密集型智能倉儲中計算機系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

文/成偉 李余海 吳向東 劉商傲 馬運龍 李飛銀 王言才

生產(chǎn)和銷售是企業(yè)運營過程中的兩大基本活動，也是企業(yè)效益的根本源泉。將生產(chǎn)和銷售緊密銜接，合理、高效地管理配件及成品倉庫，是企業(yè)經(jīng)營管理的一個重要環(huán)節(jié)。

自動化密集存儲倉庫可以在有限的占地面積內(nèi)最大化地提高庫存儲位，具備投資成本回報率高的特點。合理的總體規(guī)劃、良好的物流裝備集成，將自動化密集存儲倉庫成功應(yīng)用到配件/成品的入庫、庫存管理、生產(chǎn)出庫及商業(yè)配送等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，可以全方位地提高企業(yè)物流管理水平，對生產(chǎn)和銷售提供輔助決策分析支撐數(shù)據(jù)，降低人力資源成本，最終達到提高企業(yè)核心競爭力的目的。

本文結(jié)合機械制造行業(yè)密集存儲倉庫中的規(guī)劃設(shè)計和業(yè)務(wù)流程分析，詳細闡述了計算機系統(tǒng)的信息集成。通過對計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)、功能模塊、業(yè)務(wù)流程等進行歸納、總結(jié)，詮釋了穿梭車式自動化密集倉庫及其計算機系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和實施。

一、物流的整體規(guī)劃

1.項目的整體規(guī)劃和設(shè)備選型

圖1： 物流規(guī)劃平面圖

本系統(tǒng)的整體規(guī)劃平面圖和立體倉庫側(cè)視圖，如圖1、2。

(1)立庫貨架

本自動化密集存儲倉庫共五層，中間的巷道堆垛機將倉庫劃分為左右兩個庫區(qū)。每個庫區(qū)分別設(shè)計了135個巷道，每個巷道9個貨位，總貨位數(shù)為2430個。

之所以選擇密集存儲倉庫，源于在存儲貨位數(shù)量相同的情況下具備造價成本低、占用面積小、空間利用率高等優(yōu)良特點。

(2)輸送機設(shè)備

由6臺輸送機組成輸送線，入庫與出庫共用一條線，位于立庫區(qū)右下角的第一層。該方式可以降低輸送機設(shè)備的投資成本，節(jié)約占地面積。

圖2：立體倉庫側(cè)視圖

圖3：堆垛機和穿梭車

圖4：組盤流程

(3)堆垛機和穿梭車

堆垛機1臺，穿梭車1臺，用于在巷道內(nèi)移載實托盤及空托盤組，如圖3。

通過堆垛機搭載穿梭車，可以將穿梭車移載至立體庫任意樓層的任意巷道。既提高了穿梭車在水平和垂直方向上換道的速度，同時又避免了配置換層提升機、穿梭母車，另外不需要在各個樓層安裝穿梭母車軌道。

(4)條碼閱讀器

1套，用于在入庫時識別托盤條碼，以獲取入庫托盤信息。

(5)生產(chǎn)機臺

10臺，生產(chǎn)機臺的生產(chǎn)成品是汽車門鉸鏈，加工制造過程中消耗的配件為陰鉸鏈、陽鉸鏈、襯套、插銷等。

(6)滾筒輸送線

20條無動力傾斜的實料箱滾筒輸送線，用于將實料箱搬運至生產(chǎn)機臺。

1條有動力的空料箱滾筒輸送線，用于將生產(chǎn)完畢后形成的空料箱自動回收至組盤入庫區(qū)，便于后續(xù)組盤入庫。

(7)生產(chǎn)出庫通道

將立體庫一層的20個巷道劃分為生產(chǎn)出庫通道，每2個出庫通道對應(yīng)1個機臺，每個出庫通道與實料箱滾筒輸送線一一對應(yīng)。該方式既不用單獨設(shè)計生產(chǎn)出庫通道，又節(jié)約了項目占地面積。而對于貨位利用率的小幅降低，可以忽略不計。

(8)直角坐標機械手

1套，在水平和垂直方向運動，當生產(chǎn)出庫的實托盤抵達自動揀選工位時，直角坐標機械手將托盤上的零配件料箱抓取至生產(chǎn)機臺左右兩端的無動力滾筒輸送線，供生產(chǎn)機臺加工。

(9)LED顯示屏

1套，用于顯示出入庫輸送線的當前出入庫品牌、出入庫數(shù)量等，以有效引導(dǎo)員工作業(yè)。

2.主要業(yè)務(wù)流程

(1)組盤流程(如圖4)

(2)入庫流程(如圖5)

(3)導(dǎo)庫流程(如圖6)

(4)出庫流程(如圖7)

二、計算機信息系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)架構(gòu)

計算機信息系統(tǒng)是以物料倉儲、供應(yīng)服務(wù)、銜接生產(chǎn)、集中管理、信息全線跟蹤等為核心的在線物料管理系統(tǒng)，是信息管理、物流調(diào)度的中樞神經(jīng)。物流信息系統(tǒng)擔負了在線物料過程管理，通過調(diào)度系統(tǒng)下達物流指令，保障了物料存儲管理、生產(chǎn)前儲備。向上可與企業(yè)ERP、MES、商業(yè)配送等管理系統(tǒng)連接，同時銜接設(shè)備控制子系統(tǒng)，保證了信息的上傳下達。

計算機信息系統(tǒng)集物料管理、物流供應(yīng)、倉儲管理等于一身，實現(xiàn)物料收、發(fā)、存管理。物流計算機系統(tǒng)按照體系架構(gòu)及應(yīng)用部署，可以分為信息管理層、調(diào)度監(jiān)控層、設(shè)備執(zhí)行層三個層次，如圖8。

(1)數(shù)據(jù)接口層API

負責從ERP、MES、商業(yè)配送系統(tǒng)等獲取物料基礎(chǔ)信息、組盤數(shù)據(jù)、出入庫計劃、銷售發(fā)貨單等信息，并為企業(yè)信息管理系統(tǒng)實時反饋庫存、出入庫單據(jù)信息等，實現(xiàn)承上啟下的業(yè)務(wù)管理功能，實現(xiàn)全廠各個信息系統(tǒng)之間系統(tǒng)集成、接口兼容、互聯(lián)互通和資源共享。

(2)信息管理層的WMS

主要通過倉庫管理模塊實現(xiàn)物流信息管理層的功能，對采集的信息進行歸類、整理和綜合分析，以實現(xiàn)倉庫的管理。提供人員角色管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、貨區(qū)貨位管理、產(chǎn)品資料管理、收發(fā)貨管理、出入庫管理、搬運任務(wù)管理、庫存管理、質(zhì)量管理、報表分析統(tǒng)計等業(yè)務(wù)處理。倉庫管理模塊對物料進行全面的信息化管理，及時、準確地反映物料的收發(fā)情況、庫存狀態(tài)、儲備狀況，為企業(yè)生產(chǎn)及銷售提供智能輔助決策分析。

密集型智能倉儲中的計算機信息系統(tǒng)是以物料倉儲、供應(yīng)服務(wù)、銜接生產(chǎn)、集中管理、信息全線跟蹤等為核心的在線物料管理系統(tǒng)，是信息管理、物流調(diào)度的中樞神經(jīng)。

圖6：導(dǎo)庫流程

(3)調(diào)度監(jiān)控層的WCS

接收并分解物流管理層的任務(wù)，通過設(shè)備子系統(tǒng)接口協(xié)議下達至具體的設(shè)備執(zhí)行層，對物流過程進行統(tǒng)一的調(diào)度，并對各個物流環(huán)節(jié)、現(xiàn)場設(shè)備、流程參數(shù)及工藝點進行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)設(shè)計集成不同廠家、不同類型的物流設(shè)備，完成綜合調(diào)度、集中控制、狀態(tài)監(jiān)視、異常報警、日志記錄等功能。

2.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

重慶凱安穿梭車密集庫自動化物流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖9。從上至下分為計算機信息系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、設(shè)備執(zhí)行子系統(tǒng)等。該結(jié)構(gòu)適用于機械制造、食品加工、醫(yī)藥及煙草等行業(yè)。

圖7：出庫流程

圖8：信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

三、計算機系統(tǒng)設(shè)計

1.數(shù)據(jù)存儲方案

(1)硬件部分

采用雙機熱備服務(wù)器，主/備服務(wù)器為IBM 3650 M4，磁盤陣列為IBM V3500。

主/備服務(wù)器，雙硬盤做RAID1數(shù)據(jù)冗余，當一個硬盤失效時，系統(tǒng)可以自動切換到鏡像硬盤上讀/寫，損壞硬盤可以熱插拔更換，冗余機制自動完成硬盤的數(shù)據(jù)同步；磁盤陣列做RAID5，在一塊硬盤離線或故障的情況下保證數(shù)據(jù)的正常訪問，數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建在磁盤陣列的共享盤上；正常情況下，主服務(wù)器擁有磁盤陣列共享盤的訪問控制權(quán)，SQLSERVER數(shù)據(jù)庫啟動在主服務(wù)器上；當主服務(wù)器出現(xiàn)故障或人為關(guān)機時，備服務(wù)器接管數(shù)據(jù)庫服務(wù)及陣列共享盤；雙機熱備系統(tǒng)SQLSERVER數(shù)據(jù)庫的IP地址是漂移IP，以保證一臺服務(wù)器宕機而另外一臺服務(wù)器接管數(shù)據(jù)庫服務(wù)后，客戶端能夠正常連接。

(2)軟件部分

操作系統(tǒng)為WINDOWS SERVER 2012企業(yè)版，數(shù)據(jù)庫為SQLSERVER關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

結(jié)合重慶凱安物流項目的用戶需求和業(yè)務(wù)流程，以層次結(jié)構(gòu)和功能模塊為維度，設(shè)計出一系列的數(shù)據(jù)表，主要包括用戶表、參數(shù)表、物料表、位置表、容器表、單據(jù)表、臺賬表、任務(wù)表、請求表、日志表、控制表、設(shè)備表、路徑表等，以存儲物流集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)及流水數(shù)據(jù)等。

考慮到自動化物流系統(tǒng)對數(shù)據(jù)響應(yīng)的及時性要求較高，故將任務(wù)驅(qū)動部分的具體實現(xiàn)部署在數(shù)據(jù)庫端，通過存儲過程實現(xiàn)出入庫任務(wù)的產(chǎn)生，具體包括產(chǎn)生出入庫單據(jù)、入庫托盤及搬運任務(wù)等，對于復(fù)雜的貨位搜索及事務(wù)處理可以保證快速地得到相應(yīng)的結(jié)果。另外，存儲過程涉及的知識點就是SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言，容易掌握，利于敏捷開發(fā)。

2.倉儲管理/調(diào)度控制方案

該項目中，開發(fā)平臺為VS.NET，變成語言為C#，軟件架構(gòu)為C/S架構(gòu)。

倉儲管理系統(tǒng)即WMS系統(tǒng)，調(diào)度控制系統(tǒng)即WCS系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)之間既有相對的獨立性，又有很多關(guān)聯(lián)性及耦合性。將WMS系統(tǒng)與WCS系統(tǒng)構(gòu)建到一個解決方案中，方案下的類庫則細分為基礎(chǔ)類庫、WMS類庫、WCS類庫和UI類庫等。

方案輸出為一個服務(wù)端與一個客戶端，服務(wù)端單點部署，客戶端多點部署。服務(wù)端主要完成產(chǎn)生物流任務(wù)，即WMS系統(tǒng)功能；調(diào)度物流設(shè)備，即WCS系統(tǒng)功能。

圖9：重慶凱安穿梭車密集庫自動化物流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖10：WMS/WCS架構(gòu)圖

避免信息孤島，與外圍各個信息系統(tǒng)之間接口兼容、無縫互聯(lián)、資源共享等，是如今倉儲物流計算機系統(tǒng)建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)。在凱安項目中，物流庫通過API系統(tǒng)與企業(yè)級ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。

客戶端則提供人機交互界面，以實現(xiàn)物料、單據(jù)、位置、容器等物流管理功能。結(jié)合項目規(guī)劃設(shè)計圖，以二維圖形化界面動態(tài)地展示出物流設(shè)備，以實現(xiàn)物流設(shè)備監(jiān)視及控制功能。WMS與WCS的WINFORM界面，均使用客戶端系統(tǒng)的功能樹展開，通過用戶角色權(quán)限控制操作員的訪問和操作權(quán)限。

而服務(wù)端與客戶端之間，通過數(shù)據(jù)表及WCF技術(shù)進行業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)交互。

該設(shè)計方式，源于軟件架構(gòu)中高內(nèi)聚低耦合的理念，易于后期的整改維護和版本升級。如圖10。

3.數(shù)據(jù)接口方案

避免信息孤島，與外圍各個信息系統(tǒng)之間接口兼容、無縫互聯(lián)、資源共享等，是如今倉儲物流計算機系統(tǒng)建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)。

在凱安項目中，物流庫通過API系統(tǒng)與企業(yè)級ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。API系統(tǒng)提供WCF服務(wù)，供ERP系統(tǒng)調(diào)用；ERP系統(tǒng)提供WEBSERVICE服務(wù)，供API系統(tǒng)調(diào)用。兩個系統(tǒng)之間采用實體對象交互，主要完成了物料、出庫單及庫存的數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)接口交互如圖11。

圖11：數(shù)據(jù)接口交互

圖12：安卓應(yīng)用功能界面

4.穿梭車遙控器方案

現(xiàn)今，移動應(yīng)用在自動化物流領(lǐng)域內(nèi)，得到了充分廣泛的重視和應(yīng)用。穿梭車遙控器APP基于安卓平臺開發(fā)，具備設(shè)備操作、故障查詢、任務(wù)查詢、異常復(fù)位等功能。操作員可通過安卓手機的無線4G等隨時下載最新版本，隨身攜帶，就近操作設(shè)備。

安卓APP的開發(fā)工具為ECLIPSE，編程語言為JAVA。應(yīng)用了以太網(wǎng)、MODBUS通訊、PLC控制技術(shù)，通過無線以太網(wǎng)和PLC進行連接，對PLC所控制的設(shè)備進行本地操作及狀態(tài)查詢，替代傳統(tǒng)的電控按鈕、固定式電腦終端或觸摸屏終端操作方式，節(jié)約成本的同時提高設(shè)備操控的便利性及安全性。如圖12。

四、案例分析

1.組盤

物流系統(tǒng)物料的載體為托盤，在重慶凱安項目中，首先將零配件或成品放置到料箱中，之后將料箱放置到托盤上。搭配完畢后，由ERP系統(tǒng)的操作員使用PDA掃描托盤號和物料二維碼、輸入物料數(shù)量等，以產(chǎn)生組盤數(shù)據(jù)。

組盤完畢后，ERP調(diào)用物流API接口服務(wù)將組盤信息傳遞至物流計算機系統(tǒng)。物流系統(tǒng)即能夠主動產(chǎn)生組盤數(shù)據(jù)，也能夠通過API接口接收外圍系統(tǒng)所產(chǎn)生的組盤數(shù)據(jù)，可以全方位適應(yīng)用戶的部門分工、管理流程，保證組盤業(yè)務(wù)得以有條不紊地開展。

2.智能分區(qū)存儲

結(jié)合項目規(guī)劃及業(yè)務(wù)特征，立庫區(qū)共分為托盤組存儲區(qū)、配件入庫區(qū)、成品入庫區(qū)、配件導(dǎo)庫區(qū)、成品導(dǎo)庫區(qū)等5個大區(qū)。在物流位置表的庫區(qū)字段中定義庫區(qū)代碼，以表明各個巷道所屬的庫區(qū)，同一個巷道僅能所屬于一個庫區(qū)，庫區(qū)范圍可以根據(jù)立體庫的使用情況或用戶需求進行擴充或篩減，即調(diào)整物流位置表的庫區(qū)字段。如圖13。

組盤完畢后形成的空托盤組、配件實托盤、成品實托盤，初始入庫的目標存儲區(qū)域分別為托盤組存儲區(qū)、配件入庫區(qū)、成品入庫區(qū)。配件生產(chǎn)出庫、成品發(fā)貨出庫時，出庫的起始地址源于配件導(dǎo)庫區(qū)和成品導(dǎo)庫區(qū)。

3.導(dǎo)庫業(yè)務(wù)

API接口接收來自于ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)出庫單/成品發(fā)貨單，WMS系統(tǒng)根據(jù)單據(jù)得到配件及成品的出庫需求，并產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)庫任務(wù)，WCS系統(tǒng)下發(fā)搬運指令驅(qū)動物流設(shè)備作業(yè)。最終，將配件實托盤和成品實托盤分別從配件/成品入庫區(qū)轉(zhuǎn)移至配件/成品導(dǎo)庫區(qū)。

導(dǎo)庫業(yè)務(wù)無需人工參與，由系統(tǒng)自動完成，解析出庫單據(jù)得到出庫需求，搜索出預(yù)出庫的成品/配件實托盤所存儲的巷道，即導(dǎo)庫任務(wù)的起始地址；搜索出配件/成品導(dǎo)庫區(qū)中有剩余空間的巷道，即導(dǎo)庫任務(wù)的目標地址。貨位搜素采用LINQ語句，導(dǎo)庫邏輯通過C#線程定時器驅(qū)動，結(jié)合一系列的零界條件判斷等，最終實現(xiàn)導(dǎo)庫業(yè)務(wù)流程。

圖13：智能分區(qū)存儲結(jié)構(gòu)

導(dǎo)庫完畢后，等待操作員確認出庫單據(jù)，以驅(qū)動物流系統(tǒng)出庫。成品實托盤從成品導(dǎo)庫區(qū)出庫至發(fā)貨站臺，等待裝車；配件實托盤從配件導(dǎo)庫區(qū)出庫至生產(chǎn)線，等待揀選。

4.料箱揀選

通過直角坐標機械手完成揀選，是重慶凱安立體庫項目的一大特色。立庫旁邊共有10個機臺，整齊排列，每個機臺有2個供貨站臺。機械手能夠在XYZ三個方向上運動，設(shè)備整機在XY水平方向前后左右移動，手抓器在Z垂直方向上升或下降。生產(chǎn)出庫的實托盤通過穿梭車運輸至配件出庫通道的端頭，WCS系統(tǒng)向機械手下達抓取指令，機械手接收指令后移動至出庫實托盤附近，將實托盤上的料箱抓取并搬運至生產(chǎn)機臺的供貨站臺，供生產(chǎn)機臺使用和消耗。

為每個機臺設(shè)計2個供貨站臺，可以全面貼合重慶凱安機電公司的生產(chǎn)工藝流程。在生產(chǎn)各牌號時需要消耗陰鉸鏈/陽鉸鏈、襯套/插銷共4種配件，而且是兩兩配對。故1號供貨站臺供應(yīng)陰鉸鏈時，2號供貨站臺供應(yīng)陽鉸鏈，依次類推。

直角坐標機械手通過西門子PLC控制其走行及抓取動作，由計算機系統(tǒng)驅(qū)動，兩者之間的通信方式為SOCKET。WCS向PLC的DB塊寫入數(shù)據(jù)以完成指令下達，具體內(nèi)容包括任務(wù)號、目標地址、垛型、到達數(shù)量、抓取數(shù)量、實際數(shù)量等。通信協(xié)議及格式如圖14。

機械手抓取過程中，實時回饋完成數(shù)量，當抓取數(shù)達到計劃數(shù)時，機械手停止動作，WCS系統(tǒng)更新托盤的剩余料箱數(shù)，剩余料箱數(shù)=到達數(shù)–抓取數(shù)。如果剩余料箱數(shù) > 0，則WMS系統(tǒng)產(chǎn)生剩余實托盤的返庫任務(wù)，WCS驅(qū)動物流設(shè)備將剩余托盤搬運至配件入庫區(qū)。如果剩余料箱數(shù)=0，則WMS系統(tǒng)刪除托盤信息，空料箱經(jīng)動力滾筒輸送線回收至組盤入庫區(qū)，供組盤使用。

圖14：WCS與直角坐標機械手通信協(xié)議

五、結(jié)論

隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的全面推進，自動化物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、業(yè)務(wù)流程、存儲需求也在不斷變化，服務(wù)于機械制造行業(yè)的倉儲物流也愈發(fā)趨于智能化和柔性化。

智能倉儲物流計算機系統(tǒng)將關(guān)注的焦點集中于對倉儲執(zhí)行的優(yōu)化和有效管理，同時延伸到運輸配送計劃、與上下游供應(yīng)商的信息交互等，是對倉庫管理和運行模式的技術(shù)革新。將傳統(tǒng)的結(jié)果導(dǎo)向轉(zhuǎn)變成過程導(dǎo)向；將數(shù)據(jù)錄入轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)采集；同時引入了調(diào)度監(jiān)控平臺，將人工存取貨轉(zhuǎn)變成了設(shè)備存取貨，讓物流管理更加高效、快捷、精確。通過計算機系統(tǒng)與物流裝備的有機結(jié)合，最終提高了企業(yè)客戶的滿意度，提升了企業(yè)的核心競爭力。

自動化密集倉庫已在重慶凱安機電制造有限公司得以應(yīng)用，有效規(guī)范了工廠倉庫管理，提高了人員工作效率，降低了企業(yè)運營成本，加強了物資的流動等，各方面均取得較好的應(yīng)用和效果。