金屬材料立體數字化存儲新模式研究

文/王淑艷 趙 斐 周 亮

1.引言

隨著航天事業的發展，保障型號生產的相關金屬物資的存儲和管理變得越來越重要。航天一院物流中心原有的金屬材料堆存方式采用的是傳統的就地堆碼加天車、叉車進行裝卸作業的形式。完全依靠人工搬運和手工記賬來實現，落后的管理模式已無法滿足我院“十二五”期間高強密度發射任務要求的多個型號同時進行齊套、交裝、庫房倉儲、轉運的能力，嚴重影響齊套、交裝周期和管理質量，無法滿足各型號任務需求。隨著高密度發射及武器型號批產等要求，對于金屬材料的存儲量和出入庫作業量的需求急劇上升。傳統模式占地過大、作業效率過低、管理水平不高等問題日益凸顯。為了解決金屬材料庫存在的各種問題，物流中心決定引進金屬材料的立體數字化存儲模式進行金屬材料的存儲[1～4]。

通過建立金屬材料的自動化立體庫，提高金屬材料庫的倉儲能力，同時建立先進的倉儲管理系統，不斷改進金屬材料等相關物資產品的管理模式，滿足高強密度發射任務的迫切需求，從而實現從粗放型管理向集約型管理轉變，從傳統經驗管理向科學化管理轉變，實現特裝物資倉儲實物作業的自動化、信息化和精細化管理。

2.金屬材料數字化存儲系統體系架構

金屬材料庫的集成化物流監控調度和自動化控制系統(以下簡稱WCS)，體系結構分為如下三個層次，即信息管理層──過程監控層──實時控制層，采用三級聯網的在線聯機方式，在此之上是企業的WMS系統。

信息管理層是企業的WMS管理系統，實現物料管理和作業任務的產生；

過程監控層是聯系信息管理級和實時控制級的紐帶。由它完成兩級間的通信傳輸及信息交換，對作業任務進行調度監控，可動畫顯示系統的作業狀態；

最下層的實時控制層是配置在單機設備上的PLC。由它完成單機自動的功能和與上級監控的信息通信聯絡；

系統結構見“計算機管理信息與自動化控制系統組態圖”。

圖 計算機管理信息與自動化控制系統組態圖

WCS與WMS系統接口說明如下：WCS與WMS接口數據采用數據庫交互的模式，進行數據的流通，主要進行如下主體流程：

（1）WMS下發新的上架、揀貨任務，WCS接收；

a)在WM S系統上執行了涉及的AS/RS的上架、揀貨任務之后，便將相關的信息，寫入接口表INTER_WMS_TASK中，這個表位于WMS的數據庫中；

b)WCS程序定時的訪問WM S數據庫中的接口表INTER_WM S_TASK，如果發現有新的數據到來，將數據轉換，讀入WCS數據庫表WCS_TASK中；

c)讀入完成后，刪除接口表INTER_WMS_TASK中已經獲取的數據。

（2）WCS返回揀貨完成信息，WMS接收；

a)在WCS系統處理AS/RS上架、揀貨信息后，數據存儲到WCS數據庫中的INTER_WCS_TASK表中；

b)WCS程序定時將WCS數據庫中的INTER_WCS_TASK表中數據傳輸到WMS數據庫中的INTER_WCS_TASK中；

c)WMS程序定時的訪問接口表INTER_WCS_TASK，如果發現有新的數據到來，將數據獲取，之后進行刪除；

d)WMS系統通過數據庫觸發器的方式，將已經刪除的數據備份到數據庫表INTER_WCS_TASK_LOG表中。

3.金屬材料數字化存儲系統的關鍵技術

監控調度系統和自動化控制是金屬材料數字化存儲系統的精髓，其水平高低決定了金屬材料庫物流倉儲設備系統自動化水平的高低。要順利完成物流系統中的各種特定的任務，依靠的是過程監控調度和自動化控制技術與自動化物流倉儲設備系統中各技術部件的有機組合。

金屬材料數字化存儲系統中全套設備的功能集于物流和信息流控制緊密結合，即在計算機控制軟件中設置了一套對物流運動進行動態跟蹤的信息流系統，實現貨物搬運、存取機械化、管理自動化，使材料、配件的貯存、管理、周轉聯成一體，確立合理的貯存量，減少倉貯費用，建立最佳的物流組織形式。

3.1.WCS系統功能

3.1.1 任務管理與任務調度

提供波次處理下的任務（指令）的緩存和管理，包括任務優先級的管理等。WMS產生指令后，并不能立即執行，必須由WCS系統完成其驅動。任務管理還提供指令的增加/修改/刪除等操作。詳細功能包括：

☆對于從WMS接收到的任務數據進行轉化處理。

☆對于得到的任務進行合理的排序，主要兼顧以下內容：按照WMS發送指令的優先級；按照出入庫的內部邏輯次序；當系統出現錯誤情況時，重新調整出入庫任務操作次序；最優化出入庫路徑操作。

☆對于現在存在的指令進行指定的操作：包括提供指令，協助WMS在執行以下非常規操作情況下對于指令的增加、刪除與修改操作；在設備問題恢復的時候，提供相關恢復指令的操作，滿足任務的繼續進行。

☆對于系統中存在的任務（正在執行，等待執行，執行完成的）做到可見可查。

☆對于系統執行出現的錯誤，做到可見可查，并提供相關錯誤的解決處理流程。

3.1.2 通訊功能

WCS的主要功能還有提供通訊功能。一方面將指令傳送到自動化設備，完成自動控制過程中的通訊，另一方面，WCS接受自動控制系統返回的各種數據，如完成情況、位置情況、故障情況等。WCS是自動控制系統與WMS系統之間的連接紐帶和橋梁。詳細功能主要有：

☆接收WMS的任務，轉化成為WCS的任務。

☆分解任務，發送給下位設備。

☆實時接收下位設備狀態電報，監控下位設備狀態。

☆接受下位設備完成電報，更新相應WCS任務，繼續完成當前任務或者結束當前任務。

☆WCS任務完成，回傳指令給與WMS系統。

☆接受下位設備錯誤，更新相應設備狀態信息。

3.1.3 動畫顯示功能

對包括堆垛機、輸送機的運行狀態以圖形動畫方式進行實時、準確顯示，對入出庫任務及堆垛機指令流數據，以及設備、通訊故障的顯示。

3.1.4 系統接口

需要有詳細的通訊協議，接口內容包括（不限于）：

☆WCS與AS/RS系統之間的通訊協議。

☆WCS系統與揀選輸送系統之間的通訊協議。

☆WCS與DPS之間的通訊協議。

☆WCS系統與WMS系統之間的接口通訊協議，集成方式可采用數據庫表或Web Service等方式，實現實時數據交換。

3.2.接口與通信

3.2.1 WCS系統作為一個獨立的系統，有自己獨立的服務器和數據庫，在沒有主系統的情況下可以獨立執行物流系統的所有操作；

3.2.2 WCS提供與上位WMS系統的通信能力，針對不同系統之間通信的條件不一樣；

☆數據庫在線雙向聯系

·兩者的數據庫可直接交換數據，實現域間連接；

·條件是兩者具備相同的數據庫系統(如O racle)。

☆任務間的在線聯系

·采用標準化協議TCP/IP；

·條件是數據庫同構，操作系統采用W indow s。

☆確認文本傳輸

·文件間的確認傳輸；

·TCP/IP協議。

☆W CS支持以上任何一種方式的通信，從而實現與主控WMS系統的通信。

3.2.3 WCS提供與上位WMS系統的接口，提供標準規范、能夠與主流WMS系統實現無縫集成的倉庫設備控制系統（WCS系統），實現WCS系統與自動化倉儲設備PLC的集成，并通過實現WCS系統與WMS系統的集成，建立在WMS系統管理下、一體化集成的倉儲管理與控制系統。

4.金屬材料數字化存儲系統的組成

本系統具有條形碼自動識別、入出庫作業自動控制、作業狀態監視、故障自動報警以及位置、狀態、外形和安全的自動檢測等功能。主要包括條形碼自動識別系統、過程監控系統、堆垛機控制系統、入出庫輸送控制系統、數據通信系統及檢測系統等。

4.1 條形碼自動識別系統

該系統是整個自動控制系統中自動識別托盤和貨物的重要手段，具有自動識別托盤和貨物條碼(含托盤流水號、托盤貨物詳細信息編碼等)，能進行標準RS232接口的數據通信、處理、檢驗，并具較強的整機自檢功能。

采用條形碼自動識別系統，可以部分或全部代替人工鍵盤輸入，減少可能出現錯誤的操作環節，減輕勞動強度，提高作業效率。

4.2 過程監控系統

過程監控系統是立體倉庫自動化作業的組織調度核心，采用微機CRT動態仿真實時監控。根據管理軟件自動分配好作業地址信息，按運行時間最短、作業間的合理分配等原則對作業順序進行優化組合排定，經數據處理后向堆垛機、輸送機等主要機電設備的控制器分發作業命令。系統接收實時控制級的信息反饋，并對主要設備的運行位置、作業狀態、貨位占位情況、托盤載物情況和運行故障等信息物流狀態進行大屏幕CRT實時動態仿真顯示。

4.2.1 監控系統工作方式

·在線方式(ONLINE)：與管理級聯機，自動完成系統監控功能；

·離線方式(OFFLINE)：脫離管理級，作業資料直接由操作者通過監控系統下發命令，系統自動進行作業及監視。

4.2.2 監控內容

·顯示管理機下達的各種命令及資料；

·動態畫面顯示各類機電設備運行狀態及作業流程；

·顯示各類機電設備故障及報警信息。

4.2.3 平面、正面及側面動畫

立體庫管理控制系統所含范圍內各設備的靜動態位置、作業狀態(工作還是待機、正常還是故障、入庫還是出庫)及設備所載貨盤的物流動態通過實際平面圖形顯示。同時在屏幕的適當位置設有各設備的狀態表，用漢字和數字顯示設備的作業狀態和運行位置，并故障報警。三幅畫面均以兩維的形式顯示堆垛機的運行、載貨臺的升降與貨叉的作業。

4.2.4 靜態畫面

可在大屏幕上任意顯示立體倉庫貨架每一排或每一列或每一層貨位的托盤占位情況。顯示貨位狀態可用白色(空貨位)、紅色(有貨)、黃色(準備入庫)、綠色(準備出庫)、淺藍色(需回流)、棕色(空托盤)、藍色(多品種)來區分。

4.3 巷道堆垛機控制系統

本系統采用可靠性高、功能穩定、抗干擾能力強的工業型可編程控器(PLC)和交流變頻調速器作為控制單元，具有自動或手動操作功能，能與上位機進行雙向通信。對堆垛機運行方向、運行速度、自動認址及托盤的存取進行優化控制，具有安全聯鎖保護及故障診斷和報警處理功能。采取以下措施更強化了系統的可靠性。

4.3.1 選用分布式控制，模塊化結構方案。這種方案的最大優點是控制程序簡化，便于操作維護。一旦某臺控制單元出現故障，不會危及其它控制器的工作，不會導致整個控制系統的癱瘓；

4.3.2 控制單元選用模塊式結構，當某個模塊發生故障，在幾分鐘內便可更換備用模塊，使系統重新投入運行；

4.3.3 堆垛機均可實現自動/手動(半自動)操作。在全自動工作狀態下，堆垛機控制器與監控計算機自動進行資料及信息的交換，實現入出庫的自動作業。當網絡環境或管理計算機出現故障時，控制系統仍可獨立地改用單機自動/手動(半自動)方式進行入出庫作業；

4.3.4 堆垛機的運行速度直接影響到入出庫作業的效率。采用交流變頻調速方案可滿足堆垛機的平穩入出庫操作和高速運行兩種不同的工作方式；

4.3.5 采取一系列聯鎖和保護措施，可對異常情況進行報警或自動處理，并向管理監控計算機反饋處理結果信息；

4.3.6 控制系統具備點動糾偏功能，可部分糾正慣性作用造成的停位不準。

4.4 入出庫輸送控制系統

本系統也采用可編程控器作為控制單元，具有自動或手動操作功能，能與上位機進行雙向通信。根據作業命令對各段輸送機的協調動作進行優化控制，以完成輸送、分岔、合流、暫存、聯鎖保護等各項任務，具有故障報警和處理功能，并對輸送系統上移動的托盤貨物進行跟蹤和定位。

該系統除接收監控計算機作業命令外，還向監控機返回作業狀態、故障診斷報警、托盤貨物位置、電機運行等情況，作為監控機過程監控依據。

4.5 數據通信系統

它將監控計算機系統與各實時控制系統聯系在一起相互進行資料交換，以便形成三級在線聯機自動控制系統的必須環節。

4.5.1 巷道堆垛機與上位機通信可采用紅外光數據通信技術，其主要優點是：

·無線連接，即無需將兩個通信點用電纜或光纜進行物理連接；

·抗干擾能力強，不受電干擾源及磁場干擾源的影響；

·通信頻帶寬，速度快，容量大；

4.5.2 入出庫輸送系統與上位機通信采用Profi-BUS固定通信電纜。

4.6 檢測系統

它是提高自動化程度及作業效率并保證各設備完成正常作業的重要手段。本庫主要包括堆垛機檢測系統、入出庫輸送設備檢測系統，其涉及內容如下。

4.6.1 堆垛機認址、極限位置、貨位虛實、貨物超差、鋼絲繩(或鏈條)松繩過載、載貨貨叉狀態檢測等；

4.6.2 輸送系統上托盤貨物位置跟蹤、外形尺寸檢測等；

4.6.3 系統電源異常和電機過熱保護檢測等；

4.6.4 啟停條件、故障診斷、安全保護及運行聯鎖保護檢測等；

4.6.5 檢測方式主要是光電式。

5.結束語

在航天一院物流中心的金屬材料庫采用自動化立體庫的形式后，解決了金屬材料存儲中的各種問題，我們相信隨著我國金屬材料存儲方式的發展，對自動化物流系統的認識也會逐步提高。在本解決方案的基礎之上，將會有更多更完善的金屬材料立體存儲的物流系統解決方案會不斷涌現出來。

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