新型智能化仓储管控系统

文/武赫 李蕊 程诗尧 李淞

国家电力公司开展建设“三集五大”体系，其核心是建设计量设备的自动化检定系统及智能化仓储系统，对电能计量检定管理模式进行改革,构建国家电网公司电能计量中心智能化仓储系统、自动化计量装置检测系统、标准化计量管理系统、网络化配送管理系统，打造计量检定存储配送一体化管理体系等。目前，全国多个省市的各级计量中心都在建设智能化仓储系统。此外，工业化发展到第四阶段，从工业1.0机械化、工业2.0电气化、工业3.0自动化，到现在的工业4.0是基于物联网、大数据等新一代技术的智能化。工业4.0是由德国最先提出，目的是建设智能工厂，使其具有更高生产效率，更好适应性，更节约资源，以提高整体工业的智能化水平。中国以制造智能化为主要发展方向，提出《中国制造2025》计划，为提高整个国家工业智能化水平。管控系统是智能化仓储系统的数据处理中心和监控调度核心，通过采用新兴技术提升仓储管理智能化水平，实现计量业务的精益化管理。

一、系统总体设计

计量中心的智能化仓储管控系统由多个硬件设备及控制系统和多个应用软件系统组成。管控系统分为三层，最上层是信息管理层 (任务、数据、接口管理)、中间层是监控调度层（集中监控、作业调度、设备通信）、最下层是设备控制层（多种任务执行设备控制）。中央控制室和现场分别布置硬件设备。在中央控制室，部署服务器、计算机、网络交换机等设备。服务器作为管控系统数据存储中心与服务中心，软件系统通过Web Service实现数据的交互，硬件连接通过交换机采用TCP/IP网络协议实现。现场部署一体机、条码扫描设备、RFID设备、视觉识别系统、现场交换机、堆垛机控制系统、输送线控制系统等。信息管理层与监控调度层通过交换机连接网络进行信息交互，监控调度层接收任务并反馈任务执行状态给信息管理层，监控调度层与设备控制层通过PROFINET工业以太网进行数据通讯，监控调度层将任务分解成设备指令下达给设备控制层，仓储系统中的所有自动化设备组成现场ROFINET总线，控制设备的各个执行机构快速有效的运行。

图1 系统网络拓扑结构

图2 系统架构

系统网络拓扑结构，如图1。

软件系统包括仓储管理系统(Warehouse Management System,WMS)和监控调度系统(Warehouse Control System,WCS)，WMS实现整个智能化仓储系统的系统配置、信息管理、任务管理、接口管理功能，从生产调度平台获取计量器具信息、新表入库计划、自动检定计划、配送计划等信息，为生产调度平台提供实时库存、库位信息、计划执行状态等信息，支持多种仓库业务的仓库管理，全面支持条形码技术、视觉识别技术实现计量器具管理，对货位信息进行全面管理，对任务信息实行动态管理与调度，对任务状态实时处理，提供各类信息综合查询，各类综合报表统计、打印，提供详细操作记录日志。WCS处于信息管理与设备控制中间层，具有集成仓储系统控制设备接口，执行管理下达任务，并分解下达给各执行设备，管理运输路径、路段，平衡路径任务数量，优化作业，实时检测、显示设备运行状态、物料运输状态及位置，实时记录设备各种故障信息（包括通讯故障、执行设备故障等），实时显示报警信息，提供详细的系统操作记录、设备运行日志。管控系统架构，如图2。系统实现仓储信息管理、业务管理及设备控制功能，并实现与上级生产调度平台接口管理。

二、系统关键技术的升级设计

计量中心智能化仓储管控系统是一个包括硬件系统和软件系统的复杂统一的系统，将新技术和方法运用到系统的构建中，实现系统高效运行，并具有可扩展性。

1.基于工业大数据技术的数据处理

工业大数据是设备数据、产品数据和需求数据的集合，不仅仅是来源广、种类多、呈指数增长的海量数据，也包括信息知识，在传统工业研发、设计、生产过程中产生大量数据,这些数据间关联性低独立性强，采集、集成、分析困难在工业制造行业引进物联网技术，建成制造物联网(Internet of Manufacturing Things，Io MT)，通过对传感器实时数据的集成和分析处理，可以实现信息管理层、生产车间层和设备层连接，实现最优控制和决策，对整个生产过程进行全面管控。传统的数据量小、数据复杂度低，其分析过程适合统计回归和数学建模，可以进行数据选取、剔除或减弱干扰；而工业大数据的数据量呈指数增长，数据间关系复杂，数据的准备已不能通过简单的数据选取来实现，ETL(意为抽取、转换、加载) 就产生了。ETL技术是用工业大数据构建成数据仓库的核心技术之一，是将大量关联性低、结构不同的数据经过提取、转换后再加载到统一标准库的过程。

智能化仓储系统运行的基础就是对各种数据进行采集、分析、处理，系统中的数据既包括上层生产调度平台下达的新表入库计划、检定出库计划、检定回库计划、配送出库计划、计量器具信息，还包括各种自动化设备运行状态、条码识别、视觉识别信息，因此将数据分为两类：与上层生产调度平台交互的数据，与底层设备交互的数据。这些数据类型不同，结构不同、对时间响应度高、数据间关系复杂。这些数据构成工业大数据的一个子集，工业大数据技术贯穿了数据准备、数据存储、数据分析、数据显示整个数据处理过程，在智能化仓储管控系统中基于工业大数据技术进行数据处理。数据准备：采用全量ETL过程，主要分为数据抽取、转换、清洗、装载。对与上层营销系统交互数据采用Web Service，数据库中间表的方式进行数据抽取，清理冗余数据。对与底层设备交互数据采用OPC UA，Socket 通信方式进行数据抽取。OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture，过程控制统一对象模型)是一个开放的跨平台架构，由全世界30多家知名制造企业联合开发，目前已成为工业4.0 中的通信标准，成为工业通信的数据交互规范。其开放性与完整性被广泛认可。GB/T 33863.1-2017《OPC统一架构》正式发布，并于 2018 年2月1日正式实施。OPC UA协议不受限于操作系统，具有很强的独立性，并且还拥有很高的安全保护机制，可以确保信息通信安全可靠。OPC UA还能支持各类设备复杂的数据结构通信，通过将设备的各种数据以及结构节点封装为对象来对设备信息模型进行描述，以此来实现复杂数据结构的通信。同时，底层设备的实时数据可以通过OPC UA服务器传输给OPC UA客户端，设备的远程监控可以通过OPC UA服务器提供历史数据查询来实现。通过底层设备统一建模，在OPC UA服务器中封装这些数据信息，然后通过OPC UA的订阅/发布方式传输到调度应用服务层中创建的OPC UA客户端，如图3。

图3 基于OPC UA架构的通信流程

图4 数据处理

OPC 基金会公布了OPC UA Part14-关于OPC UA 的发布/订阅模式（简称为Pub/Sub），这是一个里程碑事件。发布/订阅模式是指在数据传输中，每个消息都有内容，这个内容就是一个主题（Topic），网络中的客户可以发布某一消息，一旦发布了某一个主题的消息，所有订阅者都会及时收到该主题的消息。工业控制网络中网络协议、总线和设备数量众多，网络结构复杂，并且分级管理，互相通讯非常困难。每个设备之间采用一种协议，点对点结构。这样组成的系统称为紧耦合架构，多应用程序不适用紧耦合的架构。智能工业控制系统要实现松耦合的架构。现场的传感器数据不再是某个特定应用程序独占，不再是点对点通信，要在不同应用程序共享现场的数据。使用Pub/Sub 机制网络，非常适合实现网络的扁平化，是一种解耦（decouple）系统。可以实现点对多点的传输，发送者不需要知道有多少接收者，他们是否就绪，就可以发布信息。接受者只接受订阅的消息，进行相应处理，缩短信息交换的时间，提高处理效率。智能化仓储系统中需要WCS下达指令的设备称为关键设备，如堆垛机，条码扫描器，视觉识别系统，处于运输终点位置或起点位置的输送机，这些都是关键设备。而输送线系统中处于中间运输过程的输送机不属于关键设备。假设一个智能化仓储系统有N台设备，与每台设备通信时间为S，其中需要与调度系统交互的关键设备为M台（M＜=N），传统查询模式总的通信时间为S＊N，发布/订阅模式总的通信时间为S＊M，那么发布/订阅模式总的通信时间比查询模式总的通信时间缩短(1-M/N)%。清洗后的数据以相应的表结构装载到Oracle数据库表中。

数据存储：这些数据存储到Oracle数据库中，操作过程以日志方式记录到HBase中。

数据处理及显示：采用关联分析对数据进行分析处理，对与上层生产调度平台交互的数据可以查询、统计，对与底层设备交互的数据可以生成在线二维仿真界面，实时显示设备状态，报警信息，物料运输位置及任务完成情况等。数据处理，如图4。

2.基于泛在计算设备的智能化组箱

泛在计算又称环境智能等，是指运用新的交互设备获取数据和信息，用户可以不受干扰主动地、动态地接受信息服务。基于泛在计算交互设备，如无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的设备、视觉识别设备、各种网络（无线或有线）设备等。无线制造是指对现场的数据采用RFID、视觉识别等技术实现采集，这些数据成为对生产过程分析和决策的依据。泛在计算主要作用：①数据采集的范围扩大，每一位操作工，每一台生产设备，每一种生产物料及每一种产品之间因为泛在计算设备，实现了信息交互；②同时泛在计算设备的使用，对生产过程时间响应度更快、对生产管理更具可视性、智能性，因为对研发、生产过程中产生的各种数据能够进行更加精确采集、从而实现整合、集成、分析和共享；③提高现场物料、机器、设备和产品的相关数据的处理和控制，能够更好实现生产各环节紧密衔接，更便于控制整个生产过程，减少人工干预。

计量中心智能化仓储系统与自动化检定线无缝对接，自动化检定线与传统手工检定线最大区别在于由机器手代替人工挂表到检定台，检定台对检定计量器具的放置方向有要求，必须按照统一的顺序摆放，在智能化仓储系统中新表入库时不仅需要采集新表数据，还需要检查新表在箱中的摆放方向，确保计量器具在入库时信息和位置准确，为自动化检定线提供正确计量器具，减少自动化检定线异常处理时间，从而提高自动化检定线的工作效率。设计基于泛在计算设备的智能化组箱系统，由固定条码扫描器、RFID、视觉识别系统组成，如图5。

图5 智能组箱系统

无线通信识别是识别技术的一个里程碑，其特点在于识别的非接触性、自动性、智能性。RFID技术是发展最快、最完善、应用最广的一种类型，其信息存储量大，可同时自动识别多个目标，人工识别的识别效率远远低于RFID识别，RFID识别结果客观、正确率高，且不受环境条件变化的影响，可进行长时间不间断的识别作业。RFID系统主要包括标签读写器，天线等部分。RFID具有以下特点：①适应性强，能适合各种环境与条件；②组织系统性强，可以识别与管理复杂目标；③技术性强，装备其标签的物体能达到一定的智能化程序，还可以与上级信息管理系统实时数据通信。RFID电子标签与传统的纸质标签相比，具有以下优点：①储存数据量大；②使用时间长；③存储数据可以修改；④存储数据可以加密；⑤远距离可以读取；⑥不受环境干扰，防潮，防磁，不受非金属屏蔽。电能表、互感器等电力计量器具在社会生产和国民生活中具有非常重要的作用，因此在每一个电力计量器具上装载一个RFID电子标签，记录该计量器具的相关信息，作为该计量器具的唯一身份标识。现阶段计量中心用于装表的箱分为纸箱和塑料周转箱两种，考虑到成本，这两种方式的箱条码都采用条形码方式，用固定条码扫描器采集箱条码信息，计量器具使用电子标签，用RFID系统采集信息。传统的条码识别技术和RFID识别技术不能足以辨识计量器具位置状态信息，在自动组箱系统中集成先进的机器视觉识别技术，通过图像获取、图像识别、图像处理，完成计量器具位置状态信息采集、校验，使组箱系统更具实用性和稳定性，提高了智能化水平。“机器视觉”，就是采用机器对空间影像进行处理和判别，通过摄像头摄取图像后将图像传送至处理单元，对图像像素分布和亮度、颜色等信息进行数字化处理，进而判别物体尺寸、形状、颜色等信息，并将判别的结果上报给上位机处理系统。视觉识别主要由机器视觉及系统软件组成。首先，视觉系统软件进行初始化，即存储由摄像头摄取的标准计量器具图像，将需要的标准计量器具图像都摄取存储到系统图像数据库中。实际工作时，计量器具输送到位触发传感器，传感器向视觉识别系统软件发出请求，视觉识别系统软件控制摄像头摄取计量器具图像，图像上传给视觉系统软件，视觉识别系统软件将其与图像数据库的标准计量器具图像比对，并将结果上传给上位机系统进行相应处理。如果入库检定的计量器具类型增加，只要增加视觉识别系统的图像数据库中标准计量器具图像即可，视觉识别系统具有可扩展性。

三、具体应用

北京电力科学研究院计量中心智能化仓储系统始建于2015年5月，与智能化仓储系统配套的自动检定系统检定需求为：年检定单相表150万只，每个纸制周转箱可存储单相表15只，三相表22万只，每个纸制周转箱可存储三相表5只，低压电流互感器24万只，每个纸制周转箱可存储低压互感器6只，采集终端5万只，每个纸制周转箱可存储采集终端5只。考虑节假日、公休假、各种集体活动、设备故障维修等情况，全年工作日按照250天算，工作日按照7小时工作时间算，日检定箱数为776箱。对应的新表入库、检定出库、检定入库、配送出库流程，则智能化仓储系统周转箱立体库日出入库流量为776＊4=3104箱。随着计量中心工作量的增加，到2019年检定需求为：年检定单相表280万只，三相表32万只，低压电流互感器34万只，采集终端10万只。智能化仓储系统周转箱库日出入库流量增加为1273＊4=5092箱。因为工作量增加，需要达到更高的运行效率，智能化仓储系统于2019年3月对周转箱立体库进行了一次改造，原有系统一楼库前输送线系统为一层，出入库分时进行，改造后库前与堆垛机对接位置分上下层输送线，底层输送线只执行物料入库运送，上面一层输送线只执行物料出库运送，互不干扰，伸缩皮带输送机对应的两条输送线，可以分别进行出入库，互不干扰，也可以同时执行出库或者同时执行入库。执行出入库的两条输送线通道上原有2台RFID设备，改造后又增加2台RFID设备，提高出入库效率。管控系统也进行了升级，运用基于工业大数据技术的数据处理，应用OPC UA的订阅/发布模式实现设备与调度系统交互，基于泛在计算设备的智能化组箱系统，采用固定条码扫描器、RFID、视觉识别系统实现智能化组箱。改造后的智能化仓储系统增加了输送系统，智能化组箱系统，原有529台设备，106台关键设备，新增77台设备，新增12台关键设备，每台设备通信时间为0.1ms，应用OPC UA的发布/订阅模式实现设备与调度系统交互时间比原来采用查询方式时间缩短了77.69%，其计算如表1。智能化组箱系统确保入库检定计量器具的信息及方向正确，减少了自动检定线的错误处理时间，保证自动检表线高效稳定运行。运用新技术提高系统运行效率和扩展性，目前整个智能仓储系统运行稳定，满足北京计量中心工作需要。

表1 通信时间对比

四、结束语

智能化仓储管控系统应用基于工业大数据技术的数据处理，采用OPC UA订阅/发布模式实现设备与调度系统交互，采用固定条码扫描器、RFID、视觉识别系统实现智能化组箱，提高了管控系统的智能化水平。随着新技术的不断发展，应用先进技术和新方法实现管控系统升级，使其更加智能化，如将OPC UA订阅/发布模式与时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）结合，进一步缩短设备通信时间，提高设备运行效率；将3D建模技术应用到管控系统数据显示中，用3D界面显示设备状态，监控整个智能化仓储系统运行，使其更加直观和易操作。