密集型智能倉儲中計算機系統的設計與應用

文/成偉 李余海 吳向東 劉商傲 馬運龍 李飛銀 王言才

生產和銷售是企業運營過程中的兩大基本活動，也是企業效益的根本源泉。將生產和銷售緊密銜接，合理、高效地管理配件及成品倉庫，是企業經營管理的一個重要環節。

自動化密集存儲倉庫可以在有限的占地面積內最大化地提高庫存儲位，具備投資成本回報率高的特點。合理的總體規劃、良好的物流裝備集成，將自動化密集存儲倉庫成功應用到配件/成品的入庫、庫存管理、生產出庫及商業配送等業務環節，可以全方位地提高企業物流管理水平，對生產和銷售提供輔助決策分析支撐數據，降低人力資源成本，最終達到提高企業核心競爭力的目的。

本文結合機械制造行業密集存儲倉庫中的規劃設計和業務流程分析，詳細闡述了計算機系統的信息集成。通過對計算機系統的軟件架構、功能模塊、業務流程等進行歸納、總結，詮釋了穿梭車式自動化密集倉庫及其計算機系統的設計、開發和實施。

一、物流的整體規劃

1.項目的整體規劃和設備選型

圖1： 物流規劃平面圖

本系統的整體規劃平面圖和立體倉庫側視圖，如圖1、2。

(1)立庫貨架

本自動化密集存儲倉庫共五層，中間的巷道堆垛機將倉庫劃分為左右兩個庫區。每個庫區分別設計了135個巷道，每個巷道9個貨位，總貨位數為2430個。

之所以選擇密集存儲倉庫，源于在存儲貨位數量相同的情況下具備造價成本低、占用面積小、空間利用率高等優良特點。

(2)輸送機設備

由6臺輸送機組成輸送線，入庫與出庫共用一條線，位于立庫區右下角的第一層。該方式可以降低輸送機設備的投資成本，節約占地面積。

圖2：立體倉庫側視圖

圖3：堆垛機和穿梭車

圖4：組盤流程

(3)堆垛機和穿梭車

堆垛機1臺，穿梭車1臺，用于在巷道內移載實托盤及空托盤組，如圖3。

通過堆垛機搭載穿梭車，可以將穿梭車移載至立體庫任意樓層的任意巷道。既提高了穿梭車在水平和垂直方向上換道的速度，同時又避免了配置換層提升機、穿梭母車，另外不需要在各個樓層安裝穿梭母車軌道。

(4)條碼閱讀器

1套，用于在入庫時識別托盤條碼，以獲取入庫托盤信息。

(5)生產機臺

10臺，生產機臺的生產成品是汽車門鉸鏈，加工制造過程中消耗的配件為陰鉸鏈、陽鉸鏈、襯套、插銷等。

(6)滾筒輸送線

20條無動力傾斜的實料箱滾筒輸送線，用于將實料箱搬運至生產機臺。

1條有動力的空料箱滾筒輸送線，用于將生產完畢后形成的空料箱自動回收至組盤入庫區，便于后續組盤入庫。

(7)生產出庫通道

將立體庫一層的20個巷道劃分為生產出庫通道，每2個出庫通道對應1個機臺，每個出庫通道與實料箱滾筒輸送線一一對應。該方式既不用單獨設計生產出庫通道，又節約了項目占地面積。而對于貨位利用率的小幅降低，可以忽略不計。

(8)直角坐標機械手

1套，在水平和垂直方向運動，當生產出庫的實托盤抵達自動揀選工位時，直角坐標機械手將托盤上的零配件料箱抓取至生產機臺左右兩端的無動力滾筒輸送線，供生產機臺加工。

(9)LED顯示屏

1套，用于顯示出入庫輸送線的當前出入庫品牌、出入庫數量等，以有效引導員工作業。

2.主要業務流程

(1)組盤流程(如圖4)

(2)入庫流程(如圖5)

(3)導庫流程(如圖6)

(4)出庫流程(如圖7)

二、計算機信息系統概述

1.系統架構

計算機信息系統是以物料倉儲、供應服務、銜接生產、集中管理、信息全線跟蹤等為核心的在線物料管理系統，是信息管理、物流調度的中樞神經。物流信息系統擔負了在線物料過程管理，通過調度系統下達物流指令，保障了物料存儲管理、生產前儲備。向上可與企業ERP、MES、商業配送等管理系統連接，同時銜接設備控制子系統，保證了信息的上傳下達。

計算機信息系統集物料管理、物流供應、倉儲管理等于一身，實現物料收、發、存管理。物流計算機系統按照體系架構及應用部署，可以分為信息管理層、調度監控層、設備執行層三個層次，如圖8。

(1)數據接口層API

負責從ERP、MES、商業配送系統等獲取物料基礎信息、組盤數據、出入庫計劃、銷售發貨單等信息，并為企業信息管理系統實時反饋庫存、出入庫單據信息等，實現承上啟下的業務管理功能，實現全廠各個信息系統之間系統集成、接口兼容、互聯互通和資源共享。

(2)信息管理層的WMS

主要通過倉庫管理模塊實現物流信息管理層的功能，對采集的信息進行歸類、整理和綜合分析，以實現倉庫的管理。提供人員角色管理、系統參數管理、貨區貨位管理、產品資料管理、收發貨管理、出入庫管理、搬運任務管理、庫存管理、質量管理、報表分析統計等業務處理。倉庫管理模塊對物料進行全面的信息化管理，及時、準確地反映物料的收發情況、庫存狀態、儲備狀況，為企業生產及銷售提供智能輔助決策分析。

密集型智能倉儲中的計算機信息系統是以物料倉儲、供應服務、銜接生產、集中管理、信息全線跟蹤等為核心的在線物料管理系統，是信息管理、物流調度的中樞神經。

圖6：導庫流程

(3)調度監控層的WCS

接收并分解物流管理層的任務，通過設備子系統接口協議下達至具體的設備執行層，對物流過程進行統一的調度，并對各個物流環節、現場設備、流程參數及工藝點進行監視和控制。系統設計集成不同廠家、不同類型的物流設備，完成綜合調度、集中控制、狀態監視、異常報警、日志記錄等功能。

2.網絡拓撲結構

重慶凱安穿梭車密集庫自動化物流系統的網絡拓撲結構如圖9。從上至下分為計算機信息系統、電控系統、設備執行子系統等。該結構適用于機械制造、食品加工、醫藥及煙草等行業。

圖7：出庫流程

圖8：信息系統體系結構

三、計算機系統設計

1.數據存儲方案

(1)硬件部分

采用雙機熱備服務器，主/備服務器為IBM 3650 M4，磁盤陣列為IBM V3500。

主/備服務器，雙硬盤做RAID1數據冗余，當一個硬盤失效時，系統可以自動切換到鏡像硬盤上讀/寫，損壞硬盤可以熱插拔更換，冗余機制自動完成硬盤的數據同步；磁盤陣列做RAID5，在一塊硬盤離線或故障的情況下保證數據的正常訪問，數據庫創建在磁盤陣列的共享盤上；正常情況下，主服務器擁有磁盤陣列共享盤的訪問控制權，SQLSERVER數據庫啟動在主服務器上；當主服務器出現故障或人為關機時，備服務器接管數據庫服務及陣列共享盤；雙機熱備系統SQLSERVER數據庫的IP地址是漂移IP，以保證一臺服務器宕機而另外一臺服務器接管數據庫服務后，客戶端能夠正常連接。

(2)軟件部分

操作系統為WINDOWS SERVER 2012企業版，數據庫為SQLSERVER關系數據庫。

結合重慶凱安物流項目的用戶需求和業務流程，以層次結構和功能模塊為維度，設計出一系列的數據表，主要包括用戶表、參數表、物料表、位置表、容器表、單據表、臺賬表、任務表、請求表、日志表、控制表、設備表、路徑表等，以存儲物流集成系統的基礎、業務及流水數據等。

考慮到自動化物流系統對數據響應的及時性要求較高，故將任務驅動部分的具體實現部署在數據庫端，通過存儲過程實現出入庫任務的產生，具體包括產生出入庫單據、入庫托盤及搬運任務等，對于復雜的貨位搜索及事務處理可以保證快速地得到相應的結果。另外，存儲過程涉及的知識點就是SQL結構化查詢語言，容易掌握，利于敏捷開發。

2.倉儲管理/調度控制方案

該項目中，開發平臺為VS.NET，變成語言為C#，軟件架構為C/S架構。

倉儲管理系統即WMS系統，調度控制系統即WCS系統。兩個系統之間既有相對的獨立性，又有很多關聯性及耦合性。將WMS系統與WCS系統構建到一個解決方案中，方案下的類庫則細分為基礎類庫、WMS類庫、WCS類庫和UI類庫等。

方案輸出為一個服務端與一個客戶端，服務端單點部署，客戶端多點部署。服務端主要完成產生物流任務，即WMS系統功能；調度物流設備，即WCS系統功能。

圖9：重慶凱安穿梭車密集庫自動化物流系統的網絡拓撲結構

圖10：WMS/WCS架構圖

避免信息孤島，與外圍各個信息系統之間接口兼容、無縫互聯、資源共享等，是如今倉儲物流計算機系統建設的一個重要環節。在凱安項目中，物流庫通過API系統與企業級ERP系統進行數據交互。

客戶端則提供人機交互界面，以實現物料、單據、位置、容器等物流管理功能。結合項目規劃設計圖，以二維圖形化界面動態地展示出物流設備，以實現物流設備監視及控制功能。WMS與WCS的WINFORM界面，均使用客戶端系統的功能樹展開，通過用戶角色權限控制操作員的訪問和操作權限。

而服務端與客戶端之間，通過數據表及WCF技術進行業務及數據交互。

該設計方式，源于軟件架構中高內聚低耦合的理念，易于后期的整改維護和版本升級。如圖10。

3.數據接口方案

避免信息孤島，與外圍各個信息系統之間接口兼容、無縫互聯、資源共享等，是如今倉儲物流計算機系統建設的一個重要環節。

在凱安項目中，物流庫通過API系統與企業級ERP系統進行數據交互。API系統提供WCF服務，供ERP系統調用；ERP系統提供WEBSERVICE服務，供API系統調用。兩個系統之間采用實體對象交互，主要完成了物料、出庫單及庫存的數據共享。數據接口交互如圖11。

圖11：數據接口交互

圖12：安卓應用功能界面

4.穿梭車遙控器方案

現今，移動應用在自動化物流領域內，得到了充分廣泛的重視和應用。穿梭車遙控器APP基于安卓平臺開發，具備設備操作、故障查詢、任務查詢、異常復位等功能。操作員可通過安卓手機的無線4G等隨時下載最新版本，隨身攜帶，就近操作設備。

安卓APP的開發工具為ECLIPSE，編程語言為JAVA。應用了以太網、MODBUS通訊、PLC控制技術，通過無線以太網和PLC進行連接，對PLC所控制的設備進行本地操作及狀態查詢，替代傳統的電控按鈕、固定式電腦終端或觸摸屏終端操作方式，節約成本的同時提高設備操控的便利性及安全性。如圖12。

四、案例分析

1.組盤

物流系統物料的載體為托盤，在重慶凱安項目中，首先將零配件或成品放置到料箱中，之后將料箱放置到托盤上。搭配完畢后，由ERP系統的操作員使用PDA掃描托盤號和物料二維碼、輸入物料數量等，以產生組盤數據。

組盤完畢后，ERP調用物流API接口服務將組盤信息傳遞至物流計算機系統。物流系統即能夠主動產生組盤數據，也能夠通過API接口接收外圍系統所產生的組盤數據，可以全方位適應用戶的部門分工、管理流程，保證組盤業務得以有條不紊地開展。

2.智能分區存儲

結合項目規劃及業務特征，立庫區共分為托盤組存儲區、配件入庫區、成品入庫區、配件導庫區、成品導庫區等5個大區。在物流位置表的庫區字段中定義庫區代碼，以表明各個巷道所屬的庫區，同一個巷道僅能所屬于一個庫區，庫區范圍可以根據立體庫的使用情況或用戶需求進行擴充或篩減，即調整物流位置表的庫區字段。如圖13。

組盤完畢后形成的空托盤組、配件實托盤、成品實托盤，初始入庫的目標存儲區域分別為托盤組存儲區、配件入庫區、成品入庫區。配件生產出庫、成品發貨出庫時，出庫的起始地址源于配件導庫區和成品導庫區。

3.導庫業務

API接口接收來自于ERP系統的生產出庫單/成品發貨單，WMS系統根據單據得到配件及成品的出庫需求，并產生相應的導庫任務，WCS系統下發搬運指令驅動物流設備作業。最終，將配件實托盤和成品實托盤分別從配件/成品入庫區轉移至配件/成品導庫區。

導庫業務無需人工參與，由系統自動完成，解析出庫單據得到出庫需求，搜索出預出庫的成品/配件實托盤所存儲的巷道，即導庫任務的起始地址；搜索出配件/成品導庫區中有剩余空間的巷道，即導庫任務的目標地址。貨位搜素采用LINQ語句，導庫邏輯通過C#線程定時器驅動，結合一系列的零界條件判斷等，最終實現導庫業務流程。

圖13：智能分區存儲結構

導庫完畢后，等待操作員確認出庫單據，以驅動物流系統出庫。成品實托盤從成品導庫區出庫至發貨站臺，等待裝車；配件實托盤從配件導庫區出庫至生產線，等待揀選。

4.料箱揀選

通過直角坐標機械手完成揀選，是重慶凱安立體庫項目的一大特色。立庫旁邊共有10個機臺，整齊排列，每個機臺有2個供貨站臺。機械手能夠在XYZ三個方向上運動，設備整機在XY水平方向前后左右移動，手抓器在Z垂直方向上升或下降。生產出庫的實托盤通過穿梭車運輸至配件出庫通道的端頭，WCS系統向機械手下達抓取指令，機械手接收指令后移動至出庫實托盤附近，將實托盤上的料箱抓取并搬運至生產機臺的供貨站臺，供生產機臺使用和消耗。

為每個機臺設計2個供貨站臺，可以全面貼合重慶凱安機電公司的生產工藝流程。在生產各牌號時需要消耗陰鉸鏈/陽鉸鏈、襯套/插銷共4種配件，而且是兩兩配對。故1號供貨站臺供應陰鉸鏈時，2號供貨站臺供應陽鉸鏈，依次類推。

直角坐標機械手通過西門子PLC控制其走行及抓取動作，由計算機系統驅動，兩者之間的通信方式為SOCKET。WCS向PLC的DB塊寫入數據以完成指令下達，具體內容包括任務號、目標地址、垛型、到達數量、抓取數量、實際數量等。通信協議及格式如圖14。

機械手抓取過程中，實時回饋完成數量，當抓取數達到計劃數時，機械手停止動作，WCS系統更新托盤的剩余料箱數，剩余料箱數=到達數–抓取數。如果剩余料箱數 > 0，則WMS系統產生剩余實托盤的返庫任務，WCS驅動物流設備將剩余托盤搬運至配件入庫區。如果剩余料箱數=0，則WMS系統刪除托盤信息，空料箱經動力滾筒輸送線回收至組盤入庫區，供組盤使用。

圖14：WCS與直角坐標機械手通信協議

五、結論

隨著“工業4.0”和“中國制造2025”的全面推進，自動化物流系統的規劃設計、業務流程、存儲需求也在不斷變化，服務于機械制造行業的倉儲物流也愈發趨于智能化和柔性化。

智能倉儲物流計算機系統將關注的焦點集中于對倉儲執行的優化和有效管理，同時延伸到運輸配送計劃、與上下游供應商的信息交互等，是對倉庫管理和運行模式的技術革新。將傳統的結果導向轉變成過程導向；將數據錄入轉變成數據采集；同時引入了調度監控平臺，將人工存取貨轉變成了設備存取貨，讓物流管理更加高效、快捷、精確。通過計算機系統與物流裝備的有機結合，最終提高了企業客戶的滿意度，提升了企業的核心競爭力。

自動化密集倉庫已在重慶凱安機電制造有限公司得以應用，有效規范了工廠倉庫管理，提高了人員工作效率，降低了企業運營成本，加強了物資的流動等，各方面均取得較好的應用和效果。