СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СКЛАДСКИХ ГРУЗОВЫХ ПЛАТФОРМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF WAREHOUSING PLATFORM TRUCKS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при организации безопасного и удобного способа складирования в автоматизированных системах обработки и хранения грузов (AS/RS), путем решения задачи локализации складских грузовых платформ в режиме реального времени внутри складских сооружений.
Особенность функционирования систем AS/RS сводится к тому, что работа складских грузовых платформ в штабелерах характеризуется высокой динамической загруженностью, которая снижается при контроле перемещения складских грузовых платформ за счет:
- сокращения затрат на складское хранение;
- уменьшения времени, затрачиваемого на проведение всех складских операций;
- уменьшения количества ошибочных складских операций;
- повышения точности и оперативности учета товара;
- избежания потерь, связанных с критичностью сроков реализации товаров;
- уменьшения затрат на заработную плату складских работников.
В связи с этим контроль перемещения складских грузовых платформ, который является неотъемлемой частью технологического комплекса или транспортно-перегрузочного потока, оказывает существенное влияние на производительность и эффективность функционирования транспортных средств и производственного оборудования в целом.
Обобщая проведенный выше анализ особенностей функционирования грузовых платформ, можно отметить, что автоматический контроль перемещения складских грузовых платформ позволяет организовать:
- мнемосхему склада в реальном времени;
- автоматизацию процесса оформления документов;
- уникальный неизменяемый идентификатор, присваиваемый метке при производстве, что гарантирует высокую степень защиты от подделки;
- управление перемещением паллет по цепи поставки в реальном времени.
В настоящее время широкое применение получили системы автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ с использованием радиочастотной идентификации (RFID-технология) [1], имеющие ряд преимуществ:
- RFID-метки могут перезаписываться и дополняться много раз;
- отсутствие необходимости RFID-считывателю в прямой видимости метки, чтобы считать ее данные;
- большое расстояние чтения (до нескольких сотен метров);
- большой объем хранения данных;
- поддержка чтения нескольких меток;
- считывание данных метки при любом ее расположении;
- устойчивость к воздействию окружающей среды;
- интеллектуальное поведение;
- высокая степень защиты меток от подделки.
Известен способ определения места хранения предмета с использованием радиочастотных меток [Патент RU №2378661, G01S 5/16, G08C 21/00, Опубл. 10.01.2010], сводящийся к оснащению предмета и места хранения радиочастотными (RFID) метками, изменению положения антенны радиочастотного считывателя относительно упомянутых меток путем приближения или удаления, и на основании изменения сигналов радиочастотных меток, воспринимаемых считывателем, определяют место хранения предмета.
Недостатком данного способа является:
- сложность устройства контроля, которая определяется необходимостью организации N каналов радиосвязи с N точек контроля мест адресования складских грузовых платформ;
- относительно высокая стоимость меток, поэтому технология RFID еще достаточно дорога и не оправдывает вкладываемых в систему по данному способу средств;
- возможное экранирование при размещении на металлических поверхностях;
- подверженность систем радиочастотной идентификации помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования, излучающего радиопомехи в диапазоне частот, используемом для работы RFID-системой;
- незащищенность радиочастотных идентификаторов от взлома;
- сложность самостоятельного изготовления, поскольку производство RFID-меток требует дополнительных ресурсов;
- недостаточная открытость выработанных стандартов.
Известна система автоматической идентификации и складирования контейнеров (складских грузовых платформ), оснащенных радиочастотными идентификационными метками, на стационарных и подвижных складах [Патент №2343100 RU, B65G 65/00, B61L 25/04, G01S 1/02, G01S 5/02, опубл. 10.01.2009], которая содержит установленные в диспетчерских пунктах складов вычислительные устройства удаленного и локального доступа, подъемно-транспортные механизмы, оснащенные датчиками и захватами контейнеров и считывателями радиочастотных идентификационных меток, причем каждое из локальных вычислительных устройств дополнено устройством беспроводной цифровой связи по радиоканалу, а каждый подъемно-транспортный механизм снабжен локальным вычислительным устройством и устройством регистрации уровня позиционирования контейнера по вертикали, а каждый из захватов подъемно-транспортных механизмов укомплектован датчиками позиционирования контейнера по горизонтали и вертикали, датчиком ускорения движения захвата и локальным вычислительным устройством, все локальные вычислительные устройства диспетчерских пунктов стационарных и подвижных складов, подъемно-транспортных механизмов и захватов взаимосвязаны и синхронизированы по беспроводным радиоканалам, осуществляющим передачу в базу данных вычислительных устройств удаленного доступа диспетчерских пунктов, передачу информации о координатах позиционирования контейнеров на складах по горизонтали и вертикали через устойчиво взаимодействующую в каждый текущий момент времени произвольную последовательность связанных по радиоканалу локальных вычислительных устройств.
Недостатком известной системы является:
- сложность устройства контроля, которая определяется необходимостью организации N каналов радиосвязи с N точек контроля мест адресования складских грузовых платформ;
- сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля;
- относительно высокая стоимость меток, поэтому технология RFID еще достаточно дорога и не оправдывает вкладываемых в систему средств;
- возможное экранирование при размещении на металлических поверхностях;
- подверженность систем радиочастотной идентификации помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования, излучающего радиопомехи в диапазоне частот, используемом для работы RFID-системой;
- незащищенность радиочастотных идентификаторов от взлома;
- сложность самостоятельного изготовления, поскольку производство RFID-меток требует дополнительных ресурсов;
- недостаточная открытость выработанных стандартов.
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является способ определения координат положения подвижного объекта (складских грузовых платформ) в закрытых помещениях [Заявка на изобретение №2004126292 RU, G01S 1/00, G01S 5/00, G08B 7/06, опубл. заявки 20.02.2006], сводящийся к обработке информационных сигналов от n контрольных точек, которые задаются в виде радиочастотных идентификаторов, закрепленных на подвижных объектах (складских грузовых платформ), а один считыватель закрепляют на элементах конструкции пункта контроля, считыватель соединяют с контроллером локальной сети, который соединяют с центральной ЭВМ, а в помещениях (шахтах, складах) на элементах строительных конструкций закрепляют необходимое количество считывателей или радиочастотных идентификаторов, в которые заносят коды координат положения этих считывателей или радиочастотных идентификаторов (в местной системе координат).
Недостатком устройства по данному способу является:
- сложность устройства контроля, которая определяется необходимостью организации N каналов радиосвязи с N точек контроля мест адресования складских грузовых платформ;
- низкая достоверность результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства определения координат положения подвижного объекта (складских грузовых платформ) в закрытых помещениях;
- относительно высокая стоимость меток, поэтому технология RFID еще достаточно дорога и не оправдывает вкладываемых в устройство по данному способу средств;
- возможное экранирование при размещении на металлических поверхностях;
- подверженность RFID-системы воздействию от включенного оборудования, излучающего радиопомехи в диапазоне ее рабочих частот;
- незащищенность радиочастотных идентификаторов от взлома;
- сложность самостоятельного изготовления, поскольку производство RFID-меток требует дополнительных ресурсов;
- недостаточная открытость выработанных стандартов.
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является система определения местоположения подвижного объекта [Свидетельство на полезную модель №15792 RU, G01S 3/02, опубл. 10.11.2000], содержащая аппаратуру подвижного объекта, включающую в себя антенну, приемник и передатчик, N точек контроля в виде базовых станций с собственными антеннами, приемниками и передатчиками, основную станцию с антенной, приемником, передатчиком и орган обработки информации для определения местоположения подвижного объекта.
Недостатком прототипа, как и аналога, является:
- сложность устройства контроля, которая определяется необходимостью организации N каналов радиосвязи с N точек контроля мест адресования складских грузовых платформ;
- сложность устройства контроля приводит также к низкой достоверности результатов контроля из-за отсутствия самоконтроля самого устройства контроля;
- относительно высокая стоимость меток, поэтому технология RFID еще достаточно дорога и не оправдывает вкладываемых в систему средств;
- возможное экранирование при размещении на металлических поверхностях;
- подверженность систем радиочастотной идентификации помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования, излучающего радиопомехи в диапазоне частот, используемом для работы RFID-системой;
- незащищенность радиочастотных идентификаторов от взлома;
- сложность самостоятельного изготовления, поскольку производство RFID-меток требует дополнительных ресурсов;
- недостаточная открытость выработанных стандартов.
Практически во всех областях промышленной индустрии используются различные модели горизонтальных и вертикальных конвейерных систем карусельного типа грузовых платформ и автопогрузчиков с вертикальным подъемом. Однако до недавнего времени транспортно-перегрузочный процесс относили к вспомогательным, придавая ему второстепенное значение, и там, где возможно, старались обойтись без автоматизации грузовых платформ. Теперь, когда все чаще грузовые платформы становятся неотъемлемой частью системы автоматизированных машин, отношение к автоматизации грузовых платформ меняется. Причем повышение производительности основного оборудования требует повышения производительности грузовых платформ. Технической задачей, решаемой изобретением, является увеличение производительности и надежности грузовых платформ в AS/RS системах за счет локализации объектов в режиме реального времени внутри складских сооружений. Решение данной задачи позволит использовать грузовые платформы для работы в автоматическом цикле в составе гибких производственных систем.
В связи с этим особенностью данного решения является то, что при организации передачи информации от контрольной точки о присутствии складских грузовых платформ в соответствующей зоне размещения (адресования) в контролируемом помещении в орган обработки информации результатов контроля в предлагаемом устройстве автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ используется one-wire технология.
Для решения данной задачи в способе автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ, сводящемся к обработке информации результатов контроля в N контрольных точках, при этом разбивают складское помещение на зоны размещения складских грузовых платформ, в этих зонах задают контрольные точки присутствия складских грузовых платформ, которые последовательно нумеруют, масштабируют токи от каждой контрольной точки с коэффициентом масштабирования от каждой контрольной точки пропорционально номеру контрольной точки i, масштабированные токи от каждой контрольной точки суммируют в точке суммирования и передают через канал связи в орган обработки информации, где преобразуют данный ток в пропорциональное напряжение, из которого вычитается напряжение, пропорциональное суммарным координатам уже размещенных в помещении склада складских грузовых платформ, и по величине результирующего напряжения идентифицируют координату положения складской грузовой платформы в линейной системе координат, фиксируют координату окончательного размещения в помещении склада платформы и суммируют ее с суммой, а при отгрузке вычитают из суммы координат ранее окончательно размещенных складских грузовых платформ и далее переходят от линейной системы координат к двухкоординатной системе с осью абсцисс Х и осью ординат Y, абсцисса в которой равна
,
а ордината
где i - координата в линейной системе координат (порядковый номер точки контроля), n - количество зон размещения складских грузовых платформ по оси ординат в контролируемом помещении,  - целая часть результата деления.
Устройство автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ содержит блок N дискретных датчиков релейного типа, размещенных в N контрольных точках и орган обработки информационных сигналов, вход которого подключен к выходу канала связи, кроме этого блок суммирования масштабированных токов с коэффициентом масштабирования по каждому входу, пропорциональным номеру этого входа, причем i-й вход блока суммирования масштабированных токов подключен ко выходу i-ого датчика, а выход блока суммирования масштабированных токов соединен с входом канала связи, орган обработки информации содержит блок преобразования тока в напряжение, вычитатель, АЦП, вычислитель, блок памяти, ЦАП, пороговый элемент, одновибратор и два элемента задержки сигнала, причем вход органа обработки информации соединен с входом блока преобразования тока в напряжение, выход которого соединен с первым входом вычитателя, ко второму входу которого подключен выход ЦАП, а выход ко входу АЦП, информационные выходы которого подключены к первым информационным входам вычислителя, первые управляющие выходы которого являются выходами управления платформой всего устройства, а первые и вторые информационные выходы соединены с первыми и вторыми информационными входами блока памяти соответственно, третьи информационные выходы вычислителя являются первыми информационными входами мнемосхемы склада, ко вторым информационным входам которого подключены первые информационные выходы блока памяти, вторые информационные выходы которого подключены к информационным входам ЦАП и вторым информационным входам вычислителя, третьи информационные входы которого подключены к выходам пульта оператора, выход вычитателя подключен через последовательно соединенный пороговый элемент, S-вход RS-триггера, одновибратор и первый элемент задержки сигнала ко входу стробирования АЦП, который соединен с R-входом RS-триггера и через второй элемент задержки сигнала со входом стробирования вычислителя, а второй и третий управляющие выходы последнего соединены с соответствующими входами "ЗАПИСЬ" блока памяти.
Причем в устройстве автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ блок суммирования токов состоит из N резисторов, причем величина i-ого резистора обратно пропорциональна его номеру i, первый конец i-ого резистора подключен ко i-ому входу блока суммирования токов, а вторые концы всех резисторов блока суммирования токов объединены и подключены к его выходу.
1
2
N
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема устройства, где показан один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа, где дискретные датчики положения выполнены на герконах Д, Д, …, Д и смонтированы на местах размещения, которые срабатывают от постоянных магнитов, установленных на складских грузовых платформах. На фиг.2 приведены выделенные зоны размещения складских грузовых платформ и возможная траектория движения складской грузовой платформы.
Устройство для контроля складского помещения содержит блок N дискретных датчиков положения 1 (релейного типа), которые определяют контрольные точки присутствия складских грузовых платформ в соответствующей зоне размещения в контролируемом помещении, блок масштабирования и суммирования токов 2, канал связи 3, орган обработки информации 4. Орган обработки информации 4, в свою очередь, включает блок преобразования тока в напряжение 5, вычитатель 6, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 7, вычислитель 8, блок памяти 9, состоящий из двух подблоков (линейной системе координат 9.1 и двухкоординатной системе 9.2), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10, пороговый элемент 11, RS-триггер 12, одновибратор 13, два элемента задержки сигнала 14, 15, информационные выходы вычислителя 8 к мнемосхеме склада 16, вход вычислителя 8 от пульта оператора 17 и выход управления 18. Вычислитель 8 может быть реализован в виде компьютера, для которого пульт оператора 17 является клавиатурой, а мнемосхема склада отображается на его дисплеи.
Входы блока суммирования масштабированных токов 2 подключены к выходам соответствующего датчика блока дискретных датчиков 1 релейного типа, а выход ко входу канала связи 3. Выход канала связи 3 подключен ко входу органа обработки информации 4. В органе обработки информации 4 его вход соединен со входом блока преобразования тока в напряжение 5. Выход блока преобразования тока в напряжение 5 соединен с первым входом вычитателя 6, второй вход которого соединен с выходом ЦАП 10. Выход вычитателя 6 соединен со входом АЦП 7, информационные выходы которого подключены к первым информационным входам вычислителя 8. Первые и вторые информационные выходы вычислителя 8 соединены соответственно с первыми и вторыми информационными входами блока памяти 9, а третьи информационные выходы вычислителя 8 являются первыми информационными входами мнемосхемы склада 16, вторыми информационными входами которой являются первые информационные выходы блока памяти 9, вторые информационные выходы которого соединены со вторыми информационными входами вычислителя 8 и информационными входами ЦАП 10. Первый выход управления вычислителя 8 подключен к выходу органа обработки сигнала 4 и к выходу устройства автоматического контроля перемещения складских грузовых платформ, а второй и третий выходы управления вычислителя 8 подключены к соответствующим входам "ЗАПИСЬ" блока памяти 9. Выход вычитателя 6 подключен также через последовательно соединенные пороговый элемент 11, S-вход SR-триггера 12, одновибратор 13 и первый элемент задержки 14 ко входу стробирования АЦП 7. Вход стробирования АЦП 7 соединен с R-входом RS-триггера 12 и через второй элемент задержки 15 со входом синхронизации вычислителя 8.
Блок дискретных датчиков 1 релейного типа может быть реализован в виде герконовых датчиков положения, которые смонтированы на местах адресования, а постоянный магнит на складских грузовых платформах. Блок преобразования тока в напряжение 5 может быть реализован в простейшем случае в виде резистора нагрузки для канала связи 3, приведенного на фиг.1, а канал связи 3 в виде токовой витой пары.
Предложенное устройство работает следующим образом.
1
2
N
i
В исходном состоянии нумеруют последовательно датчики блока дискретных датчиков Д, Д, …, Д (герконовые датчики положения смонтированы на местах адресования, а постоянный магнит на складской грузовой платформе). В блоке суммирования масштабированных токов 2 от каждого дискретного датчика определяются токи I пропорционально номеру i датчика
,
1
1
где i - порядковый номер сработавшего датчика, Е - напряжение источника напряжения, а I - ток от первого датчика Д.
В исходном состоянии блок памяти 9 обнулен и на выходе цифроаналогового преобразователя установлено напряжение "0 В". В вычислитель 8 пультом оператора 17 (клавиатура компьютера) введены координаты места адресования и жесткая логическая схема управления перемещением платформы от текущего места адресования к следующему.
1
1
2
N
При включении устройства и поступлении в помещение склада складской грузовой платформы в точке суммирования S суммируются токи от датчиков Д, Д, …, Д
,
На начальном этапе функционирования устройства, когда еще отсутствуют установленные в помещении склада платформы в конечных координатах места адресования, поскольку по помещению склада перемещается одна складская грузовая платформа, суммарный ток будет равен
.
Σ
Σ
Суммарный ток I по однопроводному каналу связи 3 поступает в орган обработки информации 4, где в блоке преобразования тока в напряжение 5 преобразуют в пропорциональное напряжение U.
Σ
По величине результирующего напряжения ΔU при условии, что шаг квантования аналогово-цифровой преобразователь 7 равен , на выходе АЦП 7 идентифицируется номер i в виде линейной координаты. Для формирования сигнала синхронизации АЦП 7 используется пороговый элемент 11, который формирует прямоугольный импульс из сигнала на выходе вычитателя 6. Данный импульс взводит по S-входу SR-триггера 12. В одновибраторе 13 формируется импульс, который удовлетворяет требованиям надежного срабатывания АЦП 7. Сформированный импульс, задержанный на первом элементе задержки 14, поступает на вход синхронизации АЦП 7 и определяет момент его срабатывания. Задержка элемента 14 определяется временем надежного срабатывания (по окончании времени дребезга) герконов и временем завершения переходных процессов на выходе вычитателя 6, связанных с переключением ЦАП 10 от изменившейся линейной координаты с выходов блока памяти 9.1. После того как с выходов АЦП 7 установится код на входы вычислителя 8, на его вход синхронизации подается импульс срабатывания с выхода элемента задержки 15, т.е. задержка элемента 15 определяется временем надежного срабатывания АЦП 7.
Таким образом, в устройстве по однопроводному каналу связи 3 поступает информация о координате складской грузовой платформы. При получении информации от дискретного датчика места адресования, размещенного в N контрольных точках на входах вычислителя 8, формируется номер в линейной системе координат для принятия решения о текущей координате складской грузовой платформы. В вычислителе 8 осуществляется переход от линейной системы координат к двухкоординатной системе с осью абсцисс Х и осью ординат Y, абсцисса в которой равна
,
а ордината
где i - координата положения в линейной системе координат (порядковый номер точки контроля), n - количество зон размещения складских грузовых платформ по оси ординат в контролируемом помещении,  - целая часть результата деления.
При достижении складской грузовой платформой координаты конечного ее размещения, т.е. при совпадении текущей координаты платформы с заданной в вычислителе 8 ее конечной координатой перемещения по помещению склада формируется от вычислителя 8 сигналы по входам "ЗАПИСЬ" блока памяти 9, в который заносится координата (как в линейной 9.1, так и двухкоординатной системе 9.2) конечного размещения платформы, где она и накапливается. Накопленная в блоке памяти 9.1 информация используется для последующих расчетов в вычислителе 8 при формировании алгоритма управления перемещением очередной складской грузовой платформы по цепи поставки от текущего места адресования к следующему в реальном времени. Кроме этого суммарные данные о линейных координатах конечного размещения складских грузовых платформ в помещении склада с выходов блока памяти 9.1 преобразуются в цифроаналоговом преобразователе 10 в суммарное напряжение. Полученное в цифроаналоговом преобразователе 10 суммарное напряжение вычитается в вычитателе 6 из напряжения, полученного с выхода преобразователя тока в напряжение 5, т.е. на выходе вычитателя 6 формируется напряжение, пропорциональное лишь коду перемещающейся по складу складской грузовой платформы.
Кроме этого в вычислителе 8 определяется информация в двухкоординатной системе о положении складских грузовых платформ для формирования мнемосхемы склада в реальном времени, с учетом как перемещающейся к заданной зоне адресации складской грузовой платформы (на выходе вычислителя 8), так и складских грузовых платформ, размещенных в зоне конечной адресации, накапливаемой в блоке памяти 9.2. Кроме этого при полном заполнении помещения склада на выходе блока памяти 9.2 формируется сигнал об этом. Данная информация передается на мнемосхему склада (в дисплей компьютера) по информационным выходам 16.
С учетом полученной мнемосхемы склада в вычислителе 8 на основании внесенной в него жесткой логической схемы управления перемещением платформы по управляющему выходу 18 формируется алгоритм управления перемещением очередной складской грузовой платформы по цепи поставки от текущего места адресования к следующему в реальном времени.
При переходе к этапу отгрузки платформ функционирование предлагаемого устройства осуществляется аналогично с той только разницей, что при старте алгоритма на отгрузку складской грузовой платформы в вычислителе 8 из суммарной координаты вычитается начальная координата (соответственно линейная и двухкоординатная) отгружаемой складской грузовой платформы.
i,i+1
i,i+1
Причем в устройстве, задав изначально в вычислителе 8 информацию о расстоянии S между двумя соседними точками адресования (i, i+1) и зарегистрировав интервал времени t между ними, как время между двумя идентификациями координаты в вычислителе 8, возможно осуществлять и расчет средней скорости перемещения платформы между i, i+1 точками адресования.
Используемая литература
1. Финкенцеллер К. RFID-технологии. Справочное пособие / К.Финкенцеллер; пер. с нем. Сойунханова Н.М. - М.: Додэка-XXI, 2010. - 496 с.