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原標題：自動化立體倉庫wcs的設計與實現(xiàn)!

前言

作為典型的自動化物流倉儲設備之一，自動化立體倉庫在各行業(yè)中的應用越來越廣泛，它代替了傳統(tǒng)的平面?zhèn)}庫和貨架,通過充分利用空間高度，增加了相同占地面積上的可用存儲空間;通過堆垛機和貨叉的移動，實現(xiàn)了由物到人的便捷存取;通過配套信息管理系統(tǒng)，提高了庫房及物料管理的工作效率和信息化程度。自動化立體倉庫的主體由貨架、堆垛機、輸送機及操作控制系統(tǒng)組成，可引入agv小車完成托盤或料箱的流轉(zhuǎn)及搬運任務,提高了整個系統(tǒng)的自動化程度，能同時完成物料的存取及信息存儲功能。這其中，操作控制系統(tǒng)主要由倉庫控制系統(tǒng)(wcs)和wms組成，在自動化立體倉庫系統(tǒng)中起著主導性的作用。

wcs是倉庫控制系統(tǒng)(warehousecontrolsys-tem)的縮寫。wcs是介于wms系統(tǒng)和可編程控制器(plc)系統(tǒng)之間的一層管理控制系統(tǒng)。它與wms系統(tǒng)進行信息交互，接收wms系統(tǒng)發(fā)來的指令，進行空間計算和任務優(yōu)先級調(diào)配之后,將其發(fā)送給plc系統(tǒng)，從而驅(qū)動自動化立體倉庫及輸送設備觸發(fā)相應的機械動作。它可以將plc系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實時采集并反映在軟件界面上，方便用戶進行手動操作及監(jiān)控設備的實時狀態(tài)。wcs通常由wcs服務器、wcs控制工作站兩部分組成氣服務器負責與wms或其他系統(tǒng)的信息交互,同時負責維護后臺數(shù)據(jù)庫?？刂乒ぷ髡咀鳛樽詣踊Ⅲw倉庫的核心控制系統(tǒng)，負責向相關(guān)機械設備發(fā)送執(zhí)行指令及獲取設備的實時狀態(tài),并及時上報至服務端。

wcs體系架構(gòu)

wcs系統(tǒng)的整體架構(gòu)采用四層結(jié)構(gòu)自上至下進行構(gòu)建,分別為:應用層、服務層、功能層和數(shù)據(jù)層。

應用層:系統(tǒng)應用的前端形式，可根據(jù)客戶需求進行不同平臺的搭建。應用層負責用戶界面的呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)信息的顯示，以及部分控制功能的入口，不對業(yè)務邏輯或數(shù)據(jù)操作進行處理。

服務層:與設備的通訊需要搭建plc通訊服務，完成plc狀態(tài)信息的讀取和操作指令的寫入;數(shù)據(jù)庫訪問服務完成系統(tǒng)內(nèi)部管理和控制信息的記錄及讀取;可視化效果的實現(xiàn)需要具備資源文件讀寫和加載服務；wcs與外部上游管理系統(tǒng)（wms、erp、sap、mes等）或控制系統(tǒng)（pda.rfid、pad、led等）進行信息交互和指令下達，通過外部系統(tǒng)接口完成服務。

功能層:結(jié)合具體的業(yè)務邏輯，針對特定的設備任務進行操作，負責對訪問服務調(diào)用的數(shù)據(jù)模型進行處理，完成數(shù)據(jù)的管理和應用功能的實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)層:針對plc狀態(tài)點進行數(shù)據(jù)采集,創(chuàng)建持久化的數(shù)據(jù)模型，供服務訪問和功能調(diào)用。針對數(shù)據(jù)庫對象實體進行存儲和管理，完成編程對象和數(shù)據(jù)庫表之間的映射。

通過該架構(gòu)的設計，使得軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分更為明確，在保證功能模塊獨立完整的同時降低了耦合度;有助于開發(fā)團隊分工合作，促進合作開發(fā)和資源共享，解決了協(xié)同開發(fā)過程中的沖突問題;提高了各功能模塊的可復用性，使得開發(fā)成本和后期維護成本都大大降低。

wcs功能實現(xiàn)

wcs的核心功能模塊如圖2所示。

任務調(diào)度模塊:對上游系統(tǒng)發(fā)送的自動出入庫任務及自身發(fā)起的手動出入庫任務生成隊列，并按照插入優(yōu)先級進行排序，如設備發(fā)生報警，可對隊列進行新和清空等操作。

手動控制模塊:包括手動岀入庫任務的發(fā)起，對巷道進行封鎖，控制輸送機進行移動,對設備報警進行總體恢復。

設備監(jiān)控模塊:包括整體布局俯視動態(tài)圖，堆垛機水平移動實時位置監(jiān)控,提升機實時高度顯示，控制模式顯示，移動設備的速度、加速度、功耗、運行時長、電流值,存儲空間分布，料箱或托盤狀態(tài),以及部分關(guān)鍵plc狀態(tài)點顯示。

參數(shù)設置模塊:包括貨位初始化及禁用操作，料箱或托盤的初始化及凍結(jié)操作,plc通訊必要參數(shù)配置和數(shù)據(jù)庫服務必要參數(shù)設置等。

系統(tǒng)管理模塊:包括用戶角色創(chuàng)建及賬號密碼管理,角色權(quán)限分配及配置，系統(tǒng)出入庫操作日志記錄及查詢，設備報警記錄瀏覽及檢索，針對出入庫頻次、料箱使用頻次、設備報警頻次等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖表.

系統(tǒng)流程設計

wcs可根據(jù)實際需求接入掃描槍、rfid、pda等眾多周邊設備,接口對接方式眾多，應囊括絕大部分市面主流的數(shù)據(jù)對接方式,例如,webservices數(shù)據(jù)庫中間表、socket報文、rest、http協(xié)議等，并可根據(jù)客戶實際需求完成數(shù)據(jù)及功能接口的定制開發(fā)。下面以與wms對接為例進行說明,wcs服務檢測到數(shù)據(jù)表中記錄發(fā)生變化，根據(jù)操作類型識別出入庫操作類型，根據(jù)料箱號和取貨口號進行設備動作指令發(fā)送,根據(jù)任務狀態(tài)進行作業(yè)條件變更。出入庫流程如圖3所示。

圖3wcs與wms對接流程

項目案例

(1)項目簡介：

客戶為煙臺某集橡膠油封、ptfe油封、聚氨酯高壓油封等產(chǎn)品的研發(fā)、制造于一體的專業(yè)化公司。通過為其提供雙存儲位的自動化立體倉庫設備,并在項目中運用本文設計的wcs,對其共計1500多種規(guī)格的系列產(chǎn)品進行管控，包括減振器油封、發(fā)動機油封、氣門油封、傳動系統(tǒng)油封、車橋油封、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油封、軸承油封、液壓缸油封等的原材料、半成品和成品。該項目wcs設計與實現(xiàn),使倉庫的岀入庫、調(diào)撥、庫存轉(zhuǎn)移和庫存盤點等日常業(yè)務都能夠穩(wěn)定、高效地進行，并能夠應對多用戶協(xié)同使用和任務交叉排序的情況，促進了客戶的信息化建設和智能生產(chǎn)。

(2)技術(shù)路線：

首先，以本文提出的架構(gòu)搭建思路作為整體設計的前提。其次，基于客戶實際的業(yè)務特點進行需求分析，對客戶的實際功能需求和業(yè)務流程進行了歸納總結(jié)，完成信息架構(gòu)的搭建。然后，在wcs系統(tǒng)整體的設計階段分別對架構(gòu)、功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設計。相對于傳統(tǒng)wcs系統(tǒng),本項目的wcs在常規(guī)架構(gòu)基礎上加入了數(shù)據(jù)感知服務，通過異步方式完成plc信息狀態(tài)的獲取。在通過訂閱機制獲取plc狀態(tài)的基礎上，結(jié)合sqldependency技術(shù)實現(xiàn)任務的異步更新和優(yōu)先級排序，從而完成任務的拆分、調(diào)度和優(yōu)化。在系統(tǒng)的實現(xiàn)階段，采用mvvm模式搭建系統(tǒng)基礎框架,并基于opcua標準模型進行改造和建模，提升了通訊接口的實時性和通用性。另外,為了規(guī)范整個物流系統(tǒng)內(nèi)所有硬件設備的通訊格式和協(xié)議標準，采用相對更容易序列化和較為主流的json文件格式進行傳輸和交互。在任務分解的過程中，結(jié)合自身設備和現(xiàn)場物流環(huán)境的特點，將堆垛機、傳輸線、agv的任務作為一個完整任務的三個獨立單元，根據(jù)實際情況進行組合和協(xié)調(diào)。在設備調(diào)試和用戶后期使用過程中，對wcs系統(tǒng)功能和性能展開了測試與分析，通過用戶真實使用環(huán)境下的實際操作和編寫測試用例方式相結(jié)合進行測試，針對用戶體驗進行了部分優(yōu)化和調(diào)整。

(3)架構(gòu)設計：

應用層:應用層主要針對ui進行設計和客戶端開發(fā)，實現(xiàn)用戶和業(yè)務流程及后端數(shù)據(jù)的接入及交互。本項目采用wpf進行客戶端開發(fā)，并利用其mvvm模式進行模塊解耦。viewmodel層為view層和model層的中間傳遞層，它將前端view層所需展示的數(shù)據(jù)從model層中進行獲取和轉(zhuǎn)化,并完成傳遞。同時,viewmodel層還可以針對前端用戶指令和功能接口進行業(yè)務流程的封裝。數(shù)據(jù)的更新、增加和刪除等實際操作則交由model層來完成，在完成持久化操作的同時，還可感知數(shù)據(jù)綁定視圖的信息和狀態(tài)變化,并在發(fā)生變化時通知view-model層執(zhí)行相應的操作。

服務層:針對plc信息獲取的服務以plc供應商提供的opcua服務作為基礎，針對具體功能流程服務進行自主開發(fā)，包括plc通訊、路徑規(guī)劃、任務生成和分解、入庫單據(jù)服務、庫位存儲服務、電子標簽服務等功能。將上述功能進行整合并形成通用功能服務,整體層次以功能流程為基本單位,針對具體業(yè)務進行開發(fā)。該過程需要使用服務的通信組件，使每個服務將自己提供給其他服務使用。

功能層:該層主要完成核心業(yè)務功能，同時將設備控制動作進行串聯(lián)，完成設備與軟件功能的交互,針對不同的功能需求進行邏輯處理和指令響應。根據(jù)客戶的需求和設備的動作流程，按照設備的每個獨立結(jié)構(gòu)和功能單元進行模塊劃分，控制輸送線和堆垛機運動的模塊為內(nèi)部傳輸模塊;控制外形檢測、稱重的部分為檢測模塊;控制agv的模塊為搬運模塊。

數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問與操作的接口，包括數(shù)據(jù)庫存儲和資源文件的存儲等。根據(jù)客戶要求，數(shù)據(jù)庫采用sqlserver注行搭建，并利用redis進行緩存和遠程字典服務。針對兩種數(shù)據(jù)庫的操作進行通用化封裝,形成數(shù)據(jù)庫操作組件，供各個功能模塊進行調(diào)用。

(4)功能設計：

根據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)設計，將整體wcs系統(tǒng)劃分為功能模塊:基礎管理、庫位管理、任務調(diào)度、agv管理、設備監(jiān)控。

基礎管理包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理。用戶管理對系統(tǒng)用戶的基本信息進行增、刪、改、査,超級管理員賬戶可對普通操作用戶進行管理，普通操作用戶可對自己的密碼進行修改。角色管理可使管理員對普通用戶的角色進行劃分和分配,如管理員、操作員、審計員等。權(quán)限管理結(jié)合角色管理進行用戶行為的限制和歸類，如托盤的使用權(quán)限分配、操作功能入口的可進入限制等。

庫位管理是對當前自動化立體倉庫所有庫位進行序列化生成和管理，對其他設備外部的平庫貨架、虛擬貨區(qū)進行定義和劃分，釆用統(tǒng)一的編碼規(guī)則進行界定和標識。在推薦入庫貨位時,根據(jù)每個貨位的狀態(tài)和位置，可以配合agv及堆垛機完成路線優(yōu)化。結(jié)合用戶權(quán)限，可針對庫位進行用戶分配、狀態(tài)變化，通過“禁用”和“啟用”功能來規(guī)定某貨位是否能放置托盤，通過“凍結(jié)”和“解凍”功能來規(guī)定某托盤是否能用于出入庫操作。

任務管理包括任務的生成、插入、排序、刪除、轉(zhuǎn)化等。根據(jù)任務操作類型的不同和涉及的硬件設備不同，進行整體任務的串聯(lián)和調(diào)度。在每一條任務生成時，對當前時間進行序列化，并在當前數(shù)據(jù)庫中最新任務的基礎上進行追加，生成流水號與當前任務綁定，從而保證任務的性。如遇到出庫任務為內(nèi)側(cè)料箱，需要將外側(cè)料箱首先進行轉(zhuǎn)儲,則生成一條轉(zhuǎn)儲類型的子任務，同當前父任務一同插入任務隊列，隊列中所有任務根據(jù)優(yōu)先級進行排序。另外，為了防止任務意外沖突和死鎖，為用戶提供了人工追加和刪除任務的功能按鈕。

agv管理分為agv調(diào)度、agv本體檢測、工作站管理、充電站管理、通訊站管理和接駁點管理等。通過webapi方式進行通訊，實現(xiàn)點位部署、agv配置、搬運任務生成與調(diào)度、交通管制、整體日志管理等功能。

設備監(jiān)控實現(xiàn)針對當前任務隊列的顯示、所有硬件設備實時狀態(tài)的顯示、用戶操作軌跡的實時顯示、物流設備整體運動狀態(tài)的可視化。得益于本設計架構(gòu)的良好兼容性，在整體可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)方式選擇時，既可采用二維也可采用三維的方式進行開發(fā)。由于本項目涉及的堆垛機較多，且堆垛機兼顧巷道較多,故采用二維俯視圖的方式進行展示,用戶可觀測到每個硬件設備的實時位置和移動速度。

結(jié)語

本文介紹了自動化立體倉庫wcs的體系架構(gòu)和核心功能，探討了其系統(tǒng)流程，并以某客戶項目為案例進行了設計思路驗證。文中闡述的設計架構(gòu)和搭建方法已經(jīng)在多個實際項目中交付客戶并通過驗證,對同類軟件系統(tǒng)具有一定的參考意義。然而,本文中wcs在與plc通訊時采用的是基于opcua的交互方式，依賴于plc供應商提供的opcua服務器構(gòu)建的服務環(huán)境,訂閱plc的狀態(tài)點數(shù)量為500個,超過上限之后會出現(xiàn)短時間內(nèi)斷線無法重連的情況。可以通過自主研發(fā)opc服務來解決這一問題，同時應用服務器冗余守護進程機制，構(gòu)建冗余狀態(tài)機,對系統(tǒng)進行故障處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。