摘要：智能立庫(kù)作為典型的物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心裝備。本文利用倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）對(duì)智能立庫(kù)控制架構(gòu)展開設(shè)計(jì)研究，借助WCS系統(tǒng)及作業(yè)調(diào)度優(yōu)化邏輯，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)進(jìn)站出站任務(wù)的計(jì)算和作業(yè)調(diào)度性能優(yōu)化，并向物流管理層反饋信息，構(gòu)建出一套充分利用空間高度，增加可用存儲(chǔ)空間，運(yùn)行高效、可靠的智能立庫(kù)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能立庫(kù)；WCS；WMS；作業(yè)調(diào)度；系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的零件庫(kù)存，物料存放在普通鋼制貨架上，通過(guò)貨架上的賬物卡來(lái)輔助查找物料存放的貨位，倉(cāng)庫(kù)人員到庫(kù)房中手工翻找，出庫(kù)效率低。利用信息系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備集成開發(fā)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，可以有效改善倉(cāng)儲(chǔ)管理的運(yùn)行效率和準(zhǔn)時(shí)化管理水平。倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備控制系統(tǒng)WCS向上與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成倉(cāng)庫(kù)管理員取放料工作到智能立庫(kù)出入庫(kù)任務(wù)的分解[1]，向下與PLC設(shè)備控制層實(shí)現(xiàn)指令交互，控制硬件設(shè)備的動(dòng)作。它作為軟件管理與硬件控制之間的神經(jīng)中樞，在智能立庫(kù)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)WCS實(shí)現(xiàn)智能立庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中堆垛機(jī)、回流線、掃碼槍、高度重量測(cè)量裝置的集中控制，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)管理的信息化、智能化。

本設(shè)計(jì)方案的智能立庫(kù)控制系統(tǒng)能夠與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS集成，獲取載盤出入庫(kù)任務(wù)，更新庫(kù)房載盤位置信息等；集成PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)、升降機(jī)的控制，控制堆垛機(jī)取放載盤；集成自動(dòng)掃碼設(shè)備，實(shí)現(xiàn)載盤入庫(kù)時(shí)自動(dòng)掃碼分配貨位；集成高度、重量檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)載盤入庫(kù)時(shí)稱重、測(cè)高；實(shí)現(xiàn)硬件報(bào)警信息實(shí)時(shí)采集，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析預(yù)警，提前預(yù)測(cè)硬件故障、易損件壽命；通過(guò)與多個(gè)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)庫(kù)房智能控制、賬物一體化管理和貨物的自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

1. 智能立庫(kù)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概要

1.1 智能立庫(kù)控制系統(tǒng)架構(gòu)

智能立庫(kù)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，分別是物理層架構(gòu)和軟件層架構(gòu)[2]。軟件層架構(gòu)共分為應(yīng)用層、服務(wù)層、功能層以及數(shù)據(jù)訪問(wèn)層四層，各層之間均利用特定的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[3]。應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用的前端形式，主要功能是將底層數(shù)據(jù)以界面、報(bào)表、看板的形式呈現(xiàn)，方便用戶直觀觀看系統(tǒng)數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；服務(wù)層是與外部上游管理系統(tǒng)（WMS、ERP、MES等）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)間部分信息共享，和下游控制系統(tǒng)（PDA、RFID等）通過(guò)特定的交互協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)硬件的控制；功能層是根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)調(diào)用底層數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)需求進(jìn)行操作處理，得到預(yù)期結(jié)果和應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)層針對(duì)WCS建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中的表結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)軟件層對(duì)數(shù)據(jù)的持久調(diào)用，該層是基礎(chǔ)支撐層，應(yīng)用層的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)依托于數(shù)據(jù)層。通過(guò)數(shù)據(jù)層，操作員可以在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的增刪改查和對(duì)系統(tǒng)交互的指令下發(fā)，完成了對(duì)象和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的映射關(guān)系。

1.2 WCS功能概要

在WCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要分為系統(tǒng)管理、參數(shù)管理、設(shè)備監(jiān)控、手動(dòng)控制和任務(wù)調(diào)度五個(gè)模塊，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。具體如圖1所示。

1.3 WCS流程設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，WCS可接入絕大部分市面主流的數(shù)據(jù)對(duì)接方式，例如WEB SERVICES、數(shù)據(jù)庫(kù)中間表、restful url等，可以根據(jù)用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)現(xiàn)狀、倉(cāng)庫(kù)管理流程實(shí)現(xiàn)定制化開發(fā)。在與WMS系統(tǒng)的交互過(guò)程中，當(dāng)WCS系統(tǒng)掃描到任務(wù)表中有狀態(tài)為新建的任務(wù)時(shí)，根據(jù)任務(wù)類型識(shí)別出入庫(kù)、移庫(kù)操作類型，根據(jù)料箱號(hào)計(jì)算托盤所在的貨架位置及取貨排、行、列信息，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行后，根據(jù)執(zhí)行階段進(jìn)行任務(wù)狀態(tài)變更。

2. WCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

基于上述對(duì)WCS系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)WCS各功能模塊展開設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)流程，采購(gòu)VISIO設(shè)計(jì)并繪制各業(yè)務(wù)流程，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用SpringBoot微服務(wù)三層架構(gòu)，Controller層為控制層用于控制處理HTTP請(qǐng)求，將其不同的業(yè)務(wù)類型轉(zhuǎn)送給SERVICE層處理，并將SERVICE層處理好的數(shù)據(jù)返回前端；SERVICE層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理層間的交互；DAO層通常用于封裝對(duì)數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)。

2.2 作業(yè)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理的庫(kù)位分配和出入庫(kù)作業(yè)調(diào)度策略是提高立體倉(cāng)庫(kù)效率的重要措施之一。本文所設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度[4]設(shè)計(jì)采用了以下原則：

（1）四巷道立庫(kù)采用對(duì)多巷道庫(kù)房就近入庫(kù)；

（2）優(yōu)化路徑，減小堆垛機(jī)的行駛距離，加快響應(yīng)時(shí)間，節(jié)省能耗；

（3）出入庫(kù)交替操作優(yōu)先進(jìn)行，執(zhí)行入庫(kù)操作結(jié)束后，即開始出庫(kù)操作；

（4）入庫(kù)缺貨及出庫(kù)線路故障時(shí)，執(zhí)行連續(xù)出庫(kù)操作；

（5）作業(yè)調(diào)度時(shí)，按優(yōu)先級(jí)服務(wù)，首先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)任務(wù)；

（6）出現(xiàn)故障的庫(kù)位不執(zhí)行入出庫(kù)操作。

3. 倉(cāng)儲(chǔ)控制詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

本文以連接器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)為例，該企業(yè)的零件特點(diǎn)為體積小、種類多、批次數(shù)量多，無(wú)法做到每個(gè)批次記錄詳細(xì)的擺放位置，尋找物料花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。該行業(yè)的零件在包裝上大多數(shù)采用自封袋包裝，少數(shù)采用吸塑盒、海綿泡沫及紙箱。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)施料箱存放的堆垛機(jī)庫(kù)房，并在項(xiàng)目中應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的WCS，實(shí)現(xiàn)了存放料箱數(shù)量3700個(gè)，相對(duì)于原來(lái)的貨架庫(kù)存儲(chǔ)料箱2376個(gè)，增加了56%。在該項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的WCS實(shí)現(xiàn)了進(jìn)站、出站、移庫(kù)功能，向上實(shí)現(xiàn)了與WMS的業(yè)務(wù)集成，完成任務(wù)的接收，向下與PLC集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的控制。立庫(kù)設(shè)計(jì)安全可靠，與WCS與PLC的通信采用雙交互的形式，防止數(shù)據(jù)丟失和流程錯(cuò)拍，增加巷道異常屏蔽機(jī)制，優(yōu)化出入庫(kù)路徑，加快速度等。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.2.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理包括任務(wù)的生成、插入、排序、刪除、更新、轉(zhuǎn)化等。在每條任務(wù)生成時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)為其生成一個(gè)唯一的序列號(hào)，用于保證任務(wù)的唯一性，同時(shí)會(huì)記錄任務(wù)的創(chuàng)建時(shí)間。如果由于高度或者重量不滿足存放條件，WCS系統(tǒng)會(huì)生成一條退庫(kù)類型的子任務(wù)，并將父任務(wù)異常結(jié)束，當(dāng)不滿足存放要求的托盤退回至操作臺(tái)時(shí)，WCS會(huì)顯示異常信息，指導(dǎo)操作員操作。同時(shí)隊(duì)列中所有任務(wù)有優(yōu)先級(jí)字段，該字段是由WMS傳輸過(guò)來(lái)的，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)先執(zhí)行。另外，為防止任務(wù)意外沖突，為倉(cāng)庫(kù)管理員提供了人工更改任務(wù)狀態(tài)的功能按鈕。

3.2.2 調(diào)度管理

調(diào)度管理中的調(diào)度類型分進(jìn)站、出站、移庫(kù)三種類型的調(diào)度。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)堆垛機(jī)的不同，分不同的線程執(zhí)行，對(duì)于一個(gè)堆垛機(jī)的調(diào)度，要交互的點(diǎn)位包含：WCS指令可讀、PLC指令讀取完成、PLC動(dòng)作完成、任務(wù)類型、貨位號(hào)、箱體號(hào)、排、行、列。

當(dāng)在交互的過(guò)程中，WCS未收到交互流程中應(yīng)有的反饋信息，會(huì)將當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)異常結(jié)束，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)狀態(tài)回滾至任務(wù)未執(zhí)行前；當(dāng)PLC在與WCS的交互過(guò)程中，長(zhǎng)期未收到WCS的反饋信息，PLC會(huì)報(bào)警，等待操作員前來(lái)檢查復(fù)位。通過(guò)對(duì)交互過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的異常流程閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)立庫(kù)異常防呆功能。同時(shí)調(diào)度管理的任務(wù)管理模塊可以查看歷史任務(wù)的下達(dá)時(shí)間、開始執(zhí)行時(shí)間、完成時(shí)間、任務(wù)執(zhí)行結(jié)果、托盤的運(yùn)動(dòng)軌跡等，方便對(duì)托盤的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤。

3.2.3 通信管理

要實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，需要WCS與PLC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，本文中采用的是modubusTCP的通訊方式，將WCS與PLC之間建立連接，所有要實(shí)現(xiàn)交互的信息都通過(guò)INT、DINT、BIT類型的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)交互。通過(guò)數(shù)據(jù)交互監(jiān)控的設(shè)備信息類型包括設(shè)備狀態(tài)、PLC心跳信號(hào)、設(shè)備報(bào)警信號(hào)等。

3.2.4 運(yùn)行日志管理

運(yùn)行日志管理可分為WCS系統(tǒng)日志、設(shè)備日志、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)日志，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和文本日志進(jìn)行記錄，同時(shí)能夠在系統(tǒng)中設(shè)置日志的保留時(shí)間。以設(shè)備日志查詢?yōu)槔热粼O(shè)備出現(xiàn)故障則會(huì)將故障代碼傳給WCS，WCS在接收到故障代碼時(shí)，依據(jù)開發(fā)時(shí)規(guī)定的故障代碼解析表，解析成具體的故障信息，并選擇對(duì)應(yīng)的處理方式予以提示。同時(shí)WCS會(huì)根據(jù)規(guī)則在用戶界面顯示異常代碼及相關(guān)提示，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)亮起警示燈。

3.2.5 作業(yè)調(diào)度優(yōu)化

本項(xiàng)目實(shí)施中，WCS控制執(zhí)行系統(tǒng)采用的調(diào)度原則在常用方案上增加了以下三點(diǎn)優(yōu)化邏輯。

（1）增加WCS巷道屏蔽功能。由于該項(xiàng)目實(shí)施的是多巷道庫(kù)，存在某巷道堆垛機(jī)出現(xiàn)硬件異常的情況，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)或某幾個(gè)巷道故障時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊WCS“巷道屏蔽”按鈕，WCS下發(fā)任務(wù)和計(jì)算入庫(kù)時(shí)，會(huì)剔除被屏蔽的巷道，出入庫(kù)正常巷道的物料。

（2）減少等待距離。智能立庫(kù)出庫(kù)都是將箱體從庫(kù)房運(yùn)至人工臺(tái)，當(dāng)一個(gè)箱體流走后要等一段時(shí)間下一個(gè)箱體才會(huì)流至操作臺(tái)。在回流線上增加箱體緩存區(qū)，PLC感應(yīng)到緩存區(qū)有空位置就會(huì)請(qǐng)求WCS下發(fā)出站任務(wù)，當(dāng)人工臺(tái)有空位置，待作業(yè)的箱體就會(huì)從緩存區(qū)流至工作臺(tái)?？s短箱體流至人工臺(tái)的輸送距離，提高庫(kù)房工作效率。

（3）多線程并發(fā)執(zhí)行。WCS在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，多條巷道的任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，最大限度地將每個(gè)堆垛機(jī)都調(diào)度起來(lái)，加快出庫(kù)速度。在WCS計(jì)算入庫(kù)任務(wù)時(shí)，根據(jù)每個(gè)巷道堆垛機(jī)的空閑情況分配，同時(shí)保證各個(gè)巷道出庫(kù)任務(wù)和入庫(kù)任務(wù)交替執(zhí)行，最大限度提高堆垛機(jī)執(zhí)行效率。

3.3 系統(tǒng)開發(fā)與部署

本部分主要考慮到整個(gè)智能控制系統(tǒng)需要和庫(kù)房管理軟件、MES、ERP之間交互，與PLC之間通信，并且動(dòng)作指令的實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時(shí)控制，所以采用開發(fā)windows應(yīng)用程序，采用IDEA作為開發(fā)工具。開發(fā)的系統(tǒng)基于J2EE底層框架，采用B/S架構(gòu)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。一方面，該數(shù)據(jù)庫(kù)具有高可用性和容錯(cuò)性，可用在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)恢復(fù)；另一方面，它具有出色的查詢性能，可用來(lái)處理大量的查詢，并且可以快速響應(yīng)查詢操作。

智能控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)部署方案是在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器集中部署一套WCS軟件產(chǎn)品，部署WCS軟件的服務(wù)器需要設(shè)置雙網(wǎng)段，上位機(jī)網(wǎng)段與中央倉(cāng)庫(kù)WMS、ERP通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件層網(wǎng)段通過(guò)交換機(jī)與PLC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互；通過(guò)內(nèi)部交換機(jī)將上位機(jī)網(wǎng)段連入企業(yè)內(nèi)部各工作電腦。用戶通過(guò)瀏覽器打開系統(tǒng)發(fā)布的網(wǎng)址，即可智能控制系統(tǒng)的工作信息、歷史運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表、出入庫(kù)任務(wù)接收和完成情況。

4. 智能立庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果分析

4.1 實(shí)現(xiàn)物找人

倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)由人找物到物找人的轉(zhuǎn)變。倉(cāng)庫(kù)人員在智能立庫(kù)流線終端的操作臺(tái)工作，有物料需要出庫(kù)時(shí)，物料所在箱體會(huì)通過(guò)WCS調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)分解下發(fā)，通過(guò)堆垛機(jī)和回流線的配合作業(yè)完成箱體自動(dòng)流至人工操作臺(tái)。倉(cāng)庫(kù)上線智能立庫(kù)后，庫(kù)房出庫(kù)效率從以前的每日40批/人提升到每日120批/人，效率提升至原來(lái)的3倍。

4.2 安全可靠

通過(guò)與WMS、PLC系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)一套安全可靠的智能立庫(kù)系統(tǒng)。沒(méi)有上線智能立庫(kù)前，物料的取出與物料的系統(tǒng)過(guò)賬并沒(méi)有做到同步，造成庫(kù)房出現(xiàn)賬務(wù)不一致的情況。通過(guò)智能立庫(kù)WCS、WMS、PLC的協(xié)同管理，物料箱流至人工臺(tái)時(shí)，通過(guò)掃碼實(shí)現(xiàn)了與WMS、PLC的集成和定制化開發(fā)，通過(guò)不同巷道任務(wù)的多線程管理最大限度地提高了立庫(kù)的運(yùn)行效率及立庫(kù)穩(wěn)定性，堆垛機(jī)故障時(shí)的單巷道任務(wù)屏蔽、WCS的流程交互異常閉環(huán)實(shí)現(xiàn)了一套安全可靠的立庫(kù)任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。

4.3 設(shè)備監(jiān)控

通過(guò)與PLC的交互監(jiān)控DB塊的值，實(shí)現(xiàn)智能立庫(kù)硬件運(yùn)行全程監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看立庫(kù)流線上的箱體信息，監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)及硬件報(bào)警信息實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常預(yù)警及異常信息報(bào)表分析，輔助倉(cāng)庫(kù)管理員遠(yuǎn)程監(jiān)控庫(kù)房。

5. 產(chǎn)生的效益

智能立庫(kù)上線后，占地面積從原先的450m2，降低到235m2，降低約48%；存儲(chǔ)量從2376箱提升到4240箱，提升約78%；倉(cāng)庫(kù)管理人數(shù)從18人降低到10人，降低約44%；出庫(kù)效率提升300%，出庫(kù)準(zhǔn)確性大幅提升，人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低明顯，人員技能要求降低明顯。

6. 后續(xù)改進(jìn)方向

隨著智能倉(cāng)儲(chǔ)的深化應(yīng)用，后續(xù)要重點(diǎn)研究智能立庫(kù)異常斷電時(shí)，WCS與PLC的交互接續(xù)技術(shù)；研究底層表數(shù)據(jù)治理模式，改進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)算法，提升WCS與PLC的交互效率；同時(shí)研究推廣集成AGV傳送模式，解決人工傳送效率問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

智能制造是國(guó)家的重大戰(zhàn)略，通過(guò)智能制造實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)是企業(yè)的必由之路。本文主要闡述了基于WCS的智能立庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及作業(yè)調(diào)度優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，及其在某企業(yè)零件庫(kù)房中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目中建立的智能立庫(kù)中所設(shè)計(jì)使用的WCS系統(tǒng)，向上承接WMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)任務(wù)接收，向下控制PLC系統(tǒng)，通過(guò)PLC控制堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)，融合了本文所提到的作業(yè)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得效率和存儲(chǔ)量大幅提升，該企業(yè)賬物不一致的情況得到顯著改善。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：王永振，本科，高級(jí)工程師，研究方向：企業(yè)數(shù)字化、智能化建設(shè)及轉(zhuǎn)型。