自動化立體倉庫監控系統典型結構模式分析

摘要：論文介紹了自動化立體倉庫監控系統的典型結構模式，并分析了集中控制式、功能分散式、分層分布式的結構特點；并通過與集中控制式比較，重點分析了分層分布式自動化立體倉庫監控系統結構的優缺點；對自動化立體倉庫監控系統結構的發展趨勢進行了概述。

關鍵詞：自動化立體倉庫監控系統結構；集中控制式；功能分散式；分層分布式

中圖分類號：F715.6文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2008)02-0040-04

Abstract: The paper introduces the automated multi-layered storehouse supervisory system modular design pattern， and analyzes the common control type， the function disperser -like， lamination distributional unique feature and through comparing with the common control type， analyzes the lamination distributional automation multi-layered storehouse supervisory system structure good and bad points; carries on the outline to the automated multi-layered storehouse supervisory system structure trend of development.

Key words: automated multi-layered storehouse supervisory system structure; common control type; function disperser-like type; lamination distributional type

1概述

自動化立體倉庫是物料搬運、倉儲科學的一門綜合科學技術工程。它以高層立體貨架為主要標志，以成套先進的搬運設備為基礎，以先進的計算機控制技術為主要手段，實現搬運、存取機械化、自動化，儲存管理現代化的新型倉庫。它具有占地面積小、儲存量大、周轉快的優點，是集信息、存儲、管理于一體的高技術密集型機電一體化產物。它是在不直接進行人工處理的情況下能自動地存儲和取出物料的系統，是物流的重要組成部分，能夠產生巨大的社會效益和經濟效益。

在20世紀70年代末80年代初，我國的單板機技術在工業控制中使用，相應地采用單板機對自動化倉庫的設備進行控制，實際上那時是用一套容量大、I/O接口多的單板機系統對自動化立體倉庫進行控制的，系統接線復雜，故障率較高。隨后，一些新技術不斷在自動化立體倉庫中使用，甚至可以實現“無人值班，少人值守”。北京起重運輸機械研究所是國內最早研制開發自動化立體倉庫系統的單位之一，曾成功研制國內第一座自動化立體倉庫系統（1973年，北京汽車制造廠自動化立體倉庫）。根據不完全統計，到目前為止，蘇州市富士達倉儲成套設備有限公司，深圳洛捷斯、上海高惠物流技術工程有限公司、南京六維物流自動化設備工程有限公司等單位均自主開發研制了擁有自主知識產權的自動化立體倉庫監控系統，并在國內400多個自動化立體倉庫內應用，為我國的自動化立體倉庫監控技術的進步作出了積極的貢獻。

在這20多年的發展過程中，隨著自動化立體倉庫監控技術的進步，自動化立體倉庫監控系統的結構模式，由20世紀80年代末的集中控制模式，發展到功能分布式模式，再發展到90年代中后期的分層分布式模式，現場總線技術模式等，實現了技術升級，產品換代。

2幾種典型的自動化立體倉庫監控系統結構模式

自動化立體倉庫監控系統是指整個自動化立體倉庫設備的控制、測量、監視、保護均由計算機系統來完成。自動化立體倉庫監控代替了常規控制設備，監視設備運行情況和保護設備，完成自動輸送設備、自動分揀設備的開停機控制和運行控制，AGV設備的控制，完成對自動堆垛機等各種運行設備存取動作的控制，如發布作業命令設置、確定作業狀態、位置計數控制、定位減速控制、位置校驗與定位檢測控制、安全保護控制；位置顯示控制、工作故障報警控制以及參數的在線監視，報表打印，系統設備的自檢等功能。計算機完成這些功能，需要對這些系統中的設備進行分布。按這些對象（設備）的被分布方式分為集中控制式，功能分布式，和分層分布式。

2.1集中控制式自動化立體倉庫監控系統。早期的自動化立體倉庫監控系統以集中控制式為主，主要是因為技術和價格的因素。早期，計算機比較昂貴，對于一個中型自動化立體倉庫而言，一般只設一臺計算機對全廠設備進行集中監控。這種系統的基本特點是不分層，即不設采用計算機的現地控制級設備。整個自動化立體庫的計算處理工作，都在這臺計算機上完成。很多信息都要送到這臺計算機上，所有操作、控制指令也都從這臺計算機發出。因此，只要這臺計算機出現故障，整個系統就易于癱瘓。此時，只能改用手動控制運行，系統性能大大降低，這是這種控制模式的致命弱點。同時，由于受計算機性能限制，集中控制式自動化立體倉庫控制系統的功能較弱，只能完成一些主要監控功能，還不能取代傳統的常規自動控制系統。象自動輸送機系統、自動分揀系統設備的自動開停機控制，輔助設備的控制等均需由常規自動控制系統完成，由計算機向這些常規自動控制系統發出開停機命令，常規自動控制系統完成執行工作。其次，系統中計算機要完成的工作內容多，造成計算機工作的實時性要差一些，速度方面較慢。另外，很多信息要送到這臺計算機上，現場需要鋪設很多電纜，自動輸送機、自動分揀生產線數量、自動堆垛機越多，電纜也越多，這增加了投資，且降低了系統的可靠性。電纜及接頭容易發生故障，通信也是薄弱環節。

為了克服過分依賴一臺計算機的缺點，可以再增設一臺備用計算機，以提高整個系統的可靠性。因此，出現三種備用方式。

（1）冷備用方式。此種方式中，一臺計算機為工作計算機，或稱主計算機，另一臺計算機為備用計算機。平時備用計算機不參加生產過程的控制，只擔任一些離線計算和程序開發等任務。一旦主計算機發生故障，備用計算機就啟動或切換，取代發生故障的主計算機對生產過程進行控制。但由于取代有一段過程，可能丟失一部分信息，在這段時間內，系統實際處于停滯狀態。

（2）溫備用方式。溫備用的計算機是經常運轉的，在正常情況下，只承擔一些離線任務。它的存儲器周期性地被來自主計算機的實時數據所更新，這可通過周期性地連接數據庫、事件表和檔案庫來實現。由于備用計算機不需啟動，切換取代時間比較短，丟失數據的范圍比較小，但不能完全避免。此外，還存在可能接收切換前主計算機處理的錯誤數據的危險。

（3）熱備用方式。熱備用計算機和主計算機同時并列運行，執行同樣的程序。來自生產過程的數據由兩臺計算機獨立地進行處理。它們之間的差別在于，只有主計算機的輸出是真正接到生產過程的。如果主計算機發生故障，備用計算機可立即取而代之。這樣解決了丟失信息和接受錯誤信息的問題。但為此付出了一定代價，即備用計算機不再承擔離線任務。這種方式用在對系統可靠性要求比較高的場合。隨著計算機價格的下降，這種方式在一些中小型自動化立體倉庫用得比較多。

集中式計算機監控系統也有幾種發展形式。單計算機系統，雙計算機系統（主計算機和備用計算機，主計算機和前置計算機），雙計算機帶雙前置計算機系統，以數據庫為核心的多計算機系統。總的來說，集中控制式自動化立體倉庫監控系統可靠性比較低，雖然投資較少，但在一些中大型自動化立體倉庫不采用，只用在小型自動化立體倉庫，或自動設備數量較少，控制功能簡單的中小型自動化立體倉庫。

2.2功能分散式自動化立體倉庫監控系統。隨著計算機價格的下降和自動化立體倉庫對監控系統可靠性要求的提高，為了克服上述集中式監控系統的部分缺點，出現了功能分散式監控系統。此時，計算機實現的各種功能不再由一臺計算機完成，而由多臺計算機分別完成。各臺計算機只負責完成某一項或一項以上的任務，結果出現了一系列完成專項功能的計算機，如數據采集用計算機、調整控制用計算機、事件記錄用計算機、通信用計算機等。這是一種橫向的分散，功能的分散。某一臺計算機出故障，只影響某一功能，而其他功能仍然可以實施，可靠性在某種程度上有所提高。由于功能分散，每臺計算機的負載可以減少，一般均由微機來承擔。這樣就出現多微機系統，即可用多臺微機來完成原先由一臺高性能小型機完成的任務，經濟上也是合算的。

缺點：功能分散式自動化立體倉庫監控系統仍沒有解決集中式監控系統的所有問題。如某個功能裝置計算機故障，則全部自動化立體庫的這部分功能均將消失，影響較大；而且仍然沒有解決要將所有信息集中到一處（用電纜）所帶來的問題；系統可靠性仍然不高。這種功能分散式自動化立體倉庫監控系統很少采用。

2.3分層分布式自動化立體倉庫監控系統。上述信息過于集中的矛盾可以用分布處理的方式來解決。自動化立體倉庫采用的處理通常與分層控制結合在一起，它實質是一種分層分布式監控系統。

分層分布式監控系統在地域上是分散分布的。按控制對象進行分散。自動化立體倉庫的控制對象是自動輸送機系統、自動分揀機系統、自動堆垛機、AGV、其它自動化設備等。按控制對象設置單獨的控制單元，稱作現地控制站，它們是由微機或PLC構成，組成了現地控制級（或稱現地控制層）。中央控制站與PLC信息交換，該控制站也設計算機，它負責控制整個立體庫的功能。中央控制級本身也可以是一個功能分散的系統，由多臺計算機組成。中央控制站與PLC通信的交換信息有：任務信息、應答信息、查詢信息等。任務信息包括作業指令（入庫、出庫和盤庫）和作業地址（源地址、目標地址）；應答信息是下位機接收到監控機發出的命令字后回送給監控機的信息；查詢信息是監控機每隔一定時間（很短）對所有下位機標志位區進行一輪查詢，如查詢堆垛機與分配車的位置信息、任務完成信息、故障信息等，每一輪新的查詢后，堆垛機和分配車的狀態就在監控級的CRT上予以動態顯示。

在現地層，某個控制單元發生故障，只影響局部的自動化控制設備，而不影響整個自動化立體庫的運行。由于信息進行了分布處理，一些現地自動化設備的信息由所控制的某個控制單元（控制站）進行處理，就不必敷設許多電纜將信息送到一處集中處理了，可以節省相應的投資。由于上述原因，整個系統的可靠性也得到顯著提高。

分層分布式自動化立體倉庫監控系統，按通信方式的不同，又有兩種類型。一種是上位機（中央控制站）與控制站采用RS-232/RS-485串行通信；一種是采用網絡通信。

上位機和現地控制站串行通信又可采用不帶前置機和帶前置機兩種結構方式。

采用網絡通信，可分為星型網絡、環行網絡、總線網絡通信方式。總線網通信，可采用以太網，位總線網。其中以太網，又可分單以太網，雙以太網網絡結構。

下面是幾種分層分布式自動化立體倉庫監控系統的結構示意圖：

（1）不帶前置機的RS232/RS485串行通信分層分布式自動化立體倉庫監控系統結構

（2）帶前置機的RS232/RS485串行通信分層分布式自動化立體倉庫監控系統結構

（3）雙計算機系統分層分布式自動化立體倉庫監控系統結構

（4）多計算機系統分層分布式自動化立體倉庫監控系統結構（雙以太網多機系統）

對于一些特大型自動化立體倉庫，為了提高它的可靠性，在中央控制級采用多機互為熱備用系統，同時網絡結構采用雙以太網。

3分層分布式自動化立體倉庫監控系統的優缺點

集中式自動化立體倉庫監控系統和功能分布式自動化立體倉庫監控系統，因為它們本身的弱點而成為逐漸淘汰的自動化立體倉庫監控系統結構，現在已經逐漸減少在自動化立體倉庫中使用，而用得最多的是分層分布式自動化立體倉庫監控系統。這是由它的特點，即性價比高，可靠性高等因素決定的。與集中控制式比較，分層分布式自動化立體倉庫監控系統的優點為：

（1）凡是不涉及全系統性質的監控功能可安排在較低層實現，這不僅加速了控制過程實現，即提高了響應性能，而且減輕了控制中心的負擔，減少了大量的信息傳輸，也提高了系統的可靠性。

（2）在分層控制系統中，即使系統的某個部分因發生故障而停止工作，系統的其他部分仍能正常工作，分層之間還可互為備用，從而大大提高了整個系統的可靠性。

（3）采用分層控制時，對控制設備和信息傳輸設備的要求可適當降低，需要傳送的信量減少，敷設的電纜也大大減少，主計算機的負擔也減輕，這些均導致監控系統設備投資的減少。

（4）可以靈活適應被控制生產過程的變更和擴大，可實施分階段投資，這些都提高系統的靈活性和經濟性。

（5）由于分層控制方式通常采用多機系統，各級計算機容量和配置可以與要實現的功能更為緊密地配合，使最低一層的計算機更為實用，整個系統的工作效率更高。

任何事物都具有兩面性。分層控制方式在具備上述優點的同時，也存在一些缺點：整個系統因為采用分層控制，而變得控制更為復雜。常常需要迭代式控制，即達到最終需要實現的工況，往往不能靠一次計算控制，需要多次迭代計算完成，因而降低了整個控制的實時性；多機系統的軟件相當復雜，需要很好地協調，而加強協調，可以增進系統的性能，但增加系統的集中程度，降低了系統的可靠性。

4自動化立體倉庫監控系統結構發展趨勢

自動化立體倉庫正處于不斷發展和完善階段，國內外在建設物流系統及自動化立體倉庫方面更注重實用性和安全性。大型自動化立體倉庫不再是發展方向，出現了規模更小、反映速度更快、用途更廣的自動化系統。在堆垛機方面，要求具有更高定位精度，提高搜索能力和運行速度；普遍采用條碼技術、掃描技術、射頻數據通信技術、數據的采集和處理交換能夠在搬運工具和中央的計算機之間快速進行。過去的分層分布系統中，都有一個或多個主計算機用于存放監控系統的數據庫。監控系統中各個子系統如操作員工作站，現地控制單元等，雖然通過網絡連接，具備共享信息的條件，但由于系統數據庫是集中式的，網絡中各節點的工作往往對系統數據庫有相當的依賴性，一旦主機出現故障，全系統功能都受影響。以分布式數據庫為特征的開放式分層分布系統是監控系統的一種新結構模式。在此系統中，網絡上各節點具有一定的功能，而且在各節點上分布著與該節點功能相關的數據庫。這樣，網絡上各節點之間可進行所需信息的交換，而不再依賴于庫級計算機。整個系統所接設備遵循IEEE，ISO，IEC等標準，并接入全開放式總線網絡，采用以UNIX操作系統為基礎的系統中。

最近，現場總線控制系統（FCS）在自動化立體倉庫中得到應用。這是一種最新一代的分布式控制結構。以前的分層分布式自動化立體倉庫監控系統采用三級結構，即廠級—現地級—現場儀表。各廠商的監控系統有各自的標準，難以互連；系統成本也較高。FCS的結構模式為二層：工作站—現場總線智能設備。這種結構模式可降低成本，提高可靠性。國際標準統一后，可實現真正的開放式互連系統結構。

5結束語

我國的自動化立體倉庫監控系統結構模式，從20世紀80年代初期的集中控制式，發展到功能分布式，分層分布式，再發展到全開放的分層分布式，現場總線控制系統（FCS），既提高了性價比，又提高了可靠性，實現了產品升級換代。我們在具體選用哪種自動化立體倉庫監控系統結構模式時，必須明確各種結構模式，網絡結構的優缺點，既要考慮自動化立體倉庫的規模大小，自動化設備臺數，也要考慮可靠性，可擴性，先進性等因素，還要考慮經濟性因素，以便綜合權衡，作出最佳決策。

參考文獻：

[1] 劉玲. 面向自動化立體倉庫倉儲管理與控制系統的技術研究[D]. 天津：天津大學（碩士學位論文），2006:4-8.

[2] 戴鵬，周曉鋒，耿乙文，等. 基于OPC的iFIX與PLC的通信[J]. 工礦自動化，2005(6):76-77.

[3] 姚小明，范多旺，馬國欣，等. 基于PROFIBUS現場總線的自動化立體車庫監控系統[J]. 蘭州交通大學學報，2005(3):102-105.

[4] 王平，苗朋厚，邢建春. iFIX組態軟件在鋼鐵廠生產調度監控系統中的應用[J]. 工業控制計算機，2002(6):51-53.

[5] 彭珍瑞，郭佑民，董海棠，等. 自動化立體倉庫管理監控系統研制與實現[J]. 蘭州鐵道學院學報，2001(4):8-11.

[6] 鄔再新，等. 郵包自動化立體倉庫的控制與管理系統設計[J]. 機械應用與研究，1999(4):36-38.

[7] 孔令中. 現代物流設備設計與選用[M]. 北京：化學工業出版社，2006:246-251.

[8] 王國華，等. 制造業物流系統規劃設計、運作與控制[M]. 北京：機械工業出版社，2006:125-127.

[9] 王定一. 水電廠監視與控制[M]. 北京：中國電力出版社，2001:14-22.

[10] 方輝欽. 現代水電廠監控技術與試驗[M]. 北京：中國電力出版社，2004:27-33.