無人倉儲監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

無人倉儲監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

黃才勝摘

要：基于汽車電子、消費(fèi)電子行業(yè)的倉儲系統(tǒng)，利用OPCUA、Socket、WebSocket、H5等技術(shù)開發(fā)自動無人倉儲的監(jiān)控系統(tǒng)。服務(wù)端使用OPCUA、Socket協(xié)議采集底層設(shè)備控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，將需要保存的參數(shù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，并生成JSON格式數(shù)據(jù)使用WebSocket協(xié)議發(fā)送給前端，前端使用H5建模，前端在運(yùn)行中接收、分析數(shù)據(jù)并展示各設(shè)備的實(shí)時運(yùn)動軌跡和當(dāng)前運(yùn)行狀況，通過操作可消除非故障性報(bào)警，與WMS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，查看倉庫各個庫位的庫存信息，以此來實(shí)現(xiàn)對整個無人倉的集中監(jiān)控與管理。最終，通過系統(tǒng)調(diào)試與深化設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善系統(tǒng)，期望該文可以為類似項(xiàng)目提供參考。Key：自動無人倉儲;OPCUA;WebSocket;監(jiān)控系統(tǒng)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言自動無人倉是計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合自動化行業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)，其有傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，多層貨架密集存儲節(jié)約了數(shù)倍空間，從貨物入庫到出庫由計(jì)算機(jī)自動調(diào)配合理分配空間，堆垛機(jī)、穿梭車在密集空間搬運(yùn)貨物靈活自如。在如此大型的系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)是不可或缺的一部分，其可以全面監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況、設(shè)備出現(xiàn)異常時能快速上報(bào)、促使管理人員在最短的時間內(nèi)處理異常，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以簡單快捷地查看庫區(qū)任何貨位的庫存情況，收集到的數(shù)據(jù)全面、精細(xì)，對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行永久存儲，查詢系統(tǒng)的相關(guān)工作報(bào)表，基于Web的訪問方式使其使用非常便捷。1工程概況由于無人倉儲系統(tǒng)內(nèi)都是由各種自動化設(shè)備在相應(yīng)任務(wù)指令下自動工作的，因此該系統(tǒng)具備面積大、貨物存儲密集、設(shè)備多、各個供應(yīng)商的設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、汽車電子和消費(fèi)電子生產(chǎn)周期快、要求處理異常時間短等特點(diǎn)。這就需要開發(fā)一套完善的系統(tǒng)兼容不同供應(yīng)商的設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。設(shè)備控制器數(shù)據(jù)能全面反應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，從底層設(shè)備到前端顯示只需秒級甚至毫秒級時間，這樣在出現(xiàn)故障時能快速上報(bào)故障設(shè)備、故障地點(diǎn)、故障原因，并能記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，查看一段時間內(nèi)的運(yùn)行情況，分析故障參數(shù)并改善系統(tǒng)運(yùn)行工況，預(yù)防后期出現(xiàn)相同故障或減少頻發(fā)的次數(shù)。2系統(tǒng)整體架構(gòu)無人倉儲監(jiān)控系統(tǒng)主要分為底層設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集服務(wù)層、前端展示層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。底層設(shè)備層主要由PLC和定制控制器控制各自動化設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行過程中，所有參數(shù)都保存在PLC存儲區(qū)，定制控制器控制的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)保存在控制器Socket服務(wù)端。數(shù)據(jù)采集服務(wù)層使用OPCUA和Socket協(xié)議[1]，OPCUA協(xié)議分2種形式獲取PLC存取區(qū)數(shù)據(jù)，一種形式是采用按一定時間間隔讀取數(shù)據(jù)，另一種形式采用訂閱的方式獲取其數(shù)據(jù)，該方式主要針對那些時間敏感度較高的數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC存取區(qū)數(shù)據(jù)改變時，PLC程序會主動上報(bào)數(shù)據(jù)給上位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過這2種方式對不同時間敏感度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層次采集，既能夠及時獲取時間敏感度較高的數(shù)據(jù)，又避免PLC運(yùn)行負(fù)擔(dān)過大，影響性能。數(shù)據(jù)采集服務(wù)層采集到的設(shè)備層數(shù)據(jù)，一方面將其組合成JSON格式，通過WebSocket協(xié)議發(fā)送給前端展示層，另一方面將需要永久保存的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便后期查詢和作為生成報(bào)表的數(shù)據(jù)源。前端接收到服務(wù)層發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，解析該JSON格式字串，分發(fā)到不同展示區(qū)及設(shè)備模型進(jìn)行狀態(tài)展示，使監(jiān)控人員對現(xiàn)場運(yùn)行狀況一目了然。3倉儲監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)模式自動無人倉儲監(jiān)控系統(tǒng)的工作模式為中控室集中監(jiān)控、人工參與處理異常的模式，在中控室運(yùn)行該系統(tǒng)的前端監(jiān)控界面，服務(wù)端將各設(shè)備參數(shù)采集上來并發(fā)送到前端，當(dāng)設(shè)備有異常時會提示詳細(xì)報(bào)警信息，管理人員會根據(jù)具體報(bào)警信息選擇處理方案。管理人員還可以在辦公室查看各種運(yùn)行報(bào)表，以此來優(yōu)化系統(tǒng)或提前預(yù)知系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障。3.2硬件配置2臺服務(wù)器，一臺作為主運(yùn)行服務(wù)器，另一臺作為主機(jī)熱備服務(wù)器。每臺服務(wù)器需4核以上處理器，具備多線程處理能力，一臺交換機(jī)，一個大屏顯示器或其他需要訪問的電腦、手機(jī)設(shè)備作為客戶端運(yùn)行硬件環(huán)境。底層數(shù)據(jù)源來自數(shù)十臺西門子PLC和RCS系統(tǒng)的控制器。3.3軟件配置該系統(tǒng)部署在WindowsServer2016系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)采集服務(wù)端基于.NET開發(fā)的WindowsService和Asp.NETApi系統(tǒng)，服務(wù)器上安裝.NET4.6或以上版本，開啟Asp.NET4.6或以上版本功能，服務(wù)器安裝MySQL8.0版本數(shù)據(jù)庫，客戶端基于Web開發(fā)運(yùn)行在瀏覽器上。4倉儲監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)4.1倉儲管理流程及監(jiān)控過程無人倉儲工作流程主要分為自動入庫和自動出庫2個部分，該倉儲監(jiān)控系統(tǒng)主要對該過程進(jìn)行監(jiān)控跟蹤[2]。4.1.1入庫工作流程貨物上輸送線→掃描儀掃描條形碼信息→信息提交至WMS/WCS→WMS/WCS獲取物料具體信息（上位ERP系統(tǒng)）→生成入庫任務(wù)，基于入庫規(guī)則分配庫位→任務(wù)指令和任務(wù)號下發(fā)至下位輸送線控制器和堆垛機(jī)控制器→控制器接收入庫任務(wù)指令和任務(wù)號→貨物運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中貨物要經(jīng)過外形檢測、外形檢測異常將直接被輸送到異常口并報(bào)告給WMS/WCS系統(tǒng)，外形檢測正常，輸送線系統(tǒng)將貨物運(yùn)送到環(huán)形小車或輸送線入庫口并上報(bào)給WMS/WCS，WMS/WCS下發(fā)指令給堆垛機(jī)控制器，堆垛機(jī)按任務(wù)在巷道內(nèi)將貨物輸送到指定的貨架排，最后由貨叉或穿梭板將貨物運(yùn)送到指定貨位，堆垛機(jī)控制器上報(bào)任務(wù)完成信號給WMS/WCS。4.1.2出庫工作流程WMS/WCS系統(tǒng)接收出庫任務(wù)并計(jì)算出庫貨位生成任務(wù)號下發(fā)給堆垛機(jī)系統(tǒng)，堆垛機(jī)按照指定行走路徑到達(dá)預(yù)定庫位，提取貨物，將貨物輸送到環(huán)穿小車或輸送線并上報(bào)給WMS/WCS，輸送線接收到WMS/WCS指令，將貨物運(yùn)送到相應(yīng)出庫口并上報(bào)給WMS/WCS。4.1.3監(jiān)控跟蹤功能在入庫過程中，監(jiān)控系統(tǒng)從輸送線控制器和堆垛機(jī)控制器中獲取任務(wù)號，跟蹤顯示貨物在輸送線上的運(yùn)動軌跡，直到貨叉或穿梭車放下貨物入庫成功，或排放到異常口，取下貨物。在出庫過程中監(jiān)控系統(tǒng)從堆垛機(jī)控制器獲取任務(wù)號，一直跟蹤顯示貨物隨堆垛機(jī)一起運(yùn)動到輸送線，然后從輸送線控制器獲取任務(wù)號，跟蹤貨物在輸送線上運(yùn)動的軌跡，直到貨物到達(dá)出庫口并被取走。在整個監(jiān)控過程中可以點(diǎn)擊貨物或承載貨物的設(shè)備查看當(dāng)前任務(wù)ID，通過ID可以查看貨物的具體信息。當(dāng)?shù)讓釉O(shè)備工作模式或工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)異常時，上報(bào)當(dāng)前工作模式、工作狀態(tài)和報(bào)警，并記錄到數(shù)據(jù)庫中永久保存。4.2功能模塊設(shè)計(jì)4.2.1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集功能塊設(shè)計(jì)中，每個設(shè)備類擁有一些共同的屬性和功能，如ID、IP地址、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、連接功能、讀取數(shù)據(jù)功能等，其中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)又包含節(jié)點(diǎn)名屬性和節(jié)點(diǎn)當(dāng)前值屬性等，屬性名對應(yīng)OPCUA訪問的節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，包括名字空間、標(biāo)簽層級關(guān)系、標(biāo)簽名。以此基本類為基類，對所有設(shè)備類型和設(shè)備參數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行繼承。系統(tǒng)配置與運(yùn)行分為3步。1）將各設(shè)備的屬性配置成XLM文檔，當(dāng)服務(wù)初始化時，讀取配置文檔初始化各設(shè)備的相關(guān)屬性。2）運(yùn)行過程中，實(shí)時采集PLC或其他控制器中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。3）在采集時，上位程序?qū)⒃摴?jié)點(diǎn)標(biāo)簽名發(fā)送到OPCUA控制器，OPCUA控制器返回對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)值給上位程序。在數(shù)據(jù)采集方式設(shè)計(jì)過程中，選取了2種方式，分別為讀取與訂閱。讀?。翰捎幂喸兎椒?，間隔設(shè)定的時間將每個節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽名組成數(shù)組發(fā)送給OPCUA控制器，OPCUA控制器按照標(biāo)簽對應(yīng)關(guān)系返回相應(yīng)的值，也可以發(fā)送一組節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽給OPCUA控制器，OPCUA控制器將該父節(jié)點(diǎn)下的所有子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照字節(jié)數(shù)組的形式返回給客戶端，客戶端按照順序解析該字節(jié)數(shù)組，讀取父節(jié)點(diǎn)字節(jié)數(shù)組的方式比下發(fā)每個節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的速度快數(shù)倍甚至數(shù)十倍。訂閱：將需要采集的節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽加入訂閱列表中下發(fā)給OPCUA控制器，該方法是OPCUA控制器按照設(shè)定的掃描間隔（一般是200ms）掃描節(jié)點(diǎn)值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)值發(fā)生改變時，主動上報(bào)給上位程序，該方法采集的數(shù)據(jù)實(shí)時性更高，通信消耗更小。如果因外界因素造成采集模塊與設(shè)備控制器信號中斷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后能夠自動重連，以此來最大程度地降低因網(wǎng)絡(luò)通信中斷等外界原因造成數(shù)據(jù)丟失的影響。4.2.2數(shù)據(jù)適配分發(fā)功能模塊設(shè)計(jì)適配前端展示數(shù)據(jù)格式和保存到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式2種。由于現(xiàn)場設(shè)備各種各樣不同設(shè)備來自不同廠家，數(shù)據(jù)不能完全統(tǒng)一，針對該情況先設(shè)計(jì)一些共同的功能，如獲取設(shè)備當(dāng)前值功能、前端數(shù)據(jù)適配功能、數(shù)據(jù)庫設(shè)備適配功能等，讓所有設(shè)備適配器都繼承自該基類，然后根據(jù)各自的數(shù)據(jù)特點(diǎn)重寫該基類方法。數(shù)據(jù)庫存儲功能是利用EntityFramework進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。發(fā)送到前端的功能是利用WebSocket協(xié)議與前端進(jìn)行雙向通信，以此可以實(shí)時更新現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果由于外界原因造成前端和服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)中斷，當(dāng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接后前后端具備自動重連功能，方便監(jiān)控人員使用，減少或防止漏報(bào)信息。4.3數(shù)據(jù)庫層數(shù)據(jù)庫層包括工廠車間表、車間區(qū)域表、設(shè)備類型表、設(shè)備表，這些表預(yù)定義從工廠車間信息、該車間有多少工作區(qū)域、整個車間有多少設(shè)備類型、每個工作區(qū)域有多少工作設(shè)備。報(bào)警表、工作狀態(tài)表實(shí)時存儲各設(shè)備的工作狀況。通過角色表、用戶表、角色菜單表進(jìn)行權(quán)限管理。4.4前端監(jiān)控界面層前端監(jiān)控界面層設(shè)置編輯態(tài)、運(yùn)行態(tài)2種。編輯態(tài)是用于繪制場景布局，場景布局主要是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)計(jì)的CAD圖紙繪制一些靜態(tài)控件和一些配置參數(shù)，靜態(tài)控件布局有貨架、環(huán)穿軌道、輸送線、堆垛機(jī)巷道等，靜態(tài)控件繪制是根據(jù)設(shè)備模型為單位進(jìn)行拖拽放置，然后可以編輯這些控件的ID、名稱、位置、大小、顏色、狀態(tài)等。參數(shù)配置包括服務(wù)端WebSocket地址、顯示時界面和實(shí)際的縮放比例、不同語言的對照表等，通過編輯可預(yù)定義運(yùn)行時的場景并保存成配置文件。運(yùn)行態(tài)讀取場景配置文件載入運(yùn)行場景，接收后臺服務(wù)數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)運(yùn)行得到各個設(shè)備組件及設(shè)置設(shè)備狀態(tài)。4.5報(bào)表管理系統(tǒng)API功能塊包括各種API返回各種報(bào)表參數(shù)給前端管理界面，管理系統(tǒng)界面訪問管理API，查看以圖形展現(xiàn)的各種報(bào)表。下面主要以堆垛機(jī)為例進(jìn)行論述：接收到的參數(shù)包括設(shè)備ID，當(dāng)前位置（X、Y、Z）、是否載貨、報(bào)警列表等。堆垛機(jī)運(yùn)動有3個空間坐標(biāo)X、Y、Z，堆垛機(jī)主體按照X參數(shù)沿巷道行走，載貨平臺按照Y參數(shù)由堆垛機(jī)提升結(jié)構(gòu)進(jìn)行升降，穿梭板按照Z參數(shù)在貨架內(nèi)進(jìn)行穿梭運(yùn)動。當(dāng)有設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警時，設(shè)備顯示為紅色，點(diǎn)擊該故障設(shè)備可以查看報(bào)警信息列表，用戶也可以查看各個設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、貨架庫位的存儲貨物信息。5系統(tǒng)調(diào)試與深化設(shè)計(jì)5.1調(diào)試方案系統(tǒng)開始運(yùn)行，采集服務(wù)端將載入底層設(shè)備參數(shù)配置文件，連接底層設(shè)備各個控制器，下發(fā)訂閱參數(shù)標(biāo)簽地址，啟動WebSocket服務(wù)。開啟采集、存儲數(shù)據(jù)、發(fā)送到前端數(shù)據(jù)線程，啟動WebApi功能。一切準(zhǔn)備就緒，前端就可以連接服務(wù)端。在瀏覽器中訪問前端站點(diǎn)，前端將加載場景布局控件，并且會顯現(xiàn)是否與服務(wù)端WebSocket連接成功，連接成功就將接收后端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并動態(tài)加載運(yùn)動設(shè)備或輸送線上運(yùn)動的貨物，可以點(diǎn)擊各個設(shè)備查看設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)和貨物情況。當(dāng)有設(shè)備報(bào)警時，該設(shè)備將呈現(xiàn)紅色，并給出報(bào)警原因列表。點(diǎn)擊貨位上的貨物可查看貨物信息清單，經(jīng)過信息整理，形成相應(yīng)報(bào)表信息。5.2深化設(shè)計(jì)該系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)量大，給前端處理帶來了一定壓力;因此，采用實(shí)時發(fā)送發(fā)送周期內(nèi)的變化數(shù)據(jù)，沒變化的數(shù)據(jù)間隔較長一段時間，按順序依次發(fā)送，使前端運(yùn)行效果更流暢，當(dāng)有新的連接時，發(fā)送所有數(shù)據(jù)給新連接上來的用戶，避免新連接上來的前端用戶長時間等待后臺沒有變化的數(shù)據(jù)而顯示不全。設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)時帶有一定隨機(jī)性（尤其運(yùn)動中的設(shè)備位置信息），后方的設(shè)備有時會比前方設(shè)備的數(shù)據(jù)先上報(bào)，針對這一問題，對運(yùn)動設(shè)備數(shù)據(jù)按照位置記錄進(jìn)行有效排序，從而防止顯示界面上出現(xiàn)設(shè)備碰撞、穿越、重疊及混亂的現(xiàn)象，并將算法邏輯放置在后臺服務(wù)端，以此減輕前端的運(yùn)行壓力。6結(jié)論自動無人倉儲監(jiān)控系統(tǒng)解決了大空間多設(shè)備的全局監(jiān)控問題，對不同廠家的各種設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，形成統(tǒng)一的處理方案，幫助監(jiān)控人員對現(xiàn)場形成有效的集中監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確的跟蹤設(shè)備的實(shí)時位置、狀態(tài)，方便查閱貨物的各種信息，減少了