文/王淑艷 趙 斐 周 亮

1.引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，保障型號生產(chǎn)的相關(guān)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(tǒng)的就地堆碼加天車、叉車進行裝卸作業(yè)的形式。完全依靠人工搬運和手工記賬來實現(xiàn)，落后的管理模式已無法滿足我院“十二五”期間高強密度發(fā)射任務(wù)要求的多個型號同時進行齊套、交裝、庫房倉儲、轉(zhuǎn)運的能力，嚴重影響齊套、交裝周期和管理質(zhì)量，無法滿足各型號任務(wù)需求。隨著高密度發(fā)射及武器型號批產(chǎn)等要求，對于金屬材料的存儲量和出入庫作業(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，物流中心決定引進金屬材料的立體數(shù)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(tǒng)，不斷改進金屬材料等相關(guān)物資產(chǎn)品的管理模式，滿足高強密度發(fā)射任務(wù)的迫切需求，從而實現(xiàn)從粗放型管理向集約型管理轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)經(jīng)驗管理向科學化管理轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)特裝物資倉儲實物作業(yè)的自動化、信息化和精細化管理。

2.金屬材料數(shù)字化存儲系統(tǒng)體系架構(gòu)

金屬材料庫的集成化物流監(jiān)控調(diào)度和自動化控制系統(tǒng)(以下簡稱WCS)，體系結(jié)構(gòu)分為如下三個層次，即信息管理層──過程監(jiān)控層──實時控制層，采用三級聯(lián)網(wǎng)的在線聯(lián)機方式，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(yè)任務(wù)進行調(diào)度監(jiān)控，可動畫顯示系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)；

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

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見“計算機管理信息與自動化控制系統(tǒng)組態(tài)圖”。

圖 計算機管理信息與自動化控制系統(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，進行數(shù)據(jù)的流通，主要進行如下主體流程：

（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，這個表位于WMS的數(shù)據(jù)庫中；

b)WCS程序定時的訪問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)存儲到WCS數(shù)據(jù)庫中的INTER_WCS_TASK表中；

b)WCS程序定時將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)字化存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)和自動化控制是金屬材料數(shù)字化存儲系統(tǒng)的精髓，其水平高低決定了金屬材料庫物流倉儲設(shè)備系統(tǒng)自動化水平的高低。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)度和自動化控制技術(shù)與自動化物流倉儲設(shè)備系統(tǒng)中各技術(shù)部件的有機組合。

金屬材料數(shù)字化存儲系統(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，即在計算機控制軟件中設(shè)置了一套對物流運動進行動態(tài)跟蹤的信息流系統(tǒng)，實現(xiàn)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(zhuǎn)聯(lián)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(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。任務(wù)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(wù)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化處理。

☆對于得到的任務(wù)進行合理的排序，主要兼顧以下內(nèi)容：按照WMS發(fā)送指令的優(yōu)先級；按照出入庫的內(nèi)部邏輯次序；當系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤情況時，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。

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

☆對于系統(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。

☆對于系統(tǒng)執(zhí)行出現(xiàn)的錯誤，做到可見可查，并提供相關(guān)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(shè)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(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是自動控制系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)之間的連接紐帶和橋梁。詳細功能主要有：

☆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。

☆實時接收下位設(shè)備狀態(tài)電報，監(jiān)控下位設(shè)備狀態(tài)。

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

☆WCS任務(wù)完成，回傳指令給與WMS系統(tǒng)。

☆接受下位設(shè)備錯誤，更新相應設(shè)備狀態(tài)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(tài)以圖形動畫方式進行實時、準確顯示，對入出庫任務(wù)及堆垛機指令流數(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，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換。

3.2.接口與通信

3.2.1 WCS系統(tǒng)作為一個獨立的系統(tǒng)，有自己獨立的服務(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

·采用標準化協(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。

☆確認文本傳輸

·文件間的確認傳輸；

·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，提供標準規(guī)范、能夠與主流WMS系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成的倉庫設(shè)備控制系統(tǒng)（WCS系統(tǒng)），實現(xiàn)WCS系統(tǒng)與自動化倉儲設(shè)備PLC的集成，并通過實現(xiàn)WCS系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)的集成，建立在WMS系統(tǒng)管理下、一體化集成的倉儲管理與控制系統(tǒng)。

4.金屬材料數(shù)字化存儲系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)具有條形碼自動識別、入出庫作業(yè)自動控制、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)視、故障自動報警以及位置、狀態(tài)、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(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、堆垛機控制系統(tǒng)、入出庫輸送控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)等。

4.1 條形碼自動識別系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個自動控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)，可以部分或全部代替人工鍵盤輸入，減少可能出現(xiàn)錯誤的操作環(huán)節(jié)，減輕勞動強度，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)是立體倉庫自動化作業(yè)的組織調(diào)度核心，采用微機CRT動態(tài)仿真實時監(jiān)控。根據(jù)管理軟件自動分配好作業(yè)地址信息，按運行時間最短、作業(yè)間的合理分配等原則對作業(yè)順序進行優(yōu)化組合排定，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后向堆垛機、輸送機等主要機電設(shè)備的控制器分發(fā)作業(yè)命令。系統(tǒng)接收實時控制級的信息反饋，并對主要設(shè)備的運行位置、作業(yè)狀態(tài)、貨位占位情況、托盤載物情況和運行故障等信息物流狀態(tài)進行大屏幕CRT實時動態(tài)仿真顯示。

4.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作方式

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

·離線方式(OFFLINE)：脫離管理級，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)自動進行作業(yè)及監(jiān)視。

4.2.2 監(jiān)控內(nèi)容

·顯示管理機下達的各種命令及資料；

·動態(tài)畫面顯示各類機電設(shè)備運行狀態(tài)及作業(yè)流程；

·顯示各類機電設(shè)備故障及報警信息。

4.2.3 平面、正面及側(cè)面動畫

立體庫管理控制系統(tǒng)所含范圍內(nèi)各設(shè)備的靜動態(tài)位置、作業(yè)狀態(tài)(工作還是待機、正常還是故障、入庫還是出庫)及設(shè)備所載貨盤的物流動態(tài)通過實際平面圖形顯示。同時在屏幕的適當位置設(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(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(qū)分。

4.3 巷道堆垛機控制系統(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(yōu)化控制，具有安全聯(lián)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(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)點是控制程序簡化，便于操作維護。一旦某臺控制單元出現(xiàn)故障，不會危及其它控制器的工作，不會導致整個控制系統(tǒng)的癱瘓；

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

4.3.3 堆垛機均可實現(xiàn)自動/手動(半自動)操作。在全自動工作狀態(tài)下，堆垛機控制器與監(jiān)控計算機自動進行資料及信息的交換，實現(xiàn)入出庫的自動作業(yè)。當網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或管理計算機出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)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(yè)；

4.3.4 堆垛機的運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的平穩(wěn)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(lián)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(jiān)控計算機反饋處理結(jié)果信息；

4.3.6 控制系統(tǒng)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(tǒng)

本系統(tǒng)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(jù)作業(yè)命令對各段輸送機的協(xié)調(diào)動作進行優(yōu)化控制，以完成輸送、分岔、合流、暫存、聯(lián)鎖保護等各項任務(wù)，具有故障報警和處理功能，并對輸送系統(tǒng)上移動的托盤貨物進行跟蹤和定位。

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

4.5 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

它將監(jiān)控計算機系統(tǒng)與各實時控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起相互進行資料交換，以便形成三級在線聯(lián)機自動控制系統(tǒng)的必須環(huán)節(jié)。

4.5.1 巷道堆垛機與上位機通信可采用紅外光數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其主要優(yōu)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(tǒng)與上位機通信采用Profi-BUS固定通信電纜。

4.6 檢測系統(tǒng)

它是提高自動化程度及作業(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檢測系統(tǒng)、入出庫輸送設(shè)備檢測系統(tǒng)，其涉及內(nèi)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(tài)檢測等；

4.6.2 輸送系統(tǒng)上托盤貨物位置跟蹤、外形尺寸檢測等；

4.6.3 系統(tǒng)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(lián)鎖保護檢測等；

4.6.5 檢測方式主要是光電式。

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(fā)展，對自動化物流系統(tǒng)的認識也會逐步提高。在本解決方案的基礎(chǔ)之上，將會有更多更完善的金屬材料立體存儲的物流系統(tǒng)解決方案會不斷涌現(xiàn)出來。

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

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

[3] 閆英偉，霍津梅.計算機仿真技木在自動化物流系統(tǒng)中的應用[J].物流技術(shù)與應用.(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)自動化.26(9).2004，9:6～9.