自動化倉儲系統智能調度管理軟件設計

2022-03-03 09:34| 發布者: www.mtaofficialguide.com| 查看:

摘要: 目前自動化倉儲系統正朝著高可靠性、安全性、保密性、友好的人機界面、網絡化和遠程控制方向發展。為了提升自動化倉儲系統信息化、網絡化、智能化水平,本文對自動化倉儲的智能調度管理系統進行了研究與設計,制定了軟件系統架構和通信網絡。通過對入庫/出庫/移庫業務流程的規劃、庫存的管理、WMS、WCS等 ...

1 引言

自動化倉儲系統(Automated Storage and Retrieval System,ASRS)是在不直接進行人工干預的情況下,能自動存儲和取出物料的系統[1]。其由高層貨架,巷道堆垛起重機(提升機)、穿梭車、入出庫輸送機系統、自動化控制系統、倉儲庫管理系統及其周邊設備組成,可對集裝單元貨物實現自動化保管和信息化管理。作為企業物料倉庫、成品件倉庫,自動化倉儲系統廣泛應用于機械、家電、汽車、食品、煙草等行業,以及物流領域的大型流通中心、配送中心。近年來,隨著中國制造業的迅猛發展,自動化倉儲系統也發揮著越來越重要的作用,它具有如節省占地面積、提高物流作業管理效率、提高倉庫管理員的管理水平、縮減勞動工作量、降低誤差概率、降低運輸及儲存過程中的損耗、充分利用流動資金等多方面的優點,已經成為企業智能制造系統建設的重要組成部分[1,2,3]。
當前,自動化倉儲系統正朝著高可靠性、安全性、保密性、友好的人機界面、網絡化和遠程控制方向發展。自動化倉儲系統能否有效的運行在很大程度上取決于它的調度控制[4,5,6]。為了提升自動化倉儲系統信息化、網絡化、智能化水平,本文對自動化倉儲的智能調度管理系統進行了研究與設計。本文研究的自動化倉儲系統是一種提升穿梭類密集全自動智能立體倉庫,其主要由倉儲貨架系統、倉儲物流作業設備、調度管理系統等軟硬件組成。其中,調度管理系統主要包含倉庫管理系統(WMS)、倉庫設備控制系統(WCS)。一般智能調度管理系統大體上分為三個層次,最上層是WMS,負責倉儲業務邏輯的處理;最下層是具體的物流設備,如提升機、輸送線、穿梭車等;WCS位于WMS與物流設備之間的中間層,負責協調、調度底層的各種物流設備,使底層物流設備按照程序預先設定的流程執行倉儲系統的業務流程,如圖1所示。
圖1 調度管理系統層級結構圖1 調度管理系統層級結構  下載原圖
 

2 調度管理軟件架構

2.1 架構設計

自動化倉儲系統智能調度管理軟件體系架構,如圖2所示,主要由倉庫管理系統(WMS)、倉庫控制系統(WCS)、視頻監控系統(VMS)、物聯網系統(Io T)和遠程可視化系統等組成。
軟件系統主要由3部分組成。
圖2 軟件系統體系架構圖圖2 軟件系統體系架構圖  下載原圖
 
第一部分由倉庫管理系統(WMS)、倉庫控制系統(WCS)、視頻監控系統(VMS)、物聯網系統(Io T)構成一個內部局域網絡(LAN1),該網絡與公共互聯網絡、企業內部網絡在物理上分開,定位為樣庫內部管理和各類倉儲設備的智能控制。WMS對整個立體倉庫的運行進行統籌管理,下發任務給WCS執行,通過入庫、出庫、調撥、管理等功能,有效控制并跟蹤物流管理全過程,實現倉儲全面管理。WCS是倉庫控制系統,是介于WMS系統和底層控制器之間的管理控制系統,負責協調、調度底層提升機、穿梭車、輸送線等設備的運行和監控,使底層物流設備可以執行立體倉庫的各項業務,實現立體倉庫的自動化控制。視頻監控系統VMS主要完成對立體倉庫重點部位進行全天候視頻監控、運行視頻采集等任務;未來可通過圖像處理、模式識別和計算機視覺技術,在監控系統中增加智能視頻分析模塊,過濾掉視頻畫面無用的或干擾信息、自動識別不同物體,判斷監控畫面中的異常情況,并以最快和最佳的方式發出警報或觸發其他動作,從而有效進行事前預警,并對事中處理,事后及時取證的全自動、全天候、實時監控。物聯網系統Io T主要實現貨物、托盤識別、立體倉庫運行過程溫濕度、貨架變形、照明、消防等環境要素的感知和反饋。
第二部分由倉庫管理系統(WMS)和移動互聯網服務系統(Server)、遠程可視化系統組成一個局域網絡(LAN2),LAN1與LAN2通過移動互聯網服務系統(Server APP)中的雙網卡進行信息交換,LAN2再通過移動互聯網服務器的雙網卡與公共網絡進行信息交互。LAN2中遠程可視化系統通過移動互聯網服務系統(Server)與LAN1中倉庫管理系統(WMS)進行內外數據的交換。遠程可視化系統以可視化為手段,通過web、數字雙胞胎、手持設備終端APP、公眾號等多種方式實現立體倉庫運行的遠程可視化展示,用于遠程監控、方案介紹及推介、典型案例展示等。在系統足夠成熟和堅固之后,可以上傳到網絡,成為云WMS系統。
第三部分是由倉庫管理系統(WMS)和外部應用系統組成一個局域網絡(LAN3)。外部應用系統根據立體倉庫的應用場景各異。對制造業一般為ERP、MES,與WMS進行BOM、物料主數據、物料流轉任務等信息交互;對租賃市場一般為租賃管理系統等集成,與WMS進行貨位庫存、貨物存放要求、租賃時間等信息交互。WMS可通過Web Serivce/TCP IP等方式與外部應用系統進行集成,根據客戶具體需求開發對應API,實現信息集成、交互。

2.2 通信網絡設計

軟件系統需要服務器、工控機、PLC、無線通信模塊、攝像頭、網絡錄像機、交換機、路由等多種硬件載體支持,系統通信網絡及連接方式如圖3所示,主要分為3部分:
第一部分是LAN1局域網內倉庫管理系統(WMS)、倉庫控制系統(WCS)、視頻監控系統(VMS)、物聯網系統(Io T)之間的通信。采用主從式架構,以倉庫管理系統(WMS)為主站,倉庫控制系統(WCS)、視頻監控系統(VMS)、物聯網系統(Io T)為三個從站,通過交換機實現內部網絡貫通和通信。倉庫控制系統(WCS)又可細分為工控機與穿梭車通信接口、工控機與提升機通信接口、工控機與輸送線通信接口3個子網絡通信,其中工控機與輸送線之間通過以太網按照TCP/IP協議通信,工控機與穿梭車、提升機之間通過WIFI進行通信。
考慮到提升機、穿梭車需要進行較長行程的運動,以及高密度貨架對無線信號的屏蔽影響,WCS與提升機、穿梭車之間通過WIFI進行通信。具體為:在提升機控制箱內設置路由器,提升機PLC通過網線直接連接到路由器,WCS工控機通過無線網卡或者無線模塊與路由器相連,穿梭車PLC通過無線網橋與路由器進行通信。
第二部分是LAN2局域網內倉庫管理系統(WMS)、移動互聯網服務系統(Server)、遠程可視化系統組成一個局域網絡(LAN2)之間的通信,主要目的是為后續立體倉庫的遠程運維、商業應用、遠程可視化展示、客戶現場推演等服務。LAN1與LAN2通過移動互聯網服務系統(Server APP)中的雙網卡,與LAN1中倉庫管理系統(WMS)進行內外數據的交換進行信息交換。通過信息交互將加密后的WMS數據庫和WCS控制程序上傳到互聯網云中心,用于遠程可視化展示及遠程監控。
第三部分是WMS與外部信息化系統組成一個局域網絡(LAN3),主要包括ERP系統、MES、OA等。為滿足客戶的個性化需求,使系統適應多種行業,完善WMS/WCS功能,需要提供各種個性化功能集成,擬通過Web Service進行信息交互。
圖3 系統通信網絡拓撲圖圖3 系統通信網絡拓撲圖  下載原圖
 

3 業務流程分析

3.1 入庫流程

1)指令接收:WMS通過外部接口或者現場輸入,接收入庫需求(貨物類型、數量、規格型號、堆碼方式、批次、廠家、生產日期等),作為入庫業務輸入,并將入庫需求傳遞給物聯網系統,根據需要打印貨物標簽。
2)堆垛放置:倉管員按照入庫需求,在理料區安排托盤并按照不同貨物要求規范堆碼、存放。
3)貨物掃碼識別:貨物通過條形碼或二維碼識別,托盤采用RFID識別。將貨物標簽張貼在貨物表面,通過掃碼槍、RFID讀寫器完成貨物標簽與載具RFID信息綁定,存儲到WMS數據庫,將貨物類型、規格型號、廠家等信息寫入RFID電子標簽。
4)入庫指令生成:WMS將入庫業務指令下發給調度系統(WCS-DS),調度系統從設備監控系統中讀取各個設備的實施狀態,反饋是否具備入庫條件;調度系統(WCS-DS)結合已存在的出入庫作業,根據調度算法生成入庫任務列表、執行機構編號等,并發送給設備監控系統。根據需要將入庫視頻控制指令發送給視頻監控系統(VMS)。
5)信息核對:倉管員使用叉車將貨物+載具放置到輸送線,輸送線啟動后通過設置的RFID讀寫器自動讀取載具RFID電子標簽,經過外形檢測、稱重后,反饋給調度系統(WCS-DS),調度系統(WCS-DS)對貨物標記及調度優先級進行信息核對,確認無誤后下發給設備監控系統,允許入庫信息作為自動入庫輸入觸發,如果錯誤則發出警報退回輸送線入口。
6)自動入庫:設備監控系統接收調度系統(WCS-DS)下發的入庫信息后,轉換成輸送線、提升機和穿梭車的控制指令,驅動各個設備執行。
7)信息反饋:在完成入庫作業后,設備監控系統依次返回輸送線、提升機、穿梭車任務完成情況,調度系統(WCS-DS)同時把任務完成信息返回給WMS,進行入庫管理和庫存更新。

3.2 出庫流程

1)指令接收:WMS接收出庫需求(貨物種類、數量、規格型號、批次、廠家等),作為出庫業務輸入。
2)出庫設置:WMS自動進行庫存查詢,并按照先進先出、先進后出、就近出庫、指定貨位出庫等原則生成出庫作業,將出庫業務指令、貨位坐標等信息發送給調度系統(WCS-DS)。
3)出庫指令下發:調度系統從設備監控系統中讀取各個設備的實施狀態,向WMS反饋是否具備出庫條件;調度系統(WCS-DS)結合已存在的出入庫作業,根據調度算法生成出庫任務列表、出庫優化路徑等信息,并發送給設備監控系統。根據需要將出庫視頻控制指令發送給視頻監控系統(VMS)。
4)自動出庫:設備監控系統接收調度系統(WCS-DS)下發的出庫信息后,轉換成輸送線、提升機和穿梭車的控制指令,驅動各個設備執行。
5)信息反饋:完成出庫作業后,設備監控系統向調度系統(WCS-DS)返回任務完成信息,并等待接收下一個任務命令。調度系統(WCS-DS)同時把任務完成信息返回給WMS,進行出庫管理和庫存更新。

3.3 移庫流程

1)指令接收:WMS接收移庫需求(貨物種類、數量、規格型號、批次、廠家等),作為移庫業務輸入。
2)移庫設置:WMS自動進行庫存查詢,并按照就近移庫、指定出庫等原則生成移庫作業,將出庫業務指令、起始貨位坐標、目標貨位坐標等信息發送給調度系統(WCS-DS)。
3)移庫指令下發:調度系統從設備監控系統中讀取各個設備的實施狀態,向WMS反饋是否具備移庫條件;調度系統(WCS-DS)結合已存在的出入庫作業,根據調度算法生成移庫任務列表、移庫優化路徑等信息,并發送給設備監控系統。根據需要將移庫視頻控制指令發送給視頻監控系統(VMS)。
4)信息核對、自動移庫:設備監控系統接收調度系統(WCS-DS)下發的移庫信息后,轉換成提升機和穿梭車的控制指令,驅動各個設備執行。
5)信息反饋:完成移庫作業后,設備監控系統向調度系統(WCS-DS)返回任務完成信息,并等待接收下一個任務命令。調度系統(WCS-DS)同時把任務完成信息返回給WMS,進行庫存更新。

4 系統軟件設計

4.1 倉庫管理軟件(WMS)

倉庫管理系統是倉庫的中樞系統,負責立體倉庫系統出入庫業務管理、信息集成、互聯互通,由倉庫管理計算機組成,對內通過網絡形式與倉庫控制系統WCS、視頻感知系統、物聯網系統互聯,對外與互聯網、ERP等外部系統通過網絡連接,進行信息交互。
本軟件主要功能包括基礎數據管理、理料信息綁定、出入庫業務管理、系統的日常維護管理、信息集成管理等。

4.2 倉庫控制軟件(WCS)

WCS對每種設備的控制大致歸納為兩個層次:設備控制層、設備通信層。這種劃分相當于把設備的通用控制邏輯抽象到設備控制層中,而設備通信層則只負責不同設備的連接。物流流程的執行邏輯從上層經過中間層的協議打包轉化成直接的特殊設備控制指令發到具體的物流設備中,物流設備的狀態則從反方向傳到上層。通過對每種設備的抽象分層后。各層的功能相對獨立。整倉庫設備控制系統包含的主要功能模塊為設備集成控制模塊。
設備集成控制模塊用于智能搬運設備集成控制。一方面,它接收系統出入庫指令,并將其發送給PLC,從而驅動升降機、穿梭車、自動輸送線等相關物流設備產生相應動作。另一方面,它將設備運行的狀態及數據實時反饋給系統,包含任務管理、作業調度、設備通信、設備監控、運行日志、異常處理等功能。

5 結束語

對自動化倉儲系統的智能調度管理軟件進行了研究與設計,通過對入庫/出庫/移庫業務流程的規劃、庫存的管理、WMS、WCS等軟件系統的設計,制定了軟件系統架構和通信網絡,實現了自動化倉儲系統信息化、網絡化、智能化管控。通過本系統可全面掌控倉庫當下庫存、單據狀態、任務執行各方面的情況,能有效監控倉儲物流作業設備狀態,保證了系統信息流和物質流的一致性和準確性。本文為企業倉儲系統規劃和設計提供了理論支持。