金屬材料立體數(shù)字化存儲(chǔ)新模式研究

文/王淑艷 趙 斐 周 亮

1.引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，保障型號(hào)生產(chǎn)的相關(guān)金屬物資的存儲(chǔ)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(tǒng)的就地堆碼加天車、叉車進(jìn)行裝卸作業(yè)的形式。完全依靠人工搬運(yùn)和手工記賬來實(shí)現(xiàn)，落后的管理模式已無法滿足我院“十二五”期間高強(qiáng)密度發(fā)射任務(wù)要求的多個(gè)型號(hào)同時(shí)進(jìn)行齊套、交裝、庫房倉儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，嚴(yán)重影響齊套、交裝周期和管理質(zhì)量，無法滿足各型號(hào)任務(wù)需求。隨著高密度發(fā)射及武器型號(hào)批產(chǎn)等要求，對(duì)于金屬材料的存儲(chǔ)量和出入庫作業(yè)量的需求急劇上升。傳統(tǒng)模式占地過大、作業(yè)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(jìn)金屬材料的立體數(shù)字化存儲(chǔ)模式進(jìn)行金屬材料的存儲(chǔ)[1～4]。

通過建立金屬材料的自動(dòng)化立體庫，提高金屬材料庫的倉儲(chǔ)能力，同時(shí)建立先進(jìn)的倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)，不斷改進(jìn)金屬材料等相關(guān)物資產(chǎn)品的管理模式，滿足高強(qiáng)密度發(fā)射任務(wù)的迫切需求，從而實(shí)現(xiàn)從粗放型管理向集約型管理轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)管理向科學(xué)化管理轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)特裝物資倉儲(chǔ)實(shí)物作業(yè)的自動(dòng)化、信息化和精細(xì)化管理。

2.金屬材料數(shù)字化存儲(chǔ)系統(tǒng)體系架構(gòu)

金屬材料庫的集成化物流監(jiān)控調(diào)度和自動(dòng)化控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱WCS)，體系結(jié)構(gòu)分為如下三個(gè)層次，即信息管理層──過程監(jiān)控層──實(shí)時(shí)控制層，采用三級(jí)聯(lián)網(wǎng)的在線聯(lián)機(jī)方式，在此之上是企業(yè)的WMS系統(tǒng)。

信息管理層是企業(yè)的WMS管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料管理和作業(yè)任務(wù)的產(chǎn)生；

過程監(jiān)控層是聯(lián)系信息管理級(jí)和實(shí)時(shí)控制級(jí)的紐帶。由它完成兩級(jí)間的通信傳輸及信息交換，對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度監(jiān)控，可動(dòng)畫顯示系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)；

最下層的實(shí)時(shí)控制層是配置在單機(jī)設(shè)備上的PLC。由它完成單機(jī)自動(dòng)的功能和與上級(jí)監(jiān)控的信息通信聯(lián)絡(luò)；

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見“計(jì)算機(jī)管理信息與自動(dòng)化控制系統(tǒng)組態(tài)圖”。

圖 計(jì)算機(jī)管理信息與自動(dòng)化控制系統(tǒng)組態(tài)圖

WCS與WMS系統(tǒng)接口說明如下：WCS與WMS接口數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫交互的模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的流通，主要進(jìn)行如下主體流程：

（1）WMS下發(fā)新的上架、揀貨任務(wù)，WCS接收；

a)在WM S系統(tǒng)上執(zhí)行了涉及的AS/RS的上架、揀貨任務(wù)之后，便將相關(guān)的信息，寫入接口表INTER_WMS_TASK中，這個(gè)表位于WMS的數(shù)據(jù)庫中；

b)WCS程序定時(shí)的訪問WM S數(shù)據(jù)庫中的接口表INTER_WM S_TASK，如果發(fā)現(xiàn)有新的數(shù)據(jù)到來，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀入WCS數(shù)據(jù)庫表WCS_TASK中；

c)讀入完成后，刪除接口表INTER_WMS_TASK中已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)。

（2）WCS返回揀貨完成信息，WMS接收；

a)在WCS系統(tǒng)處理AS/RS上架、揀貨信息后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到WCS數(shù)據(jù)庫中的INTER_WCS_TASK表中；

b)WCS程序定時(shí)將WCS數(shù)據(jù)庫中的INTER_WCS_TASK表中數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎MS數(shù)據(jù)庫中的INTER_WCS_TASK中；

c)WMS程序定時(shí)的訪問接口表INTER_WCS_TASK，如果發(fā)現(xiàn)有新的數(shù)據(jù)到來，將數(shù)據(jù)獲取，之后進(jìn)行刪除；

d)WMS系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器的方式，將已經(jīng)刪除的數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)庫表INTER_WCS_TASK_LOG表中。

3.金屬材料數(shù)字化存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)和自動(dòng)化控制是金屬材料數(shù)字化存儲(chǔ)系統(tǒng)的精髓，其水平高低決定了金屬材料庫物流倉儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)化水平的高低。要順利完成物流系統(tǒng)中的各種特定的任務(wù)，依靠的是過程監(jiān)控調(diào)度和自動(dòng)化控制技術(shù)與自動(dòng)化物流倉儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)中各技術(shù)部件的有機(jī)組合。

金屬材料數(shù)字化存儲(chǔ)系統(tǒng)中全套設(shè)備的功能集于物流和信息流控制緊密結(jié)合，即在計(jì)算機(jī)控制軟件中設(shè)置了一套對(duì)物流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤的信息流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)、存取機(jī)械化、管理自動(dòng)化，使材料、配件的貯存、管理、周轉(zhuǎn)聯(lián)成一體，確立合理的貯存量，減少倉貯費(fèi)用，建立最佳的物流組織形式。

3.1.WCS系統(tǒng)功能

3.1.1 任務(wù)管理與任務(wù)調(diào)度

提供波次處理下的任務(wù)（指令）的緩存和管理，包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)的管理等。WMS產(chǎn)生指令后，并不能立即執(zhí)行，必須由WCS系統(tǒng)完成其驅(qū)動(dòng)。任務(wù)管理還提供指令的增加/修改/刪除等操作。詳細(xì)功能包括：

☆對(duì)于從WMS接收到的任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。

☆對(duì)于得到的任務(wù)進(jìn)行合理的排序，主要兼顧以下內(nèi)容：按照WMS發(fā)送指令的優(yōu)先級(jí)；按照出入庫的內(nèi)部邏輯次序；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤情況時(shí)，重新調(diào)整出入庫任務(wù)操作次序；最優(yōu)化出入庫路徑操作。

☆對(duì)于現(xiàn)在存在的指令進(jìn)行指定的操作：包括提供指令，協(xié)助WMS在執(zhí)行以下非常規(guī)操作情況下對(duì)于指令的增加、刪除與修改操作；在設(shè)備問題恢復(fù)的時(shí)候，提供相關(guān)恢復(fù)指令的操作，滿足任務(wù)的繼續(xù)進(jìn)行。

☆對(duì)于系統(tǒng)中存在的任務(wù)（正在執(zhí)行，等待執(zhí)行，執(zhí)行完成的）做到可見可查。

☆對(duì)于系統(tǒng)執(zhí)行出現(xiàn)的錯(cuò)誤，做到可見可查，并提供相關(guān)錯(cuò)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(dòng)化設(shè)備，完成自動(dòng)控制過程中的通訊，另一方面，WCS接受自動(dòng)控制系統(tǒng)返回的各種數(shù)據(jù)，如完成情況、位置情況、故障情況等。WCS是自動(dòng)控制系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)之間的連接紐帶和橋梁。詳細(xì)功能主要有：

☆接收WMS的任務(wù)，轉(zhuǎn)化成為WCS的任務(wù)。

☆分解任務(wù)，發(fā)送給下位設(shè)備。

☆實(shí)時(shí)接收下位設(shè)備狀態(tài)電報(bào)，監(jiān)控下位設(shè)備狀態(tài)。

☆接受下位設(shè)備完成電報(bào)，更新相應(yīng)WCS任務(wù)，繼續(xù)完成當(dāng)前任務(wù)或者結(jié)束當(dāng)前任務(wù)。

☆WCS任務(wù)完成，回傳指令給與WMS系統(tǒng)。

☆接受下位設(shè)備錯(cuò)誤，更新相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)信息。

3.1.3 動(dòng)畫顯示功能

對(duì)包括堆垛機(jī)、輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以圖形動(dòng)畫方式進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示，對(duì)入出庫任務(wù)及堆垛機(jī)指令流數(shù)據(jù)，以及設(shè)備、通訊故障的顯示。

3.1.4 系統(tǒng)接口

需要有詳細(xì)的通訊協(xié)議，接口內(nèi)容包括（不限于）：

☆WCS與AS/RS系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議。

☆WCS系統(tǒng)與揀選輸送系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議。

☆WCS與DPS之間的通訊協(xié)議。

☆WCS系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)之間的接口通訊協(xié)議，集成方式可采用數(shù)據(jù)庫表或Web Service等方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

3.2.接口與通信

3.2.1 WCS系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，有自己獨(dú)立的服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，在沒有主系統(tǒng)的情況下可以獨(dú)立執(zhí)行物流系統(tǒng)的所有操作；

3.2.2 WCS提供與上位WMS系統(tǒng)的通信能力，針對(duì)不同系統(tǒng)之間通信的條件不一樣；

☆數(shù)據(jù)庫在線雙向聯(lián)系

·兩者的數(shù)據(jù)庫可直接交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)域間連接；

·條件是兩者具備相同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(如O racle)。

☆任務(wù)間的在線聯(lián)系

·采用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議TCP/IP；

·條件是數(shù)據(jù)庫同構(gòu)，操作系統(tǒng)采用W indow s。

☆確認(rèn)文本傳輸

·文件間的確認(rèn)傳輸；

·TCP/IP協(xié)議。

☆W CS支持以上任何一種方式的通信，從而實(shí)現(xiàn)與主控WMS系統(tǒng)的通信。

3.2.3 WCS提供與上位WMS系統(tǒng)的接口，提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、能夠與主流WMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成的倉庫設(shè)備控制系統(tǒng)（WCS系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)WCS系統(tǒng)與自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備PLC的集成，并通過實(shí)現(xiàn)WCS系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)的集成，建立在WMS系統(tǒng)管理下、一體化集成的倉儲(chǔ)管理與控制系統(tǒng)。

4.金屬材料數(shù)字化存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)具有條形碼自動(dòng)識(shí)別、入出庫作業(yè)自動(dòng)控制、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)視、故障自動(dòng)報(bào)警以及位置、狀態(tài)、外形和安全的自動(dòng)檢測(cè)等功能。主要包括條形碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、入出庫輸送控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)等。

4.1 條形碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中自動(dòng)識(shí)別托盤和貨物的重要手段，具有自動(dòng)識(shí)別托盤和貨物條碼(含托盤流水號(hào)、托盤貨物詳細(xì)信息編碼等)，能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RS232接口的數(shù)據(jù)通信、處理、檢驗(yàn)，并具較強(qiáng)的整機(jī)自檢功能。

采用條形碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，可以部分或全部代替人工鍵盤輸入，減少可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的操作環(huán)節(jié)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

4.2 過程監(jiān)控系統(tǒng)

過程監(jiān)控系統(tǒng)是立體倉庫自動(dòng)化作業(yè)的組織調(diào)度核心，采用微機(jī)CRT動(dòng)態(tài)仿真實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)管理軟件自動(dòng)分配好作業(yè)地址信息，按運(yùn)行時(shí)間最短、作業(yè)間的合理分配等原則對(duì)作業(yè)順序進(jìn)行優(yōu)化組合排定，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后向堆垛機(jī)、輸送機(jī)等主要機(jī)電設(shè)備的控制器分發(fā)作業(yè)命令。系統(tǒng)接收實(shí)時(shí)控制級(jí)的信息反饋，并對(duì)主要設(shè)備的運(yùn)行位置、作業(yè)狀態(tài)、貨位占位情況、托盤載物情況和運(yùn)行故障等信息物流狀態(tài)進(jìn)行大屏幕CRT實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真顯示。

4.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作方式

·在線方式(ONLINE)：與管理級(jí)聯(lián)機(jī)，自動(dòng)完成系統(tǒng)監(jiān)控功能；

·離線方式(OFFLINE)：脫離管理級(jí)，作業(yè)資料直接由操作者通過監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)命令，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行作業(yè)及監(jiān)視。

4.2.2 監(jiān)控內(nèi)容

·顯示管理機(jī)下達(dá)的各種命令及資料；

·動(dòng)態(tài)畫面顯示各類機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及作業(yè)流程；

·顯示各類機(jī)電設(shè)備故障及報(bào)警信息。

4.2.3 平面、正面及側(cè)面動(dòng)畫

立體庫管理控制系統(tǒng)所含范圍內(nèi)各設(shè)備的靜動(dòng)態(tài)位置、作業(yè)狀態(tài)(工作還是待機(jī)、正常還是故障、入庫還是出庫)及設(shè)備所載貨盤的物流動(dòng)態(tài)通過實(shí)際平面圖形顯示。同時(shí)在屏幕的適當(dāng)位置設(shè)有各設(shè)備的狀態(tài)表，用漢字和數(shù)字顯示設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)和運(yùn)行位置，并故障報(bào)警。三幅畫面均以兩維的形式顯示堆垛機(jī)的運(yùn)行、載貨臺(tái)的升降與貨叉的作業(yè)。

4.2.4 靜態(tài)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(tài)可用白色(空貨位)、紅色(有貨)、黃色(準(zhǔn)備入庫)、綠色(準(zhǔn)備出庫)、淺藍(lán)色(需回流)、棕色(空托盤)、藍(lán)色(多品種)來區(qū)分。

4.3 巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用可靠性高、功能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)型可編程控器(PLC)和交流變頻調(diào)速器作為控制單元，具有自動(dòng)或手動(dòng)操作功能，能與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信。對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、自動(dòng)認(rèn)址及托盤的存取進(jìn)行優(yōu)化控制，具有安全聯(lián)鎖保護(hù)及故障診斷和報(bào)警處理功能。采取以下措施更強(qiáng)化了系統(tǒng)的可靠性。

4.3.1 選用分布式控制，模塊化結(jié)構(gòu)方案。這種方案的最大優(yōu)點(diǎn)是控制程序簡(jiǎn)化，便于操作維護(hù)。一旦某臺(tái)控制單元出現(xiàn)故障，不會(huì)危及其它控制器的工作，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的癱瘓；

4.3.2 控制單元選用模塊式結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障，在幾分鐘內(nèi)便可更換備用模塊，使系統(tǒng)重新投入運(yùn)行；

4.3.3 堆垛機(jī)均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)(半自動(dòng))操作。在全自動(dòng)工作狀態(tài)下，堆垛機(jī)控制器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行資料及信息的交換，實(shí)現(xiàn)入出庫的自動(dòng)作業(yè)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或管理計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)仍可獨(dú)立地改用單機(jī)自動(dòng)/手動(dòng)(半自動(dòng))方式進(jìn)行入出庫作業(yè)；

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

4.3.5 采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施，可對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)處理，并向管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)反饋處理結(jié)果信息；

4.3.6 控制系統(tǒng)具備點(diǎn)動(dòng)糾偏功能，可部分糾正慣性作用造成的停位不準(zhǔn)。

4.4 入出庫輸送控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)也采用可編程控器作為控制單元，具有自動(dòng)或手動(dòng)操作功能，能與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信。根據(jù)作業(yè)命令對(duì)各段輸送機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行優(yōu)化控制，以完成輸送、分岔、合流、暫存、聯(lián)鎖保護(hù)等各項(xiàng)任務(wù)，具有故障報(bào)警和處理功能，并對(duì)輸送系統(tǒng)上移動(dòng)的托盤貨物進(jìn)行跟蹤和定位。

該系統(tǒng)除接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)作業(yè)命令外，還向監(jiān)控機(jī)返回作業(yè)狀態(tài)、故障診斷報(bào)警、托盤貨物位置、電機(jī)運(yùn)行等情況，作為監(jiān)控機(jī)過程監(jiān)控依據(jù)。

4.5 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

它將監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與各實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起相互進(jìn)行資料交換，以便形成三級(jí)在線聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的必須環(huán)節(jié)。

4.5.1 巷道堆垛機(jī)與上位機(jī)通信可采用紅外光數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是：

·無線連接，即無需將兩個(gè)通信點(diǎn)用電纜或光纜進(jìn)行物理連接；

·抗干擾能力強(qiáng)，不受電干擾源及磁場(chǎng)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(tǒng)與上位機(jī)通信采用Profi-BUS固定通信電纜。

4.6 檢測(cè)系統(tǒng)

它是提高自動(dòng)化程度及作業(yè)效率并保證各設(shè)備完成正常作業(yè)的重要手段。本庫主要包括堆垛機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)、入出庫輸送設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)，其涉及內(nèi)容如下。

4.6.1 堆垛機(jī)認(rèn)址、極限位置、貨位虛實(shí)、貨物超差、鋼絲繩(或鏈條)松繩過載、載貨貨叉狀態(tài)檢測(cè)等；

4.6.2 輸送系統(tǒng)上托盤貨物位置跟蹤、外形尺寸檢測(cè)等；

4.6.3 系統(tǒng)電源異常和電機(jī)過熱保護(hù)檢測(cè)等；

4.6.4 啟停條件、故障診斷、安全保護(hù)及運(yùn)行聯(lián)鎖保護(hù)檢測(cè)等；

4.6.5 檢測(cè)方式主要是光電式。

5.結(jié)束語

在航天一院物流中心的金屬材料庫采用自動(dòng)化立體庫的形式后，解決了金屬材料存儲(chǔ)中的各種問題，我們相信隨著我國金屬材料存儲(chǔ)方式的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)也會(huì)逐步提高。在本解決方案的基礎(chǔ)之上，將會(huì)有更多更完善的金屬材料立體存儲(chǔ)的物流系統(tǒng)解決方案會(huì)不斷涌現(xiàn)出來。

[1] 馬向國.自動(dòng)化立體庫控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用[J].設(shè)施與設(shè)備. 28(1).2009，3:137～139.

[2] 劉昌祺，董良.自動(dòng)化立體倉庫設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2004:13～16.

[3] 閆英偉，霍津梅.計(jì)算機(jī)仿真技木在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用.(11).2003:57～60.

[4] 工煌，蔡臨寧，岳秀江.物流系統(tǒng)的仿真研究綜述[J].制造業(yè)自動(dòng)化.26(9).2004，9:6～9.