立体化智能仓库的开发与实施

文/孙茹树

1 项目背景

近些年随着人工智能技术的不断成熟，人工智能在各行各业的应用越来越广泛，图像识别、语音识别、工业自动化等深入各行各业。创新开发立体化智能仓库管理系统，实现对生产车间所需要的物料、备品备件、货物进行管理。立体化智能仓库综合采用5G技术、信息识别技术、图像监视技术、计算机控制和管理系统等，自动地存储和取出物料，实现生产过程中物料、货物的自动化运输，减少人力运输成本，提高工作效率。

2 系统介绍

2.1 系统概述

立体化智能仓库系统主要由智能化机器人、电气设备、立体化货架、计算机控制和管理系统组成。能够充分利用空间，实现货物的最大存储量，完全由计算机操控，在不直接人工干预的情况下，智能化机器人自动地存储和取出物料的存储系统。机械设备主要包括货架、托盘、智能化机器人；电气设备主要包括检测装置、信息识别装置、控制装置、5G数据通信设备、4K图像监视设备等，综合运用了信息识别技术、图像监视技术；计算机控制和管理系统是集物资存储、输送、分配等功能于一体的自动化系统。承担智能化仓库的货物管理、堆垛机控制、运送机控制、自动分拣等，能够实现包装标准化、识别智能化、输送机械化、控制自动化实现生产过程中物料、货物的自动化运输，减少人力运输成本，提高工作效率。

2.2 各个功能模块应用特点详述

2.2.1 智能化机器人

智能化机器人设计为4轴轨道叉臂机器人，机器人在轨道上具有启动、停止、急停、复位等运动功能，同时具备高度的升降，左右叉臂的伸缩功能。机械部分采用导轨和高精度齿条设计，高精度齿条的选用，大大提高了机器人4轴运动的精度。

智能化机器人的控制核心采用PLC可编程控制器，PLC通过位置模式控制伺服电机，实现机器人的4轴运动。其中，PLC选用三菱FX5U系统，三菱FX5U具备4轴高速脉冲输出，完全满足机器人的4轴控制；电机选用台达B2系列，大功率伺服电机的使用，使机器人最大载重可达500公斤，运行速度最高可达30米/分钟，在高负载高速率的情况下满足机器人的精准运动。其中，为考虑机器人的安全，控制高度的伺服电机应具备电磁刹车功能，避免机器人取重物时突然断电，出现失重现象。PLC软元件布局如表1所示。

表1

机器人电源系统由蓄电池和电源管理系统组成，当蓄电池电量低于预设的阀值时，电源管理系统自动发出充电申请，并接收控制系统指令自动运行至充电站充电。当机器人长时间处于任务空闲时，控制系统发指令让机器人处于休眠状态，低功耗运行。

2.2.2 电气设备

电气设备主要包括检测装置、信息识别装置、5G数据通信模块、4K图像监视设备等。

电气设备使机器人具备了位置识别、障碍物感知、和上位机通讯等功能。检测装置的位置传感器主要由定位传感器和超声波传感器组成。定位传感器给机器人提供位置信息，可以使机器人快速准确的运行到指定位置。机器人的移动位置虽然由PLC控制，但运行过程中难免出现丟步或者人为移动机器人的现场，机器人可以通过定位传感器实时修正自己的位置坐标，并通过通信模块将位置信息反馈给上位机；超声波传感器用于获取机器人周围的信息，当机器人运行方向或者机械臂伸展方向有障碍物的时候，机器人会停止运行，同时发出报警信息。

5G通讯模块的开发，实现了机器人和上位机的实时通讯。操作人员通过人机界面输入需要取件的物料，上位机通过5G通讯模块发送物料名称、编号、货架位置、取件数量等信息给机器人控制系统，实现机器人快速而准确的取货。同时，机器人也会将定位和超声波传感器信息通过5G通讯模块实时反馈给上位机。当机器人与通信网络失联超过一定时间时，出于安全考虑，机器人自动停止运行，发出报警信息，等待人工介入处理。

4K图像监视设备用于监看机器人的运行情况，4K图像通过5G网络实时回传至服务器电脑，操作人员可以监看机器人的运行状态。

2.2.3 立体化货架

立体化货架可根据生产车间的需求自由定制，一般可采用5-10层货架，货架长度最长可至100米，可满足大型立体化仓库的需求。

2.2.4 计算机控制和管理系统

人机界面采用计算机系统，主要分为机器人控制系统和仓库管理系统，使用VB6.0开发，计算机系统通过5G网络与机器人通讯。

机器人控制系统主要功能是计算机和PLC之间的5G通讯，由计算机发送指令，通过5G网络发送给PLC；机器人自身的传感器信息也将由PLC通过5G网络反馈给计算机。操作人员通过机器人控制系统可以实时监视调度系统任务状态、机器人运行状态、机器人安全状态、传感器状态、故障信息，并进行机器人运动控制等，可以对机器人进行远程固件升级、远程重启等操作。

计算机管理系统主要功能是对立体化仓库的物料管理，采用SQL数据库设计，存储立体化仓库内所有物料的信息，包括物料名称、数量、位置等信息。仓库管理员需对货架上所有周转箱编号，将物料分类后按编号放入周转箱，所有信息录入数据库，实现仓库管理的信息化。机器人控制系统在收到取料指令后，自动查询数据库信息，获取库存情况及物料的位置信息，并讲信息发送给机器人，由机器人完成物料的收取。

3 工作流程

操作人员在计算机输入所需物料的名称和数量，计算机自动从数据库查询库存情况和物料的位置编号，查询无误后向机器人发送指令，机器人获取指令后自动巡航至指定位置，用叉臂铲起周转箱后巡航至取料台，操作人员在取料台收取物料，整个过程无需人工干预。

4 总结与展望

4.1 方案总结

生产车间的仓库存在乱堆、乱放现象，很难实现精细化管理，有些不常用物料通常被遗忘在角落，不利于查找。立体化智能仓库解决了这一问题，通过数据库管理，可以快速准确的查找所需物料的位置、数量，并通过5G网络向机器人发送指令，由机器人完成物料的存取，既提高了工作效率，又实现了精细化管理。

现有机器人动力系统采用的轨道式机器人，轨道式机器人开发成本低、运行精度高，但灵活性差，为适应大型仓库车间的智能化管理，下一步将开发自走机器人，以适应更多的使用场景。

4.2 未来展望

“机器换人”不仅缓解劳动力成本上涨带来的压力，而且智能装备可以提高生产效率，降低单位时间内的成本，从而增大盈利空间。

建设智能仓库、智能工厂是制造企业转型升级的重要方式，是中长期发展战略。中国要从制造大国向制造强国迈进，必须加快推动互联网、大数据、人工智能和实体经济的深度融合。数字化是智能化的必由之路，如果没有智能化工厂的打算，企业可能在未来丧失竞争力。