱斗通过自动认址存取物料，最大限度节省人力资源，之前8 人的工作岗位现在减少至2 人。全封闭的库体满足库房物品防尘、防盗、防火的要求，存储柜入口光电保护系统能在库体运转时确保工作人员和物品的安全。通过与企业ERP 连接，实现了网络化管理共享数据，将多台智能立体多元存储柜联网操作，同时进行货物的存取、查找等操作，管理效率较以往大大提高。计算机数据库管理库存，报表统计及时准确，并采用员工卡扫描的方式确定出入库器件责任人，实现了工具、器件管理的可追溯性，系统准确性提高到100%。

综合以上表明，设计的智能立体多元存储柜系统适合宝日希勒露天煤矿物资供应中心库房存取零散配件，满足了库房仓储智能化要求，可最大限度的节约人力资源，充分利用库房空间，减少工人劳动强度，有效提高了存储效率和仓储管理水平。