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专题解读

基于物联网的钢铁智能仓储系统的研究与应用

  摘要:本文主要介绍了基于物联网的钢铁智能仓储系统的设计与应用。基于无线数传、激光定位、物联网等技术,进行行车定位系统、行车调度系统、库管系统等软硬件的开发与应用,从而实现对钢铁制品物流的全流程智能跟踪与信息集成,完成物料从下线到出库的动态闭环管理,有效提升钢铁企业物流管理的智能化水平。

  关键字:CLTS;RFID;仓储管理;无人行车

  Research and application of steel intelligent storage system based on the Internet of things

  GAO Qiang, SHI Can-tao, LIU Lu-xin

  (China Metallurgical Industry Planning and Research Institute, Beijing 100711, China)

  Abstract:This paper mainly introduces the design and application of steel intelligent storage system based on the Internet of things. Based on wireless data transmission, laser positioning, Internet of things technology and other technologies,the development of crane positioning system,Crane dispatching system,warehouse management system and other hardware and software development and application.So as to realize the whole process intelligent tracking and information integration of the iron and steel products logistics.Completed the dynamic closed loop management of the material from the assembly line to the outbound, effectively improve the intelligent level of logistics management in iron and steel enterprises.

  Key words: CLTS; RFID; warehouse management; unmanned vehicle

  一、前言

  21世纪初,韩日等国外大型钢铁联合企业为应对人工成本过高、物流发运效率低等问题,开始推行钢制品仓库无人化操作。目前该技术已在韩日等钢铁企业得到广泛应用,而国内大部分的钢铁企业仓库仍采用人工模式,通过手工作业确认产品储存位置,以人员驾驶或遥控行车的方式进行出入库及装车作业。这种模式存在人为原因导致的发货失误、作业效率低等问题,同时地面工作人员也存在安全隐患。作为物流供应链中至关重要的一环,仓储、发货如不能确保库存控制、合理库位优化以及准时发货,管理费用将难以降低,服务质量更加难以保证。在供给侧改革的大背景下,我国钢铁行业面临产能过剩、利润低微等问题,如何充分利用信息技术与钢铁企业实际相结合,以降本增效为目标,打造一套融合钢铁产品物流与信息流的全流程智能仓库解决方案是钢铁企业迫切的需求及愿望,是今后实现钢铁智能制造,打造智慧工厂必备的前提和基础。

  二、问题分析

  随着生产节奏的加快,客户需求的不断提高,仓库的出入库统计管理操作要求高效准确。同时随着产品的种类增加,仓库作业和库存控制作业变得更加复杂化和多样化,仅依靠简单静态的手工录入的仓储管理模式已无法保证企业资源的高效利用。传统的仓库管理软件只是对仓库的库存数量及位置信息进行管理而没有对仓库管理人员、行车操作人员进行作业指导,如垛位分配不合理导致的大量倒垛操作、行车作业的间歇性导致物料位置变化不能及时反馈给MES、人工跟踪发货错误现象、信息的脱节找卷(板)困难、车辆等待、行车作业效率低等问题都严重制约库存的运转效率。

  三、解决方案

  借鉴国内外成功的钢铁仓储物流管理案例,结合我国钢铁行业仓储物流面临的实际问题,依靠物联网、跟踪定位、无线数传、激光成像等信息技术,设计一套全流程智能跟踪与信息集成的无人值守智能化库区,实现物料从下线到出库的动态闭环管理。智能化仓储管理系统在三级MES、二级过程控制系统、一级自动化系统协同工作的基础上实现行车的无人化操作、仓储模型的策略计算等功能。

  (一)通过激光三维成像扫描、图形分析、鞍座图形分析技术,实现对入库的钢卷(板)库位、出库的车辆鞍座进行三维扫描和精准定位,自动识别出钢卷(板)及车辆鞍座的物理坐标。

  (二)通过行车任务分配、行车路径优化、行车避让机制等调度系统功能,实现自动分配最合适行车通过全自动吊具进行作业,无需人工干预就能实现行车自动走行和钢卷吊运,同时有效保障生产安全。

  (三)通过RFID标签打印系统、行车吊具RFID系统、无线数传技术,使吊具在吊运物料时可以读取卷上的RFID信息,并且与系统上的信息进行比对,以确保所吊运物料的准确性。

  (四)通过激光定位、格雷姆线定位、大小车位置控制、吊具的高度控制、防浪摆控制技术,行车干扰控制技术实现无人行车的精确控制。

  (五)通过库位推荐、出入库顺序优化、间隙整理、装车策略计算等仓储模型计算结果来实现库存最优化配置,将堆存能力最大化,同时还通过与物流系统配合完成车辆排队,刷卡装车等功能。

  四、功能设计

  (一)行车定位

  行车位置跟踪系统,又称为无线定位系统,英文缩写为CLTS(Crane Location Tracking System)。行车定位可采用格雷母线、激光测距、绝对值编码尺与编码器、RFID射频识别等多种定位技术。通过跟踪行车大车、小车和吊钩的物理位置,定位行车的空间位置,按照行车作业时空间坐标与物料坐标一致的原则确定物料的位置。系统实时检测行车吊钩所处的空间位置,包括吊具在行车大车(X轴)、小车(Y轴)吊具(Z轴)运行方向的位置,如图1所示。同时也可以通过在大车和小车方向的位置实现物料垛位的间接检测,进而通过垛位与物料匹配。行车定位系统是实现无人库区、物流智能跟踪的关键。在具体设计实施时,应根据库区作业的实际特点进行详细设计,其主要性能满足快速性、准确性、可靠性、可实施性的要求。

  图1 库区定位图

  (二)RFID

  采用RFID技术定位物料信息,将钢卷(板)上贴装RFID标签,同时在吊具上安装RFID读取装置。当吊具在吊运物料时可以读取卷上的RFID信息,并且与系统上物料信息进行比对,以确保所吊运钢卷的准确性,同时库管系统也可以通过现场无线网络将库存清单发送给RFID终端系统进行实时盘库,保证库存的准确性。

  1、RFID吊具读写设备

  行车吊具上安装信息采集柜,由吊具供电,经由柜内电源转换模块为柜内的RFID固定式读写器供电。另在吊具底部安装天线,通过馈线接入信息采集柜内的RFID固定式读写器,读取到RFID标签的信息后,经由信息采集柜内的无线模块,通过现场无线网络发送给系统。

  2、RFID终端

  在需要对仓库内的物料进行盘库时,库管系统通过现场无线网络将库存清单发送给RFID终端,终端设备对库内钢卷上的RFID标签进行读取,与库存清单进行比对。此外也可以加入RFID手持终端作为临时出入库的备用设备,进行灵活应用。

  3、RFID自动贴标机

  RFID自动贴标机与机组L1之间通过硬线I/O的方式建立联锁,当物料到达贴标工位时,L1向自动贴标机发送启动命令,自动贴标管理机通过专用通讯中间件与L2建立通讯链路获取物料信息,通过TCP/IP协议方式发送给自动贴标机PLC。自动贴标机接收传来的物流数据后,通过一系列信息打印、检测、定位和贴标等动作,自动将RFID标签粘贴在物料指定位置,达到一定的贴装强度与精度要求。

  (三)库管系统

  库管系统的管理策略是决定整个无人库区工作效率的关键因素,通过将库管系统中所存储的堆放库位、运输链鞍座、过跨台车鞍座、车辆位置、堆放基准等厂区基础数据,与出入库计划、产品尺寸、发货信息等内容进行结合,再决定出入库顺序及储位,使混合装卸所引起的产品再处理工作最小化,防止产品损伤、缩短提货来源:竞彩足球计算器 时间、减轻行车工作负荷。作业处理流程如图2所示。通过管理策略计算能够实现库位推荐、出入库顺序优化、行车调度、间隙整理、装车策略等内容,以达到库区管理最优化配置,提高作业效率。

  

图2 作业处理流程图

  1、入库作业

  无人行车接收入库指令,获取吊运位置信息、物料信息表、入库位置信息等内容,行驶进入入库步进梁鞍座区域吊起物料,按照指定垛位或推荐垛位进行吊装,吊装完成后,系统获取目标垛位,将物料信息与垛位进行捆绑,更新库存信息表。入库作业流程如图3所示。

  图3 入库作业流程图

  2、出库作业

  库管系统接收MES发送的出库指令,并送发货吊装作业指令,无人行车根据指令进行吊装作业,将物料吊装到出库车辆上,再通过RFID标签进行发货确认,系统根据吊起垛位和出库确认更新系统库存信息。出库作业流程如图4所示。

  

图4 出库作业流程图

  在发货或盘库过程中,系统会根据出入库信息进行倒垛,在倒垛作业完成后库存信息在系统中进行更新并发送给MES。

  (四)出入库车辆的定位与识别

  出入库车辆的定位与识别首先需要在系统中划分库区中的装卸区域,并对地面指定区域进行标示,或采用标示线等方式进行划分。在指定区域上方安装激光成像装置,当车辆行驶至指定区域后,激光成像装置扫描成像,确认装卸区域。再由司机或库管员刷RFID卡确认物料信息,并确认司机离开驾驶室。在系统提示可装车后确定行车自动装车。

  为了将物料出入库吊装于不同规格车辆的装载箱,需要编制装、卸吊装的坐标,在检查装载箱的形状后无人行车进行工作:当进行装车时,吊装系统考虑车辆的轴重量,并自动地计算钢卷装车吊装位置后,进行吊装,同时也可辅助采用激光笔确认的方式来达到精确快速吊装;当卸车时,系统会自动地计算卸车吊装目标物料的位置,进行吊装。具体吊装过程如图5所示。   

  图5 吊装作业流程图

  五、结论

  通过智能仓储系统的建设,有助于提升物流速度,降低差错率,减轻人员劳动强度,降低人力资源成本,提高企业核心竞争力。同时发挥信息桥梁作用解决一级自动化系统与三级MES 之间的信息交互问题,避免了人工录入数据出错的风险,使物料的入库、出库、倒垛和跟踪通过信息系统进行数据交换,实现MES物料数据的闭环管理。随着物流管理水平的提高,有助于提高按销售订单组织生产的决策水平,让生产出来的产品能够快速交货,避免库存积压,减少库存资金占用成本。在安全方面,由于行车吊运作业中,无需人员操作跟随,大幅降低库区生产安全风险。

  钢铁行业作为我国自动化程度最高、制造工序流程最长的重要支柱产业之一,在国家提倡“中国制造2025”、“工业4.0的新形势下,亟需借助智能制造技术,转变生产管理模式,研发具有生产组织、过程优化、质量管控等多重功能的钢铁全流程智能制造系统,实现敏捷制造和精细化管理,引领企业制造向智能模式跨越,进而推动钢铁工业的转型升级,更快更好的响应市场需求。基于物联网的钢铁智能仓储系统的设计与实现,将进一步提升钢铁企业的智能化水平,为全面实现智能制造打下坚实基础。

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