密集型智能仓储中的计算机系统设计与应用案例

密集型智能仓储中的计算机系统设计与应用案例

摘要

本文以重庆凯安机电制造有限公司的穿梭车自动化密集库物流项目为案例背景，针对该项目的计算机系统进行整体概述及分析总结。结合配件、成品物流仓库在机械制造行业的业务流程及行业特征，从计算机系统的软件架构、系统设计、功能模块和业务流程等各个方面，归纳总结出计算机系统在密集存储物流项目中的典型应用案例。该物流集成项目可充分满足机械制造行业在生产制造、成品发货等环节的用户需求及运营管理，同时最大化地兼顾了项目的经济性、智能化及可扩展性。

关键字：智能仓储、计算机系统、案例分析

生产和销售是企业运营过程中的两大基本活动，也是企业效益的根本源泉。将生产和销售紧密衔接，合理高效地管理配件及成品的仓库，是企业经营管理的一个重要环节。

自动化密集存储仓库可以在有限的占地面积内最大化的提高库存储位，具备投资成本回报率高的特点。合理的总体规划、良好的物流装备集成，将自动化密集存储仓库成功应用到配件/成品的入库、库存管理、生产出库及商业配送等业务环节，可以全方位地提高企业物流管理水平，对生产和销售提供辅助决策分析支撑数据，降低人力资源成本，最终达到提高企业核心竞争力的目的。

本文结合机械制造行业密集存储仓库中的规划设计和业务流程分析，详细阐述了计算机系统的信息集成。通过对计算机系统的软件架构、功能模块、业务流程等进行归纳、总结，诠释了穿梭车式自动化密集仓库及其计算机系统的设计、开发和实施。

一、物流的整体

1.1项目的整体规划和设备选型

本系统的整体规划平面图，如图1、2。

图1 物流规划平面

图2 立体仓库侧视图

1.11 立库货架

本自动化密集存储仓库共五层，中间的巷道堆垛机将仓库划分为左右两个库区。每个库区分别设计了135个巷道，每个巷道9个货位，总货位数为2430个。

之所以选择密集存储仓库，源于在存储货位数量相同的情况下具备造价成本低、占用面积小、空间利用率高等优良特点。

1.12 输送机设备

由6台输送机组成输送线，入库与出库共用一条线，位于立库区右下角的第一层。该方式可以降低输送机设备的投资成本，节约占地面积。

1.13 堆垛机和穿梭车

堆垛机1台，穿梭车1台，用于在巷道内移载实托盘及空托盘组，如图3。

通过堆垛机搭载穿梭车，可以将穿梭车移载至立体库任意楼层的任意巷道。既提高了穿梭车在水平和垂直方向上换道的速度，同时又避免了配置换层提升机、穿梭母车，另外不需要在各个楼层安装穿梭母车轨道。

图3 堆垛机和穿梭车

1.14 条码阅读器

1套，用于在入库时识别托盘条码，以获取入库托盘信息。

1.15 生产机台

10台，生产机台的生产成品是汽车门铰链，加工制造过程中消耗的配件为阴铰链、阳铰链、衬套、插销等。

1.16 滚筒输送线

20条无动力倾斜的实料箱滚筒输送线，用于将实料箱搬运至生产机台。

1条有动力的空料箱滚筒输送线，用于将生产完毕后形成的空料箱自动回收至组盘入库区，便于后续组盘入库。

1.17 生产出库通道

将立体库一层的20个巷道划分为生产出库通道，每2个出库通道对应1个机台，每个出库通道与实料箱滚筒输送线一一对应。该方式既不用单独设计生产出库通道，又节约了项目占地面积。而对于货位利用率的小幅降低，可以忽略不计。

1.18 直角坐标机械手

1套，在水平和垂直方向运动，当生产出库的实托盘抵达自动拣选工位时，直角坐标机械手将托盘上的零配件料箱抓取至生产机台左右两端的无动力滚筒输送线，供生产机台加工。

1.19 LED显示屏

1套，用于显示出入库输送线的当前出入库品牌、出入库数量等，以有效引导员工作业。

1.2 主要业务流程

1.21 组盘流程 如图4

图4 组盘流程

1.22 入库流程 如图5

图5 入库流程

1.23 导库流程 如图6

图6 导库流程

1.24 出库流程 如图7

图7 出库流程

二、计算机信息系统概述

2.1 系统架构

计算机信息系统是以物料仓储、供应服务、衔接生产、集中管理、信息全线跟踪等为核心的在线物料管理系统，是信息管理、物流调度的中枢神经。物流信息系统担负了在线物料过程管理，通过调度系统下达物流指令，保障了物料存储管理、生产前储备。向上可与企业ERP、MES、商业配送等管理系统连接，同时衔接设备控制子系统，保证了信息的上传下达。

计算机信息系统集物料管理、物流供应、仓储管理等于一身，实现物料收、发、存管理，物流计算机系统按照体系架构及应用部署，可以分为信息管理层、调度监控层、设备执行层三个层次，如图8。

图8 信息系统体系结构

2.11数据接口层API

负责从ERP、MES、商业配送系统等获取物料基础信息、组盘数据、出入库计划、销售发货单等信息，并为企业信息管理系统实时反馈库存、出入库单据信息等，实现承上启下的业务管理功能，实现全厂各个信息系统之间系统集成、接口兼容、互联互通和资源共享。

2.12 信息管理层的WMS

主要通过仓库管理模块实现物流信息管理层的功能，对采集的信息进行归类、整理和综合分析，以实现仓库的管理。提供人员角色管理、系统参数管理、货区货位管理、产品资料管理、收发货管理、出入库管理、搬运任务管理、库存管理、质量管理、报表分析统计等业务处理。仓库管理模块对物料进行全面的信息化管理，及时准确地反映物料的收发情况、库存状态、储备状况，为企业生产及销售提供智能辅助决策分析。

2.13调度监控层的WCS

接收并分解物流管理层的任务，通过设备子系统接口协议下达至具体的设备执行层，对物流过程进行统一的调度，并对各个物流环节、现场设备、流程参数及工艺点进行监视和控制。系统设计集成不同厂家、不同类型的物流设备，完成综合调度、集中控制、状态监视、异常报警、日志记录等功能。

2.2 网络拓扑结构

重庆凯安穿梭车密集库自动化物流系统的网络拓扑结构如图9。从上至下分为计算机信息系统、电控系统、设备执行子系统等。该结构适用于机械制造、食品加工、医药及烟草等行业。

图9 网络拓扑结构

三、计算机系统设计

3.1 数据存储方案

3.11硬件部分

采用双机热备服务器，主/备服务器为IBM 3650 M4，磁盘阵列为IBM V3500。

主/备服务器，双硬盘做RAID1数据冗余，当一个硬盘失效时，系统可以自动切换到镜像硬盘上读/写，损坏硬盘可以热插拔更换，冗余机制自动完成硬盘的数据同步；磁盘阵列做RAID5，在一块硬盘离线或故障的情况下保证数据的正常访问，数据库创建在磁盘阵列的共享盘上；正常情况下，主服务器拥有磁盘阵列共享盘的访问控制权，SQLSERVER数据库启动在主服务器上；当主服务器出现故障或人为关机时，备服务器接管数据库服务及阵列共享盘；双机热备系统SQLSERVER数据库的IP地址是漂移IP，以保证一台服务器宕机而另外一台服务器接管数据库服务后，客户端能够正常连接。

3.12软件部分

操作系统为WINDOWS SERVER2012企业版，数据库为SQLSERVER关系数据库。

结合重庆凯安物流项目的用户需求和业务流程，以层次结构和功能模块为维度，设计出一系列的数据表，主要包括用户表、参数表、物料表、位置表、容器表、单据表、台账表、任务表、请求表、日志表、控制表、设备表、路径表等。以存储物流集成系统的基础、业务及流水数据等。

考虑到自动化物流系统对数据响应的及时性要求较高，故将任务驱动部分的具体实现部署在数据库端，通过存储过程实现出入库任务的产生，具体包括产生出入库单据、入库托盘及搬运任务等，对于复杂的货位搜索及事务处理可以保证快速地得到相应的结果。另外，存储过程涉及的知识点就是SQL结构化查询语言，容易掌握，利于敏捷开发。

3.2 仓储管理/调度控制方案

该项目中，开发平台为VS.NET，变成语言为C#，软件架构为C/S架构。

仓储管理系统即WMS系统，调度控制系统即WCS系统。两个系统之间既有相对的独立性，又有很多关联性及耦合性。将WMS系统与WCS系统构建到一个解决方案中，方案下的类库则细分为基础类库、WMS类库、WCS类库和UI类库等。

方案输出为一个服务端与一个客户端，服务端单点部署，客户端多点部署。服务端主要完成产生物流任务，即WMS系统功能；调度物流设备，即WCS系统功能。

客户端则提供人机交互界面，以实现物料、单据、位置、容器等物流管理功能。结合项目规划设计图，以二维图形化界面动态地展示出物流设备，以实现物流设备监视及控制功能。WMS与WCS的WINFORM界面，均使用客户端系统的功能树展开，通过用户角色权限控制操作员的访问和操作权限。

而服务端与客户端之间，通过数据表及WCF技术进行业务及数据交互。

该设计方式，源于软件架构中高内聚低耦合的理念，易于后期的整改维护和版本升级。如图10。

图10 WMS/WCS架构图

3.3 数据接口方案

避免信息孤岛，与外围各个信息系统之间接口兼容、无缝互联、资源共享等，是如今仓储物流计算机系统建设的一个重要环节。

在凯安项目中，物流库通过API系统与企业级ERP系统进行数据交互。API系统提供WCF服务，供ERP系统调用；ERP系统提供WEBSERVICE服务，供API系统调用。两个系统之间采用实体对象交互，主要完成了物料、出库单及库存的数据共享。数据接口交互如图11。

图11 数据接口交互

3.4 穿梭车遥控器方案

现今，移动应用在自动化物流领域内，得到了充分广泛的重视和应用。穿梭车遥控器APP基于安卓平台开发，具备设备操作、故障查询、任务查询、异常复位等功能。操作员可通过安卓手机的无线4G等随时下载最新版本，随身携带，就近操作设备。

安卓APP的开发工具为ECLIPSE，编程语言为JAVA。应用了以太网、MODBUS通讯、PLC控制技术，通过无线以太网和PLC进行连接，对PLC所控制的设备进行本地操作及状态查询，替代传统的电控按钮、固定式电脑终端或触摸屏终端操作方式，节约成本的同时提高设备操控的便利性及安全性。如图12。

图12 安卓应用功能界面

四、案例分析

4.1组盘

物流系统物料的载体为托盘，在重庆凯安项目中，首先将零配件或成品放置到料箱中，之后将料箱放置到托盘上。搭配完毕后，由ERP系统的操作员使用PDA扫描托盘号和物料二维码、输入物料数量等，以产生组盘数据。

组盘完毕后，ERP调用物流API接口服务将组盘信息传递至物流计算机系统。物流系统即能够主动产生组盘数据，也能够通过API接口接收外围系统所产生的组盘数据，可以全方位适应用户的部门分工、管理流程，保证组盘业务得以有条不紊地开展。

4.2智能分区存储

结合项目规划及业务特征，立库区共分为托盘组存储区、配件入库区、成品入库区、配件导库区、成品导库区等5个大区。在物流位置表的库区字段中定义库区代码，以表明各个巷道所属的库区，同一个巷道仅能所属于一个库区，库区范围可以根据立体库的使用情况或用户需求进行扩充或筛减，即调整物流位置表的库区字段。如图12。

图12 智能分区存储结构

组盘完毕后形成的空托盘组、配件实托盘、成品实托盘，初始入库的目标存储区域分别为托盘组存储区、配件入库区、成品入库区。配件生产出库、成品发货出库时，出库的起始地址源于配件导库区和成品导库区。

4.3导库业务

API接口接收来自于ERP系统的生产出库单/成品发货单，WMS系统根据单据得到配件及成品的出库需求，并产生相应的导库任务，WCS系统下发搬运指令驱动物流设备作业。最终，将配件实托盘和成品实托盘分别从配件/成品入库区转移至配件/成品导库区。

导库业务无需人工参与，由系统自动完成，解析出库单据得到出库需求，搜索出预出库的成品/配件实托盘所存储的巷道，即导库任务的起始地址；搜索出配件/成品导库区中有剩余空间的巷道，即导库任务的目标地址。货位搜素采用LINQ语句，导库逻辑通过C#线程定时器驱动，结合一系列的零界条件判断等，最终实现导库业务流程。

导库完毕后，等待操作员确认出库单据，以驱动物流系统出库。成品实托盘从成品导库区出库至发货站台，等待装车；配件实托盘从配件导库区出库至生产线，等待拣选。

4.4 料箱拣选

通过直角坐标机械手完成拣选，是重庆凯安立体库项目的一大特色。立库旁边共有10个机台，整齐排列，每个机台有2个供货站台。机械手能够在XYZ三个方向上运动，设备整机在XY水平方向前后左右移动，手抓器在Z垂直方向上升或下降。生产出库的实托盘通过穿梭车运输至配件出库通道的端头，WCS系统向机械手下达抓取指令，机械手接收指令后移动至出库实托盘附近，将实托盘上的料箱抓取并搬运至生产机台的供货站台，供生产机台使用和消耗。

为每个机台设计2个供货站台，可以全面贴合重庆凯安机电公司的生产工艺流程。在生产各牌号时需要消耗阴铰链/阳铰链、衬套/插销共4种配件，而且是两两配对。故1号供货站台供应阴铰链时，2号供货站台供应阳铰链，依次类推。

直角坐标机械手通过西门子PLC控制其走行及抓取动作，由计算机系统驱动，两者之间的通信方式为SOCKET。WCS向PLC的DB块写入数据以完成指令下达，具体内容包括任务号、目标地址、垛型、到达数量、抓取数量、实际数量等。通信协议及格式如图13。

图13 WCS与直角坐标机械手通信协议

机械手抓取过程中，实时回馈完成数量，当抓取数达到计划数时，机械手停止动作，WCS系统更新托盘的剩余料箱数，剩余料箱数 = 到达数 – 抓取数。如果剩余料箱数 > 0，则WMS系统产生剩余实托盘的返库任务，WCS驱动物流设备将剩余托盘搬运至配件入库区。如果剩余料箱数 = 0，则WMS系统删除托盘信息，空料箱经动力滚筒输送线回收至组盘入库区，供组盘使用。

五、结论

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的全面推进，自动化物流系统的规划设计、业务流程、存储需求也在不断变化，服务于机械制造行业的仓储物流也愈发趋于智能化和柔性化。

智能仓储物流计算机系统将关注的焦点集中于对仓储执行的优化和有效管理，同时延伸到运输配送计划、与上下游供应商的信息交互等，是对仓库管理和运行模式的技术革新。将传统的结果导向转变成过程导向；将数据录入转变成数据采集；同时引入了调度监控平台，将人工存取货转变成了设备存取货，让物流管理更加高效、快捷、精确。通过计算机系统与物流装备的有机结合，最终提高了企业客户的满意度，提升了企业的核心竞争力。

自动化密集仓库已在重庆凯安机电制造有限公司得以应用，有效规范了工厂仓库管理，提高了人员工作效率，降低了企业运营成本，加强了物资的流动等，各方面均取得较好的应用和效果。