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自动化仓库环境下的仓库控制系统设计

1.引言

由于沉重的成本和恶劣的工作环境，对自动化物料搬运机器和仓库控制系统（WCS）的需求日益受到关注，该系统用于管理和控制仓库设备。WCS为各种物料搬运设备提供了集成界面。它能够管理和控制仓库中的设备。通过引入WCS，可以提高物料搬运设备的效率。先进的WCS有望具有多功能性，完整性，信息可见性以及支持仓库控制的多种功能。在本文中，我们分析了现有WSC的关键功能和局限性，并提出了WCS的新体系结构。在以下部分中，提供了WCS的定义和限制以及功能要求。为了解决这样的要求和限制，提出了SMART WCS / ECS的新体系结构和功能。

2.仓库控制系统

传统上，仓库是通过手动操作来操作的，例如叉车，输送机和小车等。但是，由于手动操作带来的利润低，因此广泛引入了诸如分拣器和自动存储和分拣系统（AS / RS）的自动化设施。物流执行软件（LES）可以分为两个区域：仓库管理系统（WMS）和运输管理系统（TMS）。

即使WMS和TMS被分类为执行软件，它们也没有接口或控制仓库中设施的能力。他们宁愿管理订单级别的执行。自动设备的控制需要诸如仓库控制系统（WCS），物料流控制器（MFC），设备管理系统（EMS）和设备控制系统（ECS）之类的控制软件。即使WMS和WCS的目标完全不同，许多软件提供商还是以混合方式使用这些术语。

图1显示了WMS和WCS [1]之间的区别。

图1 WMS versue WCS

图1显示WMS专注于订单管理，而WCS则更专注于机器控制。WMS适用于订单或库存管理，或与其他主机系统（例如企业资源计划（ERP）和供应链管理（SCM））协作。另一方面，WCS处理动态数据，例如机器状态和工作流程。它的重点是监视机器状态和控制机器。由于软件的性质，当人们使用WMS来控制设备时，可能会出现诸如数据丢失的问题。因此，建议使用WCS来控制设备。Adams（2011）考虑到每种软件的目标，试图区分仓库中使用的软件，如图2所示[2]。

图2 仓库中使用的不同软件

在本文中，我们将WCS定义为提供与仓库中的设备的接口并控制仓库中所有设备/设施的系统。从功能的角度来看，WCS包含以下功能：接口设备；并监控设备状态。WMS可被视为管理物流流程和控制库存，工作单，人工和运输的ERP。

在这项研究中，WCS被定义为控制仓库中设备的软件，WMS被定义为对仓库中的整体管理和运营计划进行管理的软件。

Son等人（2014年）发现，物料搬运设备公司通常不为第三方提供通用接口（即通用性或可扩展性差）。同样，大多数公司也不提供灵活的用户界面（UI），仓库的良好可见性以及设备生命周期管理的功能。认为维护系统应提供具有通用功能的此类功能。他们比较了各种WCS系统，如图3所示。

图3：仓库控制系统功能特点

3.智能WCS和设备控制系统（ECS）

A.系统实施架构

特别是通过对机器进行分层分组，用户可以更结构化地分配工作订单。Jones和Mclean [4]和McLean等[5]提出了如图4所示的自动化制造系统的层次模型。

图4：自动化制造研究设施控制级别

仓库的分层控制可以应用如下：工作站可以是一组物料搬运设备；单元可以是仓库区域，由工作站组组成；车间由单元组组成；设备可以是仓库本身，也可以由商店组成。可以对智能WCS / HMI-ECS进行建模，以进行分层控制以及混合控制。

我们设计了2个级别的WCS配置：中心WCS和边缘WCS。Edge WCS将单个ECS集成在仓库中，并提供控制和监视服务。它可以直接与操作软件连接。如果有许多仓库，Center WCS可以与许多分布式Edge WCS集成。中心WCS可以控制和管理整个仓库。如果中心WCS不存在，则Edge WCS可以用作中心WCS。

图5 系统配置

如在图5，智能WCS包括查看器，监测，设备管理器，操作模块，控制器。设备控制系统由查看器，事件触发程序，设备属性构造器以及PLC和传感器接口模块组成。改造了常规HMI和ECS的Smart ECS可以通过执行机器监控和单元移动来执行物料搬运机器的操作。

图6：SMART WCS / ECS架构

图7显示了如何在Sensor / PLC接口模块中使用设备属性构造器中的消息映射和用户协议。

图7：传感器/ PLC接口模块中的通讯方法

在传感器/ PLC接口模块中，共享内存已设置为与机器一起处理消息。在共享存储器中，由设备组件设置与设备控制器相对应的制造商协议和用户协议。用户协议定义为HMI-ECS的消息池信息。厂商协议定义为ECS设备属性构造器的信息。图6描述了基于GDS的传感器/ PLC接口模块的通信方法。GDS由模块架的升降器，穿梭器，输送带组成。模块机架的升降机和输送机均基于已设置好的PLC程序进行操作的PLC。根据制造商协议和用户协议信息，Smart ECS通过读取机器中设置的PLC程序中使用的特定内存缓冲区（例如D缓冲区，M缓冲区）的信息进行通信。在Shuttle的情况下设置了控制程序即可运行。根据用户协议信息，Smart ECS传达了各种穿梭状态信息。

WCS中的控制器与设备管理器一起使用，并包括事件处理程序和数据记录器。事件处理程序根据从Smart ECS收集的事件数据发送订单，并将信息提供给用户。数据记录器将从事件处理程序收集的所有事件数据转换为日志数据，并将其存储在数据库中。

WCS中的设备管理器保留设备的每个控制器型号的供应商驱动程序数据和协议，并执行消息映射数据。消息图是物料搬运设备的PLC程序数据。

操作模块保留用于设备操作的各种算法。例如，GDS穿梭机的优化操作算法以及APS输送机和操作模块的订单线的优化实现了每个设备中物料的库存管理。

监视向用户提供集成信息。它以图形方式向用户提供已分析的设备信息，例如机器作业，机器状态，机器布局。

图8显示了集成接口模块的定义。集成接口模块是一个接口模块，用于收集和集成ECS和子系统的信息（即操作模块）。

图8：集成接口模块

当需要数据库中的日期时，ECS或操作模块会向集成接口模块询问数据。集成接口模型从数据库查询数据，然后将数据返回给要求数据的ECS或操作模块。

B.系统实施功能

Smart WCS / ECS收集设备和事件信息，然后将它们保存到数据库中。可以使用查询功能检查收集的事件信息。可以查询以下信息：订单处理历史；控制历史；安装历史；维修历史；以及仓库和物料搬运设备的状态更改历史记录。

智能WCS的管理员可以通过根据工作规范或工作等级给予不同级别的访问优先级来控制WCS / ECS的用户访问。超级用户可以访问智能WCS / ECS的所有功能，而其他用户则可以根据其访问优先级进行访问。表我。显示Smart WCS / ECS的详细功能，并将WCS与ECS进行比较。

表I：智能WCS / ECS的功能

Smart WCS支持对所有机器的集成监控，并使用仪表板检查信息。它还可以提供每台机器的详细信息。由于工人并不总是靠近设备，因此当某些问题发生时，人们无法控制。使用Smart WCS，用户可以在发生问题时远程停止设备。用户可以注册物流机器并进行管理。特别是通过对机器进行分层分组，用户可以在结构上分配工单。用户可以注册机器并进行管理。

C.系统实施-试点系统

本文针对SMART WCS / ECS与硬件（即自动拣选系统（APS），货物到目的地系统（GDS））之间的测试链接，开发了一个试验系统。

ECS通过用于串行的以太网连接到每个设备的控制器。图9显示了APS ECS的设备监控器，其中ECS显示了设备状态信息和设备移动。用户可以使用ECS控制单元操作。ECS在操作设备期间记录事件数据。

图9：APS设备控制系统

WCS通过以太网连接到每个设备的ECS。图10显示了WCS的集成监视环境。下图左侧的树结构的每个单元都连接到ECS。

“共享内存”用作机器和ECS之间的接口。用于机器物理致动的PLC程序收集与机器状态有关的信息，并将其记录在ECS共享的内存中。ECS只是读取内存以检查机器状态。由于“共享内存”基于预定的PLC内存映射，因此可以快速开发ECS。

图10：仓库控制系统-集成监控屏幕

WCS集成了管理仓库信息以进行设备操作。设备操作信息是利用系统代码的系统代码数据（例如，货物，客户，设备和备件）和主数据（例如货物，客户和设备制造商）。以及ECS的WCS管理设备和订单拆分规则。订单拆分规则通过算法将设备分配给客户订单。例如，分割规则的基本算法基于操作模块的库存信息。WCS将分配订单的信息写入数据库的订单表。操作模块通过优化算法根据分配的客户订单建立执行订单，并写入数据库的执行订单表。WCS将执行命令传输到ECS。然后ECS将先前设置的一个批处理大小的执行命令发送到设备。

4.结论

在本文中，我们回顾了当今可用的WCS系统的一些局限性。限制示例如下：通用性差；可扩展性 而且信息可见性差。作为解决这些问题的方法，我们提出了一种称为Smart WCS / ECS的新体系结构，该体系结构提供动态PNP，各种功能，可扩展性和强大的数据收集功能。该系统由大韩民国土地，基础设施和交通运输部资助的研究计划开发。我们相信，智能WCS / ECS将提高仓库运营效率。

仓库优化中AGVS的存储分配策略和路线计划

摘 要：仓储在物流和供应链中起着重要的作用。它的运营成本占整个组织成本的20%以上，这就需要对仓库进行优化，以降低成本，增加利润。自动引导车辆

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