基于WCS的智能立库控制系统设计及作业调度优化

摘要：智能立库作为典型的物流仓储设备，广泛应用于各个行业，是企业数字化转型的核心装备。本文利用仓库控制系统（WCS）对智能立库控制架构展开设计研究，借助WCS系统及作业调度优化逻辑，实现与上级仓储管理系统WMS的实时数据交互，实现进站出站任务的计算和作业调度性能优化，并向物流管理层反馈信息，构建出一套充分利用空间高度，增加可用存储空间，运行高效、可靠的智能立库控制系统。

关键词：智能立库；WCS；WMS；作业调度；系统架构设计

引言

傳统的零件库存，物料存放在普通钢制货架上，通过货架上的账物卡来辅助查找物料存放的货位，仓库人员到库房中手工翻找，出库效率低。利用信息系统与自动化设备集成开发智能仓储系统，可以有效改善仓储管理的运行效率和准时化管理水平。仓储设备控制系统WCS向上与仓储管理系统WMS实现数据交互，完成仓库管理员取放料工作到智能立库出入库任务的分解[1]，向下与PLC设备控制层实现指令交互，控制硬件设备的动作。它作为软件管理与硬件控制之间的神经中枢，在智能立库的整个运行过程中起到至关重要的作用。通过WCS实现智能立库运行过程中堆垛机、回流线、扫码枪、高度重量测量装置的集中控制，实现仓库管理的信息化、智能化。

本设计方案的智能立库控制系统能够与仓储管理系统WMS集成，获取载盘出入库任务，更新库房载盘位置信息等；集成PLC控制系统，实现堆垛机、升降机的控制，控制堆垛机取放载盘；集成自动扫码设备，实现载盘入库时自动扫码分配货位；集成高度、重量检测装置，实现载盘入库时称重、测高；实现硬件报警信息实时采集，通过大数据分析预警，提前预测硬件故障、易损件寿命；通过与多个系统集成，实现库房智能控制、账物一体化管理和货物的自动流转。

1. 智能立库控制系统整体设计概要

1.1 智能立库控制系统架构

智能立库控制系统的整体架构设计包括两个方面，分别是物理层架构和软件层架构[2]。软件层架构共分为应用层、服务层、功能层以及数据访问层四层，各层之间均利用特定的标准接口进行数据交互[3]。应用层是系统应用的前端形式，主要功能是将底层数据以界面、报表、看板的形式呈现，方便用户直观观看系统数据、操作系统功能，实现人机交互；服务层是与外部上游管理系统（WMS、ERP、MES等）实现数据交互，系统间部分信息共享，和下游控制系统（PDA、RFID等）通过特定的交互协议，实现数据交互，完成对硬件的控制；功能层是根据具体的业务逻辑，通过访问服务调用底层数据，对数据需求进行操作处理，得到预期结果和应用功能的实现；数据层针对WCS建立的数据库中的表结构，建立数据模型，实现软件层对数据的持久调用，该层是基础支撑层，应用层的人机界面实现依托于数据层。通过数据层，操作员可以在人机界面上实现对数据的增删改查和对系统交互的指令下发，完成了对象和数据库之间的映射关系。

1.2 WCS功能概要

在WCS系统设计中主要分为系统管理、参数管理、设备监控、手动控制和任务调度五个模块，以实现不同的功能。具体如图1所示。

1.3 WCS流程设计

根据实际需求，WCS可接入绝大部分市面主流的数据对接方式，例如WEB SERVICES、数据库中间表、restful url等，可以根据用户的实际业务现状、仓库管理流程实现定制化开发。在与WMS系统的交互过程中，当WCS系统扫描到任务表中有状态为新建的任务时，根据任务类型识别出入库、移库操作类型，根据料箱号计算托盘所在的货架位置及取货排、行、列信息，当任务执行后，根据执行阶段进行任务状态变更。

2. WCS系统设计及实现

2.1 系统设计简介

基于上述对WCS系统的整体架构设计，对WCS各功能模块展开设计与实现。根据用户的实际业务流程，采购VISIO设计并绘制各业务流程，本文所设计系统采用SpringBoot微服务三层架构，Controller层为控制层用于控制处理HTTP请求，将其不同的业务类型转送给SERVICE层处理，并将SERVICE层处理好的数据返回前端；SERVICE层主要负责数据库和数据处理层间的交互；DAO层通常用于封装对数据源的访问。

2.2 作业调度优化设计

合理的库位分配和出入库作业调度策略是提高立体仓库效率的重要措施之一。本文所设计的智能控制系统作业调度[4]设计采用了以下原则：

（1）四巷道立库采用对多巷道库房就近入库；

（2）优化路径，减小堆垛机的行驶距离，加快响应时间，节省能耗；

（3）出入库交替操作优先进行，执行入库操作结束后，即开始出库操作；

（4）入库缺货及出库线路故障时，执行连续出库操作；

（5）作业调度时，按优先级服务，首先响应优先级最高的作业任务；

（6）出现故障的库位不执行入出库操作。

3. 仓储控制详细设计

3.1 需求分析

本文以连接器设备生产企业为例，该企业的零件特点为体积小、种类多、批次数量多，无法做到每个批次记录详细的摆放位置，寻找物料花费时间长。该行业的零件在包装上大多数采用自封袋包装，少数采用吸塑盒、海绵泡沫及纸箱。通过设计实施料箱存放的堆垛机库房，并在项目中应用本文设计的WCS，实现了存放料箱数量3700个，相对于原来的货架库存储料箱2376个，增加了56%。在该项目中设计的WCS实现了进站、出站、移库功能，向上实现了与WMS的业务集成，完成任务的接收，向下与PLC集成，实现对堆垛机的控制。立库设计安全可靠，与WCS与PLC的通信采用双交互的形式，防止数据丢失和流程错拍，增加巷道异常屏蔽机制，优化出入库路径，加快速度等。

3.2 系统功能设计及实现

3.2.1 任务管理

任务管理包括任务的生成、插入、排序、删除、更新、转化等。在每条任务生成时，系统都会为其生成一个唯一的序列号，用于保证任务的唯一性，同时会记录任务的创建时间。如果由于高度或者重量不满足存放条件，WCS系统会生成一条退库类型的子任务，并将父任务异常结束，当不满足存放要求的托盘退回至操作台时，WCS会显示异常信息，指导操作员操作。同时队列中所有任务有优先级字段，该字段是由WMS传输过来的，优先级高的任务先执行。另外，为防止任务意外冲突，为仓库管理员提供了人工更改任务状态的功能按钮。

3.2.2 调度管理

调度管理中的调度类型分进站、出站、移库三种类型的调度。在实现时，根据堆垛机的不同，分不同的线程执行，对于一个堆垛机的调度，要交互的点位包含：WCS指令可读、PLC指令读取完成、PLC动作完成、任务类型、货位号、箱体号、排、行、列。

当在交互的过程中，WCS未收到交互流程中应有的反馈信息，会将当前执行任务异常结束，并将数据库中的数据状态回滚至任务未执行前；当PLC在与WCS的交互过程中，长期未收到WCS的反馈信息，PLC会报警，等待操作员前来检查复位。通过对交互过程中各个节点的异常流程闭环，从而实现立库异常防呆功能。同时调度管理的任务管理模块可以查看历史任务的下达时间、开始执行时间、完成时间、任务执行结果、托盘的运动轨迹等，方便对托盘的运动轨迹进行追踪。

3.2.3 通信管理

要实现硬件设备的状态监控，需要WCS与PLC实现实时通信，本文中采用的是modubusTCP的通讯方式，将WCS与PLC之间建立连接，所有要实现交互的信息都通过INT、DINT、BIT类型的数据来实现交互。通过数据交互监控的设备信息类型包括设备状态、PLC心跳信号、设备报警信号等。

3.2.4 运行日志管理

运行日志管理可分为WCS系统日志、设备日志、关键节点日志，通过数据库和文本日志进行记录，同时能够在系统中设置日志的保留时间。以设备日志查询为例，倘若设备出现故障则会将故障代码传给WCS，WCS在接收到故障代码时，依据开发时规定的故障代码解析表，解析成具体的故障信息，并选择对应的处理方式予以提示。同时WCS会根据规则在用户界面显示异常代码及相关提示，设备现场亮起警示灯。

3.2.5 作业调度优化

本项目实施中，WCS控制执行系统采用的调度原则在常用方案上增加了以下三点优化逻辑。

（1）增加WCS巷道屏蔽功能。由于该项目实施的是多巷道库，存在某巷道堆垛机出现硬件异常的情况，当出现某个或某几个巷道故障时，通过点击WCS“巷道屏蔽”按钮，WCS下发任务和计算入库时，会剔除被屏蔽的巷道，出入库正常巷道的物料。

（2）减少等待距离。智能立库出库都是将箱体从库房运至人工台，当一个箱体流走后要等一段时间下一个箱体才会流至操作台。在回流线上增加箱体缓存区，PLC感应到缓存区有空位置就会请求WCS下发出站任务，当人工台有空位置，待作业的箱体就会从缓存区流至工作台。缩短箱体流至人工台的输送距离，提高库房工作效率。

（3）多线程并发执行。WCS在执行任务时，多条巷道的任务同时执行，最大限度地将每个堆垛机都调度起来，加快出库速度。在WCS计算入库任务时，根据每个巷道堆垛机的空闲情况分配，同时保证各个巷道出库任务和入库任务交替执行，最大限度提高堆垛机执行效率。

3.3 系统开发与部署

本部分主要考虑到整个智能控制系统需要和库房管理软件、MES、ERP之间交互，与PLC之间通信，并且动作指令的实现需要实时控制，所以采用开发windows应用程序，采用IDEA作为开发工具。开发的系统基于J2EE底层框架，采用B/S架构。

系统数据库部分采用MYSQL数据库。一方面，该数据库具有高可用性和容错性，可用在数据库服务器出现故障时自动恢复；另一方面，它具有出色的查询性能，可用来处理大量的查询，并且可以快速响应查询操作。

智能控制系统的标准部署方案是在企业内网服务器集中部署一套WCS软件产品，部署WCS软件的服务器需要设置双网段，上位机网段与中央仓库WMS、ERP通过交换机实现互联互通网络结构，硬件层网段通过交换机与PLC实现实时交互；通过内部交换机将上位机网段连入企业内部各工作电脑。用户通过浏览器打开系统发布的网址，即可智能控制系统的工作信息、历史运行状态报表、出入库任务接收和完成情况。

4. 智能立库调度系统实现效果分析

4.1 实现物找人

仓库实现由人找物到物找人的转变。仓库人员在智能立库流线终端的操作台工作，有物料需要出库时，物料所在箱体会通过WCS调度系统的任务分解下发，通过堆垛机和回流线的配合作业完成箱体自动流至人工操作台。仓库上线智能立库后，库房出库效率从以前的每日40批/人提升到每日120批/人，效率提升至原来的3倍。

4.2 安全可靠

通过与WMS、PLC系统的集成，实现一套安全可靠的智能立库系统。没有上线智能立库前，物料的取出与物料的系统过账并没有做到同步，造成库房出现账务不一致的情况。通过智能立库WCS、WMS、PLC的协同管理，物料箱流至人工台时，通过扫码实现了与WMS、PLC的集成和定制化开发，通过不同巷道任务的多线程管理最大限度地提高了立库的运行效率及立库稳定性，堆垛机故障时的单巷道任务屏蔽、WCS的流程交互异常闭环实现了一套安全可靠的立库任务调度系统。

4.3 设备监控

通过与PLC的交互监控DB块的值，实现智能立库硬件运行全程监控，实时查看立库流线上的箱体信息，监测设备状态及硬件报警信息实时采集，实现设備异常预警及异常信息报表分析，辅助仓库管理员远程监控库房。

5. 产生的效益

智能立库上线后，占地面积从原先的450m2，降低到235m2，降低约48%；存储量从2376箱提升到4240箱，提升约78%；仓库管理人数从18人降低到10人，降低约44%；出库效率提升300%，出库准确性大幅提升，人员劳动强度降低明显，人员技能要求降低明显。

6. 后续改进方向

随着智能仓储的深化应用，后续要重点研究智能立库异常断电时，WCS与PLC的交互接续技术；研究底层表数据治理模式，改进数据库的访问算法，提升WCS与PLC的交互效率；同时研究推广集成AGV传送模式，解决人工传送效率问题。

结语

智能制造是国家的重大战略，通过智能制造实现企业转型升级是企业的必由之路。本文主要阐述了基于WCS的智能立库控制系统设计及作业调度优化的关键技术，及其在某企业零件库房中的设计与实现。该项目中建立的智能立库中所设计使用的WCS系统，向上承接WMS系统实现出入库任务接收，向下控制PLC系统，通过PLC控制堆垛机运动，融合了本文所提到的作业调度优化设计，使得效率和存储量大幅提升，该企业账物不一致的情况得到显著改善。

参考文献：

[1]陈万武，谢飞，陈观国，等.一种新型智能立体车库实践教学装置研发[J].顺德职业技术学院学报，2021，19（1）：6-10.

[2]李昆鹏，刘腾博.“货到人”拣选系统中电商订单分批优化研究[J].运筹与管理，2022，31（12）：16-23，30.

[3]叶宇翔.智能立体仓库的货位分配算法和入库顺序优化[D].上海：东华大学，2021.

[4]周蔷.新文科视域下“仓储管理与库存控制”TBL-OBE模式课程教学改革研究[J].物流科技，2023，46（16）：171-174.

作者简介：王永振，本科，高级工程师，研究方向：企业数字化、智能化建设及转型。