李树盛
深圳赛动生物自动化有限公司
摘要：设计及开发珠宝首饰证书自动存取和管理系统
关键词：设计及开发珠宝首饰证书自动存取和管理系统
1.项目背景
XX有限公司业务日益增长，珠宝证书的存储量和分配量亦随之增加。现今的人手存储方法难以支持业务的发展，故委托深圳深港生产力基地有限公司针对珠宝证书管理和配送进行评估，瞭解XX公司的实际需求。经过与XX公司一线人员的深入沟通，发现目前珠宝证书的管理存在以下问题：
(1)由于一个存储格设计可以存放10本证书，拣选证书时需要人员的判断；
(2)由于目前采用的改善方法暂时无法实现逐本管理，所以无法实现自动化的拣取和存储，依然需要在软件协助下以手工作业；
(3)随著産品证书品类的增加和市场销量的快速增加，需要更多的作业人员执行首饰珠宝産品证书的存储和拣配工作，运作和管理成本倍增。配合自动化仓库系统的投运，XX公司计划将国检证书随产品存储和拣选配送，以减少证书管理的压力，但是，所需要集中管理的证书数量依然巨大，特别是産品配送分店的计划将更加频繁，加之分店数目的持续增加，仅靠持续的人员增加势必进一步增加XX公司对运营成本的投入；
(4)手工作业难免会存在人员作业错误的风险，从而可能对XX公司造成严重损失。
有鉴于此，XX公司坚持沿著自动作业的方向探索和努力，且目标是越少人员越好。基于深圳深港生产力基地有限公司在自动化设备设计和开发方面的丰富建议和能力，幷有XX公司设计制作电脑辅助的珠宝首饰産品证书管理系统的经验，对于XX公司的证书和产品配送管理运作有一定的了解，为此，XX公司希望委托深圳深港生产力基地有限公司提供有关的技术研发顾问服务，提出技术解决方案和研发新型的珠宝证书自动化管理设备系统，实现上述目标。
2.项目范围
1)适用的证书范围：自动化珠宝证书管理系统计划存储和提取3类证书，并归纳爲两种的物理尺寸，说明如下：
2)项目主要目的：设计和开发一套基于机器人的证书自动存取和管理系统，作爲XX公司自动仓库的配套系统，配合XX公司的自动化作业发展策略。同时，作为测试系统，探索未来实现机器人自动拣货的尝试和验证。
3.系统的主要设计
1)系统的主要构成
除了WMS外，系统主要由4个巷道及其配套的部分组成，包括：
(1)证书存储架
(2)4套机器人作业平台，每套作业平台包括一个机器人及其控制器、一组驱动作业平台水平直綫移动的PLC控制和执行系统、一个用于证书逐本出和入的证书匣、一个RFID Reader、一个异常证书放置盒；
(3)4套水平轨道，每套可以供一套机器人作业平台使用；
(4)4套证书收集系统，每套含有一条皮带传输綫，每条传输带上配有4个分店证书收集箱；
(5)一个负责与WMS及机器人控制器通讯的Gateway（G/W）；
(6)每个巷道配置一个状态信号灯。
2)主要的作业类型
证书的存取通常是按波次作业进行。无论是存证书的任务清单还是取证书的任务清单均在WMS中生成。由于WMS负责管理货架的空间分配，WMS有证书所在的位置信息以及有效的货架存放空间信息，所以，WMS依据需要存取的证书所在的位置，计算及生成具体的存取证书任务。
(1)对于存证书作业，由人员手工将待存放的证书按照WMS已经规划的存放巷道，将一批次放在所对应巷道的机器人作业平台的证书匣上。WMS会分开独立地将4个机器人需要执行证书存放任务的清单（证书信息和目标位置）发给G/W。当机器人将证书从证书匣逐本夹起，幷经RFID Reader读取该证书的信息后经机器人控制器上传G/W，G/W会依据证书的信息，向机器人控制器发出存放的任务，机器人将证书放入指定的存储架的小格内。每个巷道一次执行存放任务不会超过100本证书；
(2)对于拣取证书作业，由WMS将任务清单按照不同的巷道分开独立发给G/W。之后，G/W会逐个任务发给机器人控制器。机器人会从指定的存储架上的小格内夹出证书，幷经RFID Reader读取该证书的信息后经机器人控制器上传G/W，之后，将证书放进证书匣内。WMS一次会给每个巷道发出最多4个分店的证书拣取任务清单，以平衡不同巷道的作业时间。当一个分店的任务完成后，机器人会返回原点，把证书匣中的证书一次性地卸载到分店证书收集箱中。
4.操作作业流程
4.1存储作业前准备流程
1)人员将收集的证书入袋封口，幷配备一个RFID标签；
2)WMS接受ICS给出的证书信息；
3)人员在工作台上利用RFID Reader读取证书信息，WMS爲每本证书按照一定的规则分配一个存储格；
4)人员在WMS操作界面的指示下，将证书逐本放在被分配存储巷道所对应的周转箱中；
5)完成证书的巷道分配后，人员将已经分好的证书，以巷道为单位，按照证书先后顺序，放在对应的机器人作业平台的证书匣上。
4.2正常存储作业流程
1)WMS把存储任务列表传送到G/W；
2)人员把分好巷道的证书放入对应的机器人的证书匣中，啓动系统；
3)机器人将一张证书拣起幷经RFID Reader读取证书信息，经PLC发给G/W；
4)G/W依据证书的信息，向机器人控制器/PLC发出存储任务；
5)PLC控制机器人作业平台行驶到指定位置；
6)机器人将证书存放到指定的存储货小格中；
7)重複流程3)至6) ，直至此批次所有证书完成上架；
8)G/W上报WMS结果
4.3存储作业流程中特殊情况的处理
1)当RFID Reader未能读取证书信息或证书信息错误，机器需要将证书送到异常证书放置盒，G/W上报WMS错误
2)当机器人发现目标存储架的小格位置已被占用时，机器人需要把证书送到异常证书放置盒，G/W上报WMS错误
3)当异常证书放置盒满载时，机器人需暂停作业及返回原点，亮起提示灯，待人员处理后重啓后，继续馀下工作
4)当证书的信息被成功读取但是未能成功放入存储架的小格中（例如证书跌落），机器人需要经过G/W上报WMS错误，幷手工拣起
4.4正常拣取流程
1)WMS会一次将最多4个分店的证书拣取任务清单传送到G/W；
2)G/W会逐个任务发给机器人控制器/PLC，由PLC控制机器人作业平台行驶到指定位置，再由机器人从目标存储架小格中拣出证书；
3)经RFID Reader读取证书信息，由PLC发给G/W；
4)G/W验证证书信息；
5)机器人将证书放入证书匣中；
6)重複流程2)至5)，直至该分店的任务清单完成；
7)G/W上报WMS结果；
8)G/W指示机器人作业平台返回原点；
9)PLC将证书匣中的证书放到分店证书收集箱；
10)PLC移动承载著分店证书收集箱传输带，向前移动，将另外一个分店证书收集箱移至原点下方。一个传输带上一共有4个分店证书收集箱，与最多的4个分店的拣取任务一一对应；
11)重複流程2) 至10)，直至该波次的所有订单完成
4.5拣取作业流程中特殊情况的处理
1)当RFID Reader未能读取证书信息或证书信息错误，机器人需要将证书送到异常证书放置盒，G/W上报WMS错误；
2)当机器人发现目标存储架的小格位置没有证书时，机器人需要通知G/W，幷跳过该任务继续工作，G/W上报WMS错误；
3)当异常证书放置盒满载时，机器人需暂停作业及返回原点，亮起提示灯，待人员处理后重啓后，继续馀下工作
4)当证书匣满载时，机器人需暂停作业及返回原点，自动将证书放到分店证书收集箱，亮起提示灯，待人员处理后重啓后，继续馀下工作
5.系统的功能参数
5.1系统的结构框图
有两种的可选的系统结构，一种是机器人控制器和PLC均与G/W进行通讯；另一种是PLC与G/W通讯，之后再与机器人控制器通讯。在项目细化设计中将确认。
这里暂以第一种方案为例说明。
5.2子系统间的数据交换
G/W将与WMS通过TCP/IP协议进行通讯，而其与机器人控制器和PLC也是通过TCP/IP协议通讯。
RFID Reader使用工业现场标准的RS232协议将数据发给PLC。至于PLC与机器人控制器之间则是通过硬件的綫连结实现信号交换和互锁。
5.3系统的能力参数
系统的4个存储巷道包括一个存储长证书的存储巷道和三组存储短证书的存储巷道，约可以存放14000本证书：
(1)长证书存储巷道
a)可以存储和提取GIA(大)、HRD、IGI及S, SF(大)型号的证书；
b)长证书存储巷道共有12个长证书存储柜，而每个存储柜则有250个存储格，总共有3000个存储格。而每个存储架只可存放1本证书；
c)长证书存储巷道的占地尺寸约5500mm(长) x 2100mm(宽) x 2700mm(高)。
(2)短证书存储巷道
a)可以存储和提取GIA(小)、FMDR、DTC,FMD及S, SF(小)型号的证书；
b)三组短证书存储巷道共有12个单面小证书存储柜及12个双面小证书存储柜。单面小证书存储柜有350个存储格，双面小证书存储柜有700个存储格，三组短证书存储綫总共约有12500个存储格。而每个存储架只可存放1本证书；
c)三组短证书存储巷道的占地尺寸约5500mm(长) x 5200mm(宽) x 2700mm(高)。
(3)证书匣
a)证书存储时：证书管理人员把证书放入特定的证书匣，然后机器人会从证书匣取出证书幷放入存储格；
b)证书提取时：机器人会通过终端的指令从证书匣存储格取出证书幷放入证书匣；
c)证书匣存储证书数量不多于80本。
(4)证书收集系统
a)证书收集系统上放有不多于4个证书收集箱。当机器人连同拣取好的证书回到起点位置时，证书会从证书匣倒入证书收集箱中；
b)每个证书收集箱存储证书数量不多于100本。
(5)异常证书放置盒
a)如果机器人从证书匣取出证书时发现其证书的信息与WMS所记录的信息不符合时，机器人就会把其证书放入异常证书放置盒中；
b)每个异常证书放置盒容纳证书数量不多于5本。
(6)系统处理能力：在机器人收到存取任务后，平均每套机器人的处理能力约爲25秒/本。RFID的读卡器的表现（例如准确率和速度）将影响系统的运作表现。
6.结束语
本项目利用了PC作为核心控制业务操作管理端，工业机器人作为动作执行器，而PLC作为现场设备控制器，连接机器手和其他现场设备。通过读取证书上的RFID信息，有效管理证书的存取过程。利用物联网技术，高效运作，运用了自动化技术，减省人力需求，为客户创造了经济效益。
论文作者:李树盛
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/27
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