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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，落后的管理模式已無(wú)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(kù)房倉(cāng)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(wú)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(kù)作業(yè)量的需求急劇上升。傳統(tǒng)模式占地過(guò)大、作業(yè)效率過(guò)低、管理水平不高等問(wèn)題日益凸顯。為了解決金屬材料庫(kù)存在的各種問(wèn)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(guò)建立金屬材料的自動(dòng)化立體庫(kù)，提高金屬材料庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)能力，同時(shí)建立先進(jìn)的倉(cāng)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(cāng)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(kù)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(guò)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(guò)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(jiàn)“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(shuō)明如下：WCS與WMS接口數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中；

b)WCS程序定時(shí)的訪問(wèn)WM S數(shù)據(jù)庫(kù)中的接口表INTER_WM S_TASK，如果發(fā)現(xiàn)有新的數(shù)據(jù)到來(lái)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀入WCS數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中的INTER_WCS_TASK表中；

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

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

d)WMS系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(kù)物流倉(cāng)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(guò)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(cāng)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(cāng)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(kù)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(kù)任務(wù)操作次序；最優(yōu)化出入庫(kù)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(wèn)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(jiàn)可查。

☆對(duì)于系統(tǒng)執(zhí)行出現(xiàn)的錯(cuò)誤，做到可見(jiàn)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(guò)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(kù)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(kù)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(kù)，在沒(méi)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(kù)在線雙向聯(lián)系

·兩者的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(kù)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(wú)縫集成的倉(cāng)庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)設(shè)備PLC的集成，并通過(guò)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(cāng)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(kù)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(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、入出庫(kù)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(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)

過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)是立體倉(cāng)庫(kù)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(guò)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(kù)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(kù)還是出庫(kù))及設(shè)備所載貨盤的物流動(dòng)態(tài)通過(guò)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(cāng)庫(kù)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(kù))、綠色(準(zhǔn)備出庫(kù))、淺藍(lán)色(需回流)、棕色(空托盤)、藍(lán)色(多品種)來(lái)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(kù)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(kù)作業(yè)；

4.3.4 堆垛機(jī)的運(yùn)行速度直接影響到入出庫(kù)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(kù)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(kù)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(guò)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(wú)線連接，即無(wú)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(kù)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(kù)主要包括堆垛機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)、入出庫(kù)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(guò)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(guò)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(yǔ)

在航天一院物流中心的金屬材料庫(kù)采用自動(dòng)化立體庫(kù)的形式后，解決了金屬材料存儲(chǔ)中的各種問(wèn)題，我們相信隨著我國(guó)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(lái)。

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