基于WCS的智能立庫控制系統(tǒng)設計及作業(yè)調度優(yōu)化

摘要：智能立庫作為典型的物流倉儲設備，廣泛應用于各個行業(yè)，是企業(yè)數(shù)字化轉型的核心裝備。本文利用倉庫控制系統(tǒng)（WCS）對智能立庫控制架構展開設計研究，借助WCS系統(tǒng)及作業(yè)調度優(yōu)化邏輯，實現(xiàn)與上級倉儲管理系統(tǒng)WMS的實時數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)進站出站任務的計算和作業(yè)調度性能優(yōu)化，并向物流管理層反饋信息，構建出一套充分利用空間高度，增加可用存儲空間，運行高效、可靠的智能立庫控制系統(tǒng)。

關鍵詞：智能立庫；WCS；WMS；作業(yè)調度；系統(tǒng)架構設計

引言

傳統(tǒng)的零件庫存，物料存放在普通鋼制貨架上，通過貨架上的賬物卡來輔助查找物料存放的貨位，倉庫人員到庫房中手工翻找，出庫效率低。利用信息系統(tǒng)與自動化設備集成開發(fā)智能倉儲系統(tǒng)，可以有效改善倉儲管理的運行效率和準時化管理水平。倉儲設備控制系統(tǒng)WCS向上與倉儲管理系統(tǒng)WMS實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成倉庫管理員取放料工作到智能立庫出入庫任務的分解[1]，向下與PLC設備控制層實現(xiàn)指令交互，控制硬件設備的動作。它作為軟件管理與硬件控制之間的神經(jīng)中樞，在智能立庫的整個運行過程中起到至關重要的作用。通過WCS實現(xiàn)智能立庫運行過程中堆垛機、回流線、掃碼槍、高度重量測量裝置的集中控制，實現(xiàn)倉庫管理的信息化、智能化。

本設計方案的智能立庫控制系統(tǒng)能夠與倉儲管理系統(tǒng)WMS集成，獲取載盤出入庫任務，更新庫房載盤位置信息等；集成PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)堆垛機、升降機的控制，控制堆垛機取放載盤；集成自動掃碼設備，實現(xiàn)載盤入庫時自動掃碼分配貨位；集成高度、重量檢測裝置，實現(xiàn)載盤入庫時稱重、測高；實現(xiàn)硬件報警信息實時采集，通過大數(shù)據(jù)分析預警，提前預測硬件故障、易損件壽命；通過與多個系統(tǒng)集成，實現(xiàn)庫房智能控制、賬物一體化管理和貨物的自動流轉。

1. 智能立庫控制系統(tǒng)整體設計概要

1.1 智能立庫控制系統(tǒng)架構

智能立庫控制系統(tǒng)的整體架構設計包括兩個方面，分別是物理層架構和軟件層架構[2]。軟件層架構共分為應用層、服務層、功能層以及數(shù)據(jù)訪問層四層，各層之間均利用特定的標準接口進行數(shù)據(jù)交互[3]。應用層是系統(tǒng)應用的前端形式，主要功能是將底層數(shù)據(jù)以界面、報表、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，實現(xiàn)人機交互；服務層是與外部上游管理系統(tǒng)（WMS、ERP、MES等）實現(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）通過特定的交互協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成對硬件的控制；功能層是根據(jù)具體的業(yè)務邏輯，通過訪問服務調用底層數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)需求進行操作處理，得到預期結果和應用功能的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)層針對WCS建立的數(shù)據(jù)庫中的表結構，建立數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)軟件層對數(shù)據(jù)的持久調用，該層是基礎支撐層，應用層的人機界面實現(xiàn)依托于數(shù)據(jù)層。通過數(shù)據(jù)層，操作員可以在人機界面上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的增刪改查和對系統(tǒng)交互的指令下發(fā)，完成了對象和數(shù)據(jù)庫之間的映射關系。

1.2 WCS功能概要

在WCS系統(tǒng)設計中主要分為系統(tǒng)管理、參數(shù)管理、設備監(jiān)控、手動控制和任務調度五個模塊，以實現(xiàn)不同的功能。具體如圖1所示。

1.3 WCS流程設計

根據(jù)實際需求，WCS可接入絕大部分市面主流的數(shù)據(jù)對接方式，例如WEB SERVICES、數(shù)據(jù)庫中間表、restful url等，可以根據(jù)用戶的實際業(yè)務現(xiàn)狀、倉庫管理流程實現(xiàn)定制化開發(fā)。在與WMS系統(tǒng)的交互過程中，當WCS系統(tǒng)掃描到任務表中有狀態(tài)為新建的任務時，根據(jù)任務類型識別出入庫、移庫操作類型，根據(jù)料箱號計算托盤所在的貨架位置及取貨排、行、列信息，當任務執(zhí)行后，根據(jù)執(zhí)行階段進行任務狀態(tài)變更。

2. WCS系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計簡介

基于上述對WCS系統(tǒng)的整體架構設計，對WCS各功能模塊展開設計與實現(xiàn)。根據(jù)用戶的實際業(yè)務流程，采購VISIO設計并繪制各業(yè)務流程，本文所設計系統(tǒng)采用SpringBoot微服務三層架構，Controller層為控制層用于控制處理HTTP請求，將其不同的業(yè)務類型轉送給SERVICE層處理，并將SERVICE層處理好的數(shù)據(jù)返回前端；SERVICE層主要負責數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理層間的交互；DAO層通常用于封裝對數(shù)據(jù)源的訪問。

2.2 作業(yè)調度優(yōu)化設計

合理的庫位分配和出入庫作業(yè)調度策略是提高立體倉庫效率的重要措施之一。本文所設計的智能控制系統(tǒng)作業(yè)調度[4]設計采用了以下原則：

（1）四巷道立庫采用對多巷道庫房就近入庫；

（2）優(yōu)化路徑，減小堆垛機的行駛距離，加快響應時間，節(jié)省能耗；

（3）出入庫交替操作優(yōu)先進行，執(zhí)行入庫操作結束后，即開始出庫操作；

（4）入庫缺貨及出庫線路故障時，執(zhí)行連續(xù)出庫操作；

（5）作業(yè)調度時，按優(yōu)先級服務，首先響應優(yōu)先級最高的作業(yè)任務；

（6）出現(xiàn)故障的庫位不執(zhí)行入出庫操作。

3. 倉儲控制詳細設計

3.1 需求分析

本文以連接器設備生產(chǎn)企業(yè)為例，該企業(yè)的零件特點為體積小、種類多、批次數(shù)量多，無法做到每個批次記錄詳細的擺放位置，尋找物料花費時間長。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。通過設計實施料箱存放的堆垛機庫房，并在項目中應用本文設計的WCS，實現(xiàn)了存放料箱數(shù)量3700個，相對于原來的貨架庫存儲料箱2376個，增加了56%。在該項目中設計的WCS實現(xiàn)了進站、出站、移庫功能，向上實現(xiàn)了與WMS的業(yè)務集成，完成任務的接收，向下與PLC集成，實現(xiàn)對堆垛機的控制。立庫設計安全可靠，與WCS與PLC的通信采用雙交互的形式，防止數(shù)據(jù)丟失和流程錯拍，增加巷道異常屏蔽機制，優(yōu)化出入庫路徑，加快速度等。

3.2 系統(tǒng)功能設計及實現(xiàn)

3.2.1 任務管理

任務管理包括任務的生成、插入、排序、刪除、更新、轉化等。在每條任務生成時，系統(tǒng)都會為其生成一個唯一的序列號，用于保證任務的唯一性，同時會記錄任務的創(chuàng)建時間。如果由于高度或者重量不滿足存放條件，WCS系統(tǒng)會生成一條退庫類型的子任務，并將父任務異常結束，當不滿足存放要求的托盤退回至操作臺時，WCS會顯示異常信息，指導操作員操作。同時隊列中所有任務有優(yōu)先級字段，該字段是由WMS傳輸過來的，優(yōu)先級高的任務先執(zhí)行。另外，為防止任務意外沖突，為倉庫管理員提供了人工更改任務狀態(tài)的功能按鈕。

3.2.2 調度管理

調度管理中的調度類型分進站、出站、移庫三種類型的調度。在實現(xiàn)時，根據(jù)堆垛機的不同，分不同的線程執(zhí)行，對于一個堆垛機的調度，要交互的點位包含：WCS指令可讀、PLC指令讀取完成、PLC動作完成、任務類型、貨位號、箱體號、排、行、列。

當在交互的過程中，WCS未收到交互流程中應有的反饋信息，會將當前執(zhí)行任務異常結束，并將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)狀態(tài)回滾至任務未執(zhí)行前；當PLC在與WCS的交互過程中，長期未收到WCS的反饋信息，PLC會報警，等待操作員前來檢查復位。通過對交互過程中各個節(jié)點的異常流程閉環(huán)，從而實現(xiàn)立庫異常防呆功能。同時調度管理的任務管理模塊可以查看歷史任務的下達時間、開始執(zhí)行時間、完成時間、任務執(zhí)行結果、托盤的運動軌跡等，方便對托盤的運動軌跡進行追蹤。

3.2.3 通信管理

要實現(xiàn)硬件設備的狀態(tài)監(jiān)控，需要WCS與PLC實現(xiàn)實時通信，本文中采用的是modubusTCP的通訊方式，將WCS與PLC之間建立連接，所有要實現(xiàn)交互的信息都通過INT、DINT、BIT類型的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)交互。通過數(shù)據(jù)交互監(jiān)控的設備信息類型包括設備狀態(tài)、PLC心跳信號、設備報警信號等。

3.2.4 運行日志管理

運行日志管理可分為WCS系統(tǒng)日志、設備日志、關鍵節(jié)點日志，通過數(shù)據(jù)庫和文本日志進行記錄，同時能夠在系統(tǒng)中設置日志的保留時間。以設備日志查詢?yōu)槔?，倘若設備出現(xiàn)故障則會將故障代碼傳給WCS，WCS在接收到故障代碼時，依據(jù)開發(fā)時規(guī)定的故障代碼解析表，解析成具體的故障信息，并選擇對應的處理方式予以提示。同時WCS會根據(jù)規(guī)則在用戶界面顯示異常代碼及相關提示，設備現(xiàn)場亮起警示燈。

3.2.5 作業(yè)調度優(yōu)化

本項目實施中，WCS控制執(zhí)行系統(tǒng)采用的調度原則在常用方案上增加了以下三點優(yōu)化邏輯。

（1）增加WCS巷道屏蔽功能。由于該項目實施的是多巷道庫，存在某巷道堆垛機出現(xiàn)硬件異常的情況，當出現(xiàn)某個或某幾個巷道故障時，通過點擊WCS“巷道屏蔽”按鈕，WCS下發(fā)任務和計算入庫時，會剔除被屏蔽的巷道，出入庫正常巷道的物料。

（2）減少等待距離。智能立庫出庫都是將箱體從庫房運至人工臺，當一個箱體流走后要等一段時間下一個箱體才會流至操作臺。在回流線上增加箱體緩存區(qū)，PLC感應到緩存區(qū)有空位置就會請求WCS下發(fā)出站任務，當人工臺有空位置，待作業(yè)的箱體就會從緩存區(qū)流至工作臺。縮短箱體流至人工臺的輸送距離，提高庫房工作效率。

（3）多線程并發(fā)執(zhí)行。WCS在執(zhí)行任務時，多條巷道的任務同時執(zhí)行，最大限度地將每個堆垛機都調度起來，加快出庫速度。在WCS計算入庫任務時，根據(jù)每個巷道堆垛機的空閑情況分配，同時保證各個巷道出庫任務和入庫任務交替執(zhí)行，最大限度提高堆垛機執(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智能控制系統(tǒng)需要和庫房管理軟件、MES、ERP之間交互，與PLC之間通信，并且動作指令的實現(xiàn)需要實時控制，所以采用開發(fā)windows應用程序，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。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫部分采用MYSQL數(shù)據(jù)庫。一方面，該數(shù)據(jù)庫具有高可用性和容錯性，可用在數(shù)據(jù)庫服務器出現(xiàn)故障時自動恢復；另一方面，它具有出色的查詢性能，可用來處理大量的查詢，并且可以快速響應查詢操作。

智能控制系統(tǒng)的標準部署方案是在企業(yè)內網(wǎng)服務器集中部署一套WCS軟件產(chǎn)品，部署WCS軟件的服務器需要設置雙網(wǎng)段，上位機網(wǎng)段與中央倉庫WMS、ERP通過交換機實現(xiàn)互聯(lián)互通網(wǎng)絡結構，硬件層網(wǎng)段通過交換機與PLC實現(xiàn)實時交互；通過內部交換機將上位機網(wǎng)段連入企業(yè)內部各工作電腦。用戶通過瀏覽器打開系統(tǒng)發(fā)布的網(wǎng)址，即可智能控制系統(tǒng)的工作信息、歷史運行狀態(tài)報表、出入庫任務接收和完成情況。

4. 智能立庫調度系統(tǒng)實現(xiàn)效果分析

4.1 實現(xiàn)物找人

倉庫實現(xiàn)由人找物到物找人的轉變。倉庫人員在智能立庫流線終端的操作臺工作，有物料需要出庫時，物料所在箱體會通過WCS調度系統(tǒng)的任務分解下發(fā)，通過堆垛機和回流線的配合作業(yè)完成箱體自動流至人工操作臺。倉庫上線智能立庫后，庫房出庫效率從以前的每日40批/人提升到每日120批/人，效率提升至原來的3倍。

4.2 安全可靠

通過與WMS、PLC系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)一套安全可靠的智能立庫系統(tǒng)。沒有上線智能立庫前，物料的取出與物料的系統(tǒng)過賬并沒有做到同步，造成庫房出現(xiàn)賬務不一致的情況。通過智能立庫WCS、WMS、PLC的協(xié)同管理，物料箱流至人工臺時，通過掃碼實現(xiàn)了與WMS、PLC的集成和定制化開發(fā)，通過不同巷道任務的多線程管理最大限度地提高了立庫的運行效率及立庫穩(wěn)定性，堆垛機故障時的單巷道任務屏蔽、WCS的流程交互異常閉環(huán)實現(xiàn)了一套安全可靠的立庫任務調度系統(tǒng)。

4.3 設備監(jiān)控

通過與PLC的交互監(jiān)控DB塊的值，實現(xiàn)智能立庫硬件運行全程監(jiān)控，實時查看立庫流線上的箱體信息，監(jiān)測設備狀態(tài)及硬件報警信息實時采集，實現(xiàn)設備異常預警及異常信息報表分析，輔助倉庫管理員遠程監(jiān)控庫房。

5. 產(chǎn)生的效益

智能立庫上線后，占地面積從原先的450m2，降低到235m2，降低約48%；存儲量從2376箱提升到4240箱，提升約78%；倉庫管理人數(shù)從18人降低到10人，降低約44%；出庫效率提升300%，出庫準確性大幅提升，人員勞動強度降低明顯，人員技能要求降低明顯。

6. 后續(xù)改進方向

隨著智能倉儲的深化應用，后續(xù)要重點研究智能立庫異常斷電時，WCS與PLC的交互接續(xù)技術；研究底層表數(shù)據(jù)治理模式，改進數(shù)據(jù)庫的訪問算法，提升WCS與PLC的交互效率；同時研究推廣集成AGV傳送模式，解決人工傳送效率問題。

結語

智能制造是國家的重大戰(zhàn)略，通過智能制造實現(xiàn)企業(yè)轉型升級是企業(yè)的必由之路。本文主要闡述了基于WCS的智能立庫控制系統(tǒng)設計及作業(yè)調度優(yōu)化的關鍵技術，及其在某企業(yè)零件庫房中的設計與實現(xiàn)。該項目中建立的智能立庫中所設計使用的WCS系統(tǒng)，向上承接WMS系統(tǒng)實現(xiàn)出入庫任務接收，向下控制PLC系統(tǒng)，通過PLC控制堆垛機運動，融合了本文所提到的作業(yè)調度優(yōu)化設計，使得效率和存儲量大幅提升，該企業(yè)賬物不一致的情況得到顯著改善。

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作者簡介：王永振，本科，高級工程師，研究方向：企業(yè)數(shù)字化、智能化建設及轉型。