基于分布式控制系统的带电作业工器具智慧仓储设计

2023-12-18薛玉东贺鹏飞王中训赵守青张建军张桐敬

电子设计工程 2023年24期

薛玉东，贺鹏飞，王中训，赵守青，张建军，张桐敬

（1.烟台大学物理与电子信息学院，山东烟台 264005；2.中科新智软件有限公司，山东烟台 265500；3.华能山东烟台发电有限公司烟台发电厂，山东烟台 264002）

仓储作为制造业、服务业等行业重要的一环，其智能化升级是构建未来行业体系的关键。在智能化仓储的研究中，有些学者从理论角度给出了智能化仓储建设方案[1-4]；有些研究侧重智能仓储系统的具体应用[5-9]。因为带电作业工器具库房具有的特殊性与专业性，智能化改造的研究较少，目前的研究方向主要有设计可移动式库房[10-11]、结合PLC 与组态软件实现库房温度控制[12]、利用RFID 与射频技术实现工器具管理信息化[13-14]，还有的学者从数字孪生角度出发，分析了带电作业工器具全生命周期管理方法[15-16]。综上，带电作业工器具智慧仓储的研究已经展开，但软件系统功能不全面、人为干扰影响大、温湿度控制与工器具监管结合差等问题仍有待解决。

该文设计的基于分布式控制系统的带电作业工器具智慧仓储系统，在满足带电作业工器具存放要求的基础上，能够达到明确工器具的全生命周期信息、阻绝人员出入带来的干扰、增强仓储温湿度的控制、提升作业运转效率的效果。

1 系统架构

智慧仓储分布式控制系统架构如图1 所示。

图1 智慧仓储分布式控制系统架构

智慧仓储分布式控制系统的整体架构根据业务逻辑分为三个部分：仓储调度系统、仓储后台管理系统和温湿度控制系统。

仓储调度系统主要负责工器具出库、入库和盘点业务。调度系统通过集成AGV 接口、Windows Service、RFID 设备接口、电动感应门等实现整个作业过程的智能化。

仓储后台管理系统的主要功能为实现库房内储位、工器具等信息的数字化管理。除此之外，后台管理系统还有盘点任务单生成，工器具盘盈亏调整，库房信息导出等功能，便于操作人员对库房信息进行整体把控。

温湿度控制系统的主要功能是维持仓库内温湿度的恒定。由于带电作业工器具的特殊性，它的保存具有明确的温湿度范围。温湿度控制系统会根据温湿度监测值对仓库内除湿机、加热器进行启停控制，使得仓库内温湿度的变化在允许范围内波动，满足带电作业工器具的存放要求。

2 系统实现

带电作业工器具智慧仓储的分布式控制系统与普通的智慧仓储系统相比，首先是功能上更加齐全。在实现仓库信息的数字化与可视化基础上，该系统优化了业务逻辑，减少了人为因素对仓储的干扰，监控了仓库内部温湿度，为工器具的存放提供了适宜环境；其次是系统稳定性强。分布式架构的设计保证当部分功能在出现意外情况时，其他功能可以正常运行，防止了雪崩式的系统故障的发生；最后是系统的精确性高，每一件工器具都通过RFID 技术进行信息绑定，用户能够掌握仓库内固定资产的流转情况。

整个仓库根据功能划分为三部分：仓储区、控制室和缓冲区。仓库地面按照网格形式划分，在网格节点处设置有坐标二维码。仓库主体区域为仓储区，该区域存放工器具架及工器具。工器具架根据存取工器具种类的不同和作业相关性进行定制，能够提高工器具的存取速度；控制室内有工控触摸屏电脑，操作员通过触摸屏电脑进行任务下发；缓冲区设置目的是便于操作员与AGV 之间进行工器具的交接。缓冲区的不同位置安装有四部RFID 感应天线，保证感应系统正常运行。缓冲区与控制室之间的电动感应门设置有信号阻断层，作用是减小RFID天线对控制室操作员以及其他工器具的影响。AGV在仓储区和缓冲区进行移动，仓库设置有多台AGV，提高作业效率的同时增大了系统容错率。各区域均设置门禁系统，一般情况下不能够相互流通。

2.1 仓储调度系统

根据业务需求，仓储调度系统上位机程序采用C#编写，系统采用C/S 架构，AGV 采用海康威视Q3-600C 潜伏机器人，RFID 天线采用ZEBRA 的AN480，调度系统主界面如图2 所示。

图2 仓储调度系统主界面

仓储调度系统承担整个仓储系统中工器具的实物调度功能。以出库为例，操作员进入控制室，操作工控机登录调度系统，登录后点击“工具出库”，选择作业任务，系统根据作业任务中包含的工器具种类生成带有具体坐标的任务单并下发给AGV，AGV 收到后前往指定坐标区域搬运工器具架，将工器具架运送至缓冲区感应门一侧后回传到达信号。调度系统在收到信号后解除感应门开关限制，操作员开启感应门后根据任务明细进行工器具拿取，完成后操作员关闭感应门，调度系统开启RFID 天线，获取工器具RFID 信息进行核实并将任务单显示到主界面，天线关闭。操作员确认后点击返库，AGV 执行返库，将工器具架移动到原位置，任务结束。整个作业环节简洁流畅，AGV 任务状态由多线程Windows Service 实时刷新抓取回传，调度系统作为主体统筹AGV、RFID 天线、感应门等设备，操作员只需要操作调度系统即可实现工器具调度。除调度功能外，调度系统还具有异常信息提示功能，操作员登录系统时主界面会显示超期未归还或者需要试验与检修的工器具明细，提示操作员及时处理。

2.2 仓储后台管理系统

仓储后台管理系统主体为B/S 架构，由C#语言编写，采用VisualStudio 编译。管理系统通过内部局域网进行访问，保证安全性的同时提高系统使用的便捷性。仓储后台管理系统主界面如图3 所示。

图3 仓储后台管理系统主界面

登录后台管理系统需要管理员创建的账号，不同的账号通过预设操作权限来展示页面功能，系统的安全性和保密性进一步得到了加强。整个系统包括了系统管理、系统设置、基础信息、报表中心、业务功能五大模块。系统管理的主要作用是新建、修改与删除登陆账号。系统设置模块的主要作用是为不同的账号分配操作权限。基础信息模块为调度系统提供数据支持。业务功能模块为调度系统提供盘点任务单和盘点权限。报表中心模块可以查看调度系统运行时生成的出入库明细，可以将数据以EXCEL 表格形式导出或导入。管理系统还可以查看温湿度控制系统运行工况，浏览温湿度实时数据或历史信息等。

2.3 温湿度控制系统

温湿度控制系统硬件包括中央空调、温湿度传感器、加热器、除湿机等，系统主界面如图4 所示。

图4 温湿度控制系统主界面

温湿度控制系统的主要功能分为两部分：一是通过温湿度传感器测量并回传数据，同时将数据以可视化形式进行页面显示；二是利用硬件设备进行仓库内温湿度自动调节。

操作员输入账号登录温湿度控制系统，传感器采集的数据通过工控机设置的虚拟串口传输到温湿度控制系统，保证操作员能够及时、准确地掌握温湿度变化情况。温控系统下辖的所有调节设备均布置在仓储区，并通过485 通信连接工控机，温湿度控制系统使用可控式电源开关控制设备运转。库房温湿度可以通过系统设定温湿度区间间接调整，也可以通过系统直接控制设备开关直接调整，加强了系统对于仓库环境的把控。温控系统设置有声光报警功能，当温湿度超出可控范围后会自动触发报警，提高了仓储的安全性。

3 系统测试

基于分布式控制系统的带电作业工器具智慧仓储系统的测试结果如表1 所示。

表1 分布式控制系统带电作业工器具库房测试

依据上表的测试结果可以看出，分布式智慧仓储库房相比传统的智能管理库房具备极大的优势，分布式控制管理系统采用了分布式处理，各个系统之间既相互关联又能单独承担某一部分功能，使得系统整体更加稳定；AGV 的引进避免了人为因素对仓库内部环境带来的破坏；温控系统的存在保证了工器具存放符合要求，延长了工器具的使用寿命。最终达到了降低运营、维护、损耗成本，提升效率、信息透明度和库房安全等级的效果。