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摘要：本文阐述了立体化智能仓库的设计思路和实施方案。文章从智能化机器人、电气设备、立体化货架、计算机控制和管理系统灯方面详细说明了立体化智能仓库的系统构成，并介绍了立体化智能仓库的工作流程以及前景展望。
【关键词】立体化 智能仓库 PLC 数据库
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。
【关键词】立体化 智能仓库 PLC 数据库
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。
2.1 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。
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。
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
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。
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。
“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。
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