（模式识别与智能系统专业论文）自动化立体仓库控制技术应用研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 自动化立体仓库综合了物流分析、数据处理、货架存取机以及其它输送设备 的设计、高度自动化的计算机控制管理技术，它充分利用空间、减少占地面积， 通过计算机有效利用仓储能力，合理减少库存，加快储备资金周转、高速存取， 适应现代企业的柔性化生产由于自动化立体仓库在我国起步较晚，关于它的 研究还比较少，随着我国工业生产自动化水平的不断提高，立体仓库的运用会 越来越广，所以本文的研究有一定的实际意义。 本文首先分析了立库的概念以及国内外的研究及应用状况，然后描述了系统 的物理结构。对信息管理系统进行了基于u m l 的建模分析，主要分析了该自动 化立体仓库管理信息系统的模型建立的过程。完成了管理信息系统的建模后， 对立库系统监控系统的实现做了详细的描述。立库监控系统是基于i f i x 组态软 件开发的。上位机系统开发了监控系统所要求的基本功能外，还对监控系统中 存在的不足之处做了一些改进，并提出了一些新的设计思想。利用i f i x 的后台 调度功能大大减少了由于画面切换引起的硬件连接断开操作，减少了系统不必 要的开销。然后对p r o f i b u s 现场总线的通信机制做了初步的研究。最后，运 用蚁群算法理论建立了a g v 调度系统的蚁群模型，并且应用此模型来优化a g v 系统，使得a g v 系统的调度在理论和实际上都得到了进一步的提高。 关键词：自动化立体仓库，u m l ，仓储管理系统，i f ，p r o f i b u s ，调度， 蚁群算法 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ea s r si n t e g r a t e dl o g i s t i c s ，d a md e a l i n gt e c h n i q u e ，g o o d ss t o r a g em a c h i n e s w i t ho t h e r s t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t sd e s i g na n dh i g l l l ya u t o m a t i o nc o m p u t e r c o n g o lm a n a g e m e n tt e c h n i q u e t h ea s r sc a nm a k ef u l l 眦o fs p a c et od e c r e a s e a c r e a g e b yf u l l ym a k i n gu s eo fc o m p u t e r , t h ef a c t u a lb a s es t o r a g ew o u l db e d e c r e a s e da tt h es a m et i m et h ed e p o s i t e df u n d sc a l lb el i l a d ef u l lu s eo f a tt h es a i n e t i m e , t h ea s r sc a na d a p tf l e x i b l em a n u f a c t u r ei nt h em o d e r ne n t e r p r i s e sf o ri t s f u l f i l l i n ga l li no u tt a s k sq u i c m y b e c a u s ei tw a sl a t e rt h a no t h e rc o u n t r i e sw h e nt h e a s r sw a si n t r o d u c e di n t o0 1 1 1 c o u n t r y , t h es t u d yo fa s r sh a sb e e nn o tt h o u g h t h i g h l yo f w i mt h eh n p r o v e n l e n to fi n d u s 仃ya u t o m a t i o n , t h ea s r ss l l o u i db eu s e d 谢d e l yi nt h ef u t u r e s ot h e r ei ss o m es e n s ei nf u l f i l l i n gt h er e s e a r c h a tf i r s tt h ea s r sd e f i n i t i o na n dt h es t u d ya n da p p l i c a t i o ns t a t u so ft h en a t i o n a l a n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hw e r ei n t r o d u c e ds i m p l y , t h e nt h ep h y s i c a lc o n f i g u r a t i o n w e f ci n t r o d u c e d w ea n a l y z ea n dd e s i g nm a n a g e m e mi n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do n u m l a n dt h e n , w ed e s c r i b ed e t a l l e d l yt h ei m p l e m e n to ft h em o n i t o rs y s t e m n 皓 m o m t o rs y s t e mi se m p o l d e r e db a s e do ni f j x b e s i d e sg e n e r a lf u n c t i o n so fm o m m r s y s t e m , t h i sp a p e rm a k e ss o m ei m p r o v e m e n t t ot h ed e f i c i e n c yo f t h em o n i t o rs y s t e m a n dp u t sf o r w a r ds o m en e wd e s i g ni d e a t h es y s t e mu s e d s c h e d u l e p r o v i d e db y i f t oc o n t r o lt h es l a v ed e v i c e s o i t e f f e c t i v e t y r e d u c e dt h e c o n n e c t i o n d i s c o n n e c t i o no p e r a t i o nt os l a v ed e v i c ec a u s e db yt h es w i t c h i n go f s c a d as y s t e mp i c t u r e s t h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ee f f e c to fc o n t r o li s i m p r o v e dg r e a t l y , a n dt h a ti tc a n m a k et h es y s t e mm o r er e l i a b l e t h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l eo f p r o f i b u s i sa n a l y z e d a tt h el a s tp a r t ，w es t u d i e da n ta l g o r i t h m a tt h e $ f l m et i m ew eu s et h i sa l g o r i t h mt os e tu pt h ea n tc o l o n ym o d e lo ft h ea g v s y s t e m f o ro p t i m i z i n gi t t h es i m u l a t i o ns h o w e dt h a t a p p l y i n ga n ta l g o r i t h mc o u l d e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es c h e d u l eo f a g vs y s t e mb o t hi nt h e o r ya n df a c t k e yw o r d s ：a s r s ，u m l ，s t o r a g em a n a g e m e n ts y s t e m ，i f ，p r o f i b u s ， s c h e d u l e ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权接有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阕，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 兰i ! 望 了一7 年月塔日 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 自动化立体仓库概述 随着科学技术和工业生产的飞速发展，现代物流技术领域内出现了一种新 型仓储方式一自动化立体仓库。自动化立体仓库是高层货架仓库的高级形式， 又称为自动仓储系统( a u t o m a t i cs t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m ，a s r s ) 它是以 高层货架为主体，以成套搬运设备为基础，以计算机控制技术为手段的高效率 物流、大容量存储的机电一体化高科技集成系统。它集机械、电子、计算机、 通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动 化、管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物流设计中产品生产与存储 的枢纽。 自动化立体仓库在制造自动化中起着非常重要的作用。以其为中心的物流 管理自动化是柔性制造系统中的一个重要组成部分。一个完善的自动化立体仓 库系统，是在计算机控制和管理下，能按设定方案自动存取物料的仓库，由高 层货架、巷道式堆垛机、出入库台、监控系统等部分组成，是现代物流工程的 重要组成部分，并广泛用于其它行业，已成为企业生产和管理信息自动化的重 要标志之一。 自动化立体仓库是机械和电气相结合的产品。它主要由货物储存系统、货 物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。货物存储系统由立体货架 的货格( 托盘或货箱) 组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货 物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、 出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制 方式：有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台p l c 控制，机与机 无联系：有的仓库对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控 制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制 计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系纠1 1 。 自动化立体仓库综合了物流分析、数据处理、货架存取机以及其它输送设 备的设计、先进的电力拖动技术、高度自动化水平的计算机控制管理技术。它 充分利用空间、减少占地面积，通过计算机有效利用仓储能力，合理减少库存， 加快储备资金周转、高速存取，适应现代企业的柔性化生产。它广泛应用于医 药、电子、汽车、机械、化工等行业，和企业的e r p 等系统连接后，可实现企 业信息管理的自动化，使物流系统与生产制造、销售、财务等系统有机的联系 中国科学技术大学硕士学位论文 起来，提高企业管理水平和经济效益。 1 2 自动化立体仓库应用现状 自动化立体仓库产生于6 0 年代的美国，到现在大致经历了机械式立库系统、 自动化立库系统、集成化立库系统、智能型立库系统四代的发展，并逐步向第 五代“3 i ”( i n t e l l i g e n t 智能化，i n t e g r a t e d 集成化，i n f o r m a t i o n n 息化) 立库系 统过渡。 美国于1 9 6 3 年建成了世界上第一座计算机控制的自动化立体仓库。现在，自 动化立体仓库在发达国家已相当普遍，自动化物流技术和成套设备的研发已经 发展成了一个庞大的产业。日本是自动化仓库发展最快，建造数量最多的国家， 近年来每年约有上千个各种类型的自动化物流系统投入使用。此外，美国、德 国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自动化仓库。虽然在国外 立体仓库是近二、三十年才发展起来的现代化仓储系统，但发展至今，在设计、 制造、自动化控制和计算机管理方面的技术已日趋成熟。今天，现代物流的理 论己进入世界各国经济生活的各个领域，自动化的物流系统己成为现代化工厂 不可或缺的重要部分。 由于自动化立体仓库具有存储容量大，物料管理科学和货物自动出入库等优 点。7 0 年代初期，我国开始研究巷道式堆垛机的立体仓库。7 0 年代中期，我国 研究开发采用巷道式堆垛机和高架叉车的立体仓库。1 9 8 0 年，由北京机械工业 自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂 投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据不完全统计，目前我 国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有3 0 多个。这项技术在 国内很多行业的应用正在日益广泛。我国的自动化仓库技术己实现了与其他信 息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。 自动化仓库正处于不断发展和完善的阶段，世界主要工业国家都在开发性能 可靠的新产品和采用高新技术上，在建设物流系统及自动化仓库上更加注重实 用性和安全性。标准的模块化自动化仓库系统已引起关注，这种系统在硬件和 软件方面比传统的根据用户要求而提供的自动化仓库有更多的现成产品，并能 降低整个系统的建设成本；普遍采用扫描技术，提高信息的传输速度和准确性； 采用射频数据通信技术，数据的采集、处理和交换能够在搬运设备与中央计算 机之间快速进行，使物料的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。 另外，多媒体技术也在自动化仓库系统中得到越来越广泛的应用，包括远程 2 中国科学技术大学硕士学位论文 现场监视、远程故障分析及诊断、人员培训、操作指导和防火防盗等方面。 集成化的物流系统软件的开发与研究成为热点。物流仿真系统软件成为虚拟 制造系统的重要组成部分，通过对系统进行虚拟仿真，经过不断完善和修改， 最终可以降低成本，提高效率。制造执行系统软件与物流系统软件合二为一， 并与e r p 系统集成。 1 3 自动化立体仓库发展前景 由于自动化立体仓库在当今物流和制造业中的广泛应用，计算机技术和网络 技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其发展趋势主要有吐 第一，自动化程度不断提高。近年来，采用可编程序控制器( p l c ) 和微机控 制搬运设备的仓库和采用计算机管理与p l c 联网控制的全自动化仓库在全部立 体仓库中的比重不断增加。在生产企业，自动化仓库作为全厂计算机集成制造 系统( c m t s ) 的一部分与全厂计算机系统联网的应用也日渐增多，成为今后发展 的趋势。 第二，智能技术将会获得应用。人工智能技术的发展，推动了自动化技术向 其高级阶段一智能化方向发展，己经在仓库的设计、搬运系统的控制和储运设 备的选用等方面应用了专家系统。如在自动导向小车和智能吊车中用专家系统 来确定行走路线和运行方案；在物料存取过程中，用专家系统指挥机器人进行 出、入架的操作i 在仓库的建筑方程中，用专家系统确定最佳参数以及如何缩 短时间等。这些研究成果将会应用于自动化仓库的兴建和管理，从而使自动化 仓库进入智能化阶段。 第三，与工艺流程结合更为紧密。a s ，r s 高架仓库与生产企业的工艺流程 密切结合，成为生产物流的一个组成部分。 第四，提高仓库运转的可靠性与安全性及降低噪声。在自动控制与信息传输 中采用高可靠性的硬、软件，增强抗干扰能力；采用自动消防系统，货架涂刷 耐火涂层；开发新的更可靠的检测与认址器件；采用低噪声车轮和传动元件等 等 1 4 课题研究的主要内容及现实意义 自动化立体仓库在现代物流系统中的作用是显而易见的，国内外采用自动化 仓库的情况已经充分证明，使用自动化仓库能够产生巨大的社会效益和经济效 益。因此，研究讨论这一领域的课题具有重大的经济和社会意义。 3 中国科学技术大学硕士学位论文 本课题为国家8 6 3 计划烟草行业c i m s 关键技术研究的子课题，以某卷烟厂原 料配方自动化立体仓库物流系统的开发为背景。围绕提高自动化仓库计算机控 制技术水平这一主题，主要研究仓库计算机控制系统的实现及其优化。 本文着重研究和讨论了以下几个问题； ( 1 ) 基于u m l 的自动化立体仓库管理系统建模及设计； ( 2 ) 自动化立体仓库计算机监控系统的设计； ( 3 ) 组态软件i f 在实际中的应用； ( 4 ) p r o f m u 8 总线通信协议分析； ( 5 ) 运输设备a g v 的任务调度优化策略。 4 中国科学技术大学硕士学位论文自动化立体仓库的系统构成 第2 章自动化立体仓库的系统构成 ， 本自动化立体仓库系统要实现的主要功能是完成烟包的出入库操作和库存 的管理。本章着重从物理的角度来描述立库系统，包括立库的主要设备介绍以 及烟包的物流过程等，在本章的最后还介绍了仓库管理系统概况。 2 1 系统的物理体系结构 2 1 1 系统物理组成概述 整个仓库大致可分为入库处理区、货架区、出库管理区三部分。这三个部分 就组成了自动化立体仓库的物理部分，它们在立库管理系统的调度下完成生产 任务。入库处理区主要完成烟包托盘的集合、外形检测、读码入库等功能；货 架区共有6 排立体货架，分3 个巷道，每个巷道有一台堆垛机负责货物的存取； 出库处理区主要完成烟包托盘的分离、空托盘回收、读码出库至制丝车间等功 能。仓库中央导轨上一台a g v 负责各操作台间的烟包或托盘垛的传输。仓库平 面布置简图如图2 1 所示。 罔7 忙p ：d 圈鬟髂 j 趸，：弘ll 謦一国一噶隆珀知 k 匡掴 黪隧，重蠹 懋霹矛彳1lliilj 翟童 目露幽 斌ll l l j l 皤h 雕| | | l 洲l | l | 囹_ i 墨 ：霹i 嘎麟 。圈一 宦 剑：团暨 王曩! ，i 瑚 ill 一日耪默；已潮 嘲p 日 并瞄玉叠f ljljl 国飞5 圉 警一丑曩匿嚣酗 i t l t l l l l t l l l l t l l t l l l l l l l l i b 1 日 目i t ，e 1 7 1 , 5 ( 1 ly1|ll 彦舀0。i 货觚u f i t ：| 1 7 圈脚嗥唾圈 l【| l 1 lhh h雌| |棚 遽 一圈露醐l | | l 圳l i | l | h1i i i i i i i i l瑚6 高 紫出糊医l 1 辊道输送机2 链条输送机3 升降台4 烟包托盘集合装置5 拆盘机 6 穿梭车( a g v ) 7 堆垛机8 烟包托盘分离装置9 叠盘机1 0 货架 图2 i 烟叶原料配方自动化立体仓库物流系统总平面圈 中国科学技术大学硕士学位论文自动化立体仓库的系统构成 从物理组成来看，该烟叶自动化仓库系统主要包括：立体货架、堆垛机、 穿梭车( 自动导向小车a g v ) 、输送设备等。具体组成的情况请参见图2 1 所示。 2 1 2 系统组成设备 下面根据上面系统的组成图来依次介绍相关的设备。 1 输送设备。输送系统可以把工厂中的各个部分、各个生产位连接起来，从 而形成整个工厂物流。在立体仓库系统中，主要用到的输送设备有辊式输送机、 链式输送机、升降输送机和皮带输送机等，它们可以将物料沿固定的路线移动， 这种移动可以是连续的，也可以是断续的。本项目出入库输送系统大量选用了 辊式输送机，在转向等处选用了链条输送机作为移载之用。 辊式输送机是一种在自动存取系统中使用最为广泛的输送机械。通过电动 机驱动，由一系列以一定间隔排列的辊子组成，用于输送成件货物或托盘。一 般要求货物或托盘的底面必须有沿输送方向的连续支承面。为保证货物在辊子 上移动时的平稳性，应保证至少3 - - 4 个辊子同时支承一件货物，即辊子的间距 应小于货物支承面长的1 4 1 ，3 。 普通的链条输送机由两根套筒辊子链条组成。链条由驱动链轮牵引，链条 下面的导轨，支承着链节上的套筒辊子。货物直接压在链条上。随着链条的运 动向前移动。链条输送机经常在仓库出入库输送系统中与辊道输送机配合使用， 通过辊道升降台可实现货物的转向、分叉或合流。 2 穿梭车( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ，a g 、，) 。a g v 是一种能在某个位置进 行货物的装卸。自动行走到另一位置，自动完成货物卸载的全自动物料搬运设 备。a g v 是整个立体仓库的柔性运输单元，可以十分方便的与其他物流系统实 现自动连接，如a s r s 、各种缓冲站台、输送机等。 3 堆垛机。作为自动化立体仓库的核心部件，堆垛机担负着全部出库、入库、 盘库等任务。是随着立体仓库的应用而发展起来的专用起重机。它的主要用途 是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物放入货格；或者取 出货格内的货物放到巷道口；或者将货物从一个货格放入另一个货格。堆垛机 上装有各种定位的传感器和安全装置，保证其能高速、精确、安全地在货架中 自动存取。 本系统采用的堆垛机为双货叉双货位巷道式堆垛机，起重重量为3 0 0 k g x 2 ， 起升高度为i g m 4 立体货架。立体货架是立体仓库中的重要构筑物，一般由钢材或钢筋混凝 6 中国科学技术大学硕士学位论文自动化立体仓库的系统构成 土制成，可以用来存放各种类型的物资。货架越高，仓储量越大，所占用的存 储面积越小，但同时对货架及仓库地基建设的要求也越高。作为一种承重结构， 货架必须具有足够的强度和稳定性，在正常工作条件下和特殊的非工作条件下， 都不至于被破坏。同时作为一种设备，高层货架还必须具有一定的精度和在最 大载荷下的有限弹性变形。 货架有焊接式货架和组合式货架等。焊接式货架采用型钢焊接而成，加工 设备简单容易，单价较低，但耗材较多、总量大，略显笨重。组合式货架采用 钢板在专门的货架轧制生产线上加工出来的异形钢材，结构较为合理，安装方 便、省时，用料较省、总重小，外形较为美观，但单价相对较高，在实际生产 中一般多采用组合式货架。 货架有悬臂货架、流动货架和货格式货架等形式，其中货格式货架比较常 见，多用于容量较大的立体仓库。本仓库所使用的即为货格式货架。货物在放 入货格前应先用托盘或货箱承载，防止损坏。立体货架主要具有容量大、密度 高等特点。 2 2 烟包流通过程 2 2 1 入库流程 根据m e s 系统调度指令，由汽车把片烟包从一级库运送到原料配方库。 夹包车进行卸车作业和入库作业，夹包车一次夹取四包片烟，直接存放 在入库站台，通过自动烟箱、托盘集合装置，自动把烟箱放置在空托盘上，完 成入库操作准备。 由入库操作员确认或录入烟箱信息，经过后条码阅读器记录，并向w m s 系统发出入库启动信号。 经条码阅读器读托盘的条码后，将信息传输给w m s 系统，w m s 系统 根据入库原则( 如同品牌成对搭配入库，均匀入库，先近后远，先低后高等) 分配入库地址，并建立托盘信息与货位信息一一对应关系。 w m s 系统分配货位通过监控机下达作业命令，输送系统将托盘送到指 定巷道口，堆垛机将入库托盘送到指定货位，w m s 修改数据库内容，一次入库 作业完成。 2 2 2 出库流程 w m s 接受出库指令。 7 中国科学技术大学硕士学位论文自动化立体仓库的系统构成 w m s 系统按一定的原则( 如按批号发货，先进先出，高峰时就近出库， 出库由于入库等) 产生出库货位，并向监控系统下达出库作业命令。 接受监控系统命令的堆垛机和出库输送机将托盘送到指定出库口，由穿 梭车送到制丝线的入口。 w m s 自动修改数据库内容，一次出库作业完成。 2 3 自动化立体仓库计算机管理控制系统概述 自动化立体仓库的计算机管理及控制系统，是基于现代信息技术、控制技术 和通信技术等发展起来的综合应用系统，负责整个自动化立体仓库系统的管理、 调度工作，是整个仓库系统的控制中枢。本文所研究的自动化立体仓库系统主 要由高层货架、巷道堆垛机、出入库系统、穿梭车( a g v ) 等硬件设备，以及 上位的计算机管理与控制系统组成。 管理控制系统的主要功能有出入库作业功能和库存管理功能。主要负责响 应系统各终端的出入库申请，根据出入库原则和现有库存情况，决定存取物料 的最佳库位，还能检测各出入库物料的相关信息( 如托盘码、垛位号等) 。可以 根据工作人员的需要查询现存物料的所有信息及现有空库位查询，编制和打印 各种报表的单据。管理信息系统还包含一个任务数据库，在出入库作业完成后 更新相应的数据库记录。 立体仓库的自动化控制系统按控制方式可分为集中控制、分离控制和分布式 控制，其中分布式控制是现在国际发展的主要方向。本立体仓库的计算机管理 控制系统采用管理系统层、监控系统层和执行机构层三级控制模式。管理层主 要负责库存管理、信息录入和查询、任务生成和下达；监控层主要接收来自管 理层的命令，控制执行系统完成所规定的操作；执行层由各种具体设备组成， 接收来自监控层的指令从而完成相关操作 整个立体仓库计算机管理控制系统由一台数据库服务器、一台管理计算机、 一台调度计算机、一台监控计算机组成一个局域网，该网络通过网络交换机与 厂m e s ( 生产执行系统) 相连实现数据交换。系统采用成熟的客户机服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，w m d o w sn ts e r v e r 操作系统。服务器上安装和使用数据库 管理系统，数据库系统选用s q ls e r v e r 软件平台。客户机( 管理机、工作站) 运 行应用程序，完成数据输入输出处理等前端任务，并通过o d b c ( 开放数据库 互连) 与服务器连接，由服务器完成大量的数据处理及存储管理等后端任务。网 络中各个计算机可以通过操作本系统用的数据库相互交换信息。客户机和服务 8 中国科学技术大学硕士学位论文 自动化立体仓库的系统构成 器既互相独立运行，又协同处理数据，实现了资源共享。调度计算机则通过串 行通讯接口控制堆垛机、穿梭车，通过p l c ( p r o f m u s d p ) 管理其他设备。 由于客户机朋艮务器方式是开放平台，使用分布的软件结构技术，降低了硬 件性能的高要求和高配置，降低了系统的开发和维护成本，并增强了应用软件 的可移植性，改善了网络系统的性能，适应国际上微型化、分布式和可扩展性 的发展方向。 系统网络拓扑结构图如图2 2 所示。 田2 2 自动化仓厍计算机管理控制系统网络拓扑结构图 本系统分三层进行设计：管理层、监控层、执行层。 ( 1 ) 仓库管理系统( w m s ) 由系统服务器提供数据服务，通过局域网与管理层进行货物信息的数据交 互与处理，并实现与企业内部系统信息集成与资源共享，完成系统的高级管理 工作，负责自动化立体仓库系统的货位管理、出入库管理、查询报表、库存分 析、系统维护、故障分析，并可与m e s 系统及监控系统联网进行信息交换。 ( 2 ) 监控系统 主要包括上图中的监控计算机和调度计算机。监控机负责监视整个立体仓 库中各部分的运行情况，动态实时显示仓库车辆和出入库传输设备以及各货物 的运行位置及状态，并及时显示出错报警情况。调度机负责接受、转发、协调 9 中国科学技术大学硕士学位论文自动化立体仓库的系统构成 管理层的出入库信息，完成作业指令的分解、优化、排序、下达指令、实现和 底层设备控制系统的交互，并能直接独立的控制仓库中所有设备的运行。 ( 3 ) 执行层 包括装有主控器p l c 和i o 模块的电控柜，实现具体输送、检测、整理托 盘等功能的各种现场设备，如辊道输送机、链式输送机、升降式输送机、升降 台、外型检查站、巷道堆垛机等，以及控制这些设备运行所必须的驱动和检测 元器件和相关控制软件。该层以p l c 为中心，通过通信接口，接收来自上位机 的任务信息，采集设备传感系统的各种信息，通过p l c 的控制软件，控制p l c 的输出，以控制设备的各向运动，对货物进行存、取作业，实现货物的流转与 存储。同时也通过通信接口，向上位机发送设备的实时状态信息，以实现仓库 实时监控系统对自动化立体仓库所有设备的实时监控功能。 2 4 本章小结 本章从总体上描述了自动化立体仓库的物理构成，并简要介绍了主要的组 成设备及生产过程；接下来介绍了计算机管理控制系统的基本组成，包括系统 设计的原则、组成部分( 管理层、监控层和执行层) 以及各层的主要组成和基 本功能。本文下面的部分将主要研究管理层和监控层的相关控制技术，包括基 于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统设计，仓库监控系统的设计与实现以及 存取设备优化调度方法等。 1 0 中田科学技术大学硕士学位论文基于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统建模 第3 章基于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统建模 3 1u m l 概述 3 1 1u m l 定义 u m l 是u n i f i e dm o d e l i n gl a n g i l a g e ( 统一建模语言) 的简称。b o o c h 在其经典 的“t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g eu s e rg u i d e ”一书中对u m l 的定义是：l r m l 是对软件密集型系统中的制品进行可视化、详述、构造和文档化的语言。定义 中所说的制品( a r t i f a c t ) 是指软件开发过程中产生的各种各样的产物，如模型、源 代码、测试用例等。从系统工程的角度来看，u m l 是一种软件结构的分析工具， 因此，也可以说u m l 是一种从软件分析、设计到编写程序规范的标准化建模语 j 【3 j 口o u m l 利用图形来描述真实世界各个对象的符号表示，让所有系统设计者在 构建系统时从系统流程分析、系统需求、对象模型化定义到对象设计的整个开 发过程完全标准化，不因系统设计者使用不同的程序设计语言而有所不同，因 此也可以说使用u m l 的目的是要建立一套软件系统从系统分析、流程设计到整 体开发的标准表示方法。眦没有局限于单一平台或程序开发语言，因此非常 适合作为不同系统之间的沟通桥梁。 u m l 的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽的应 用领域，其中最常见的是建立软件系统的模型，但它还可以用于描述不带任何 软件的机械系统、一个企业的机构或企业过程等。总之u m l 是一个通用的标准 建模语言，可以对任何具有静态结构和动态结构行为的系统进行建模。 u m l 在系统开发的各个阶段都能得到应用。在分析阶段，用户需求采用 u m l 用例图描述，通过用例建模，描述对系统感兴趣的外部角色和它们对系统 的功能需求；在设计阶段，引入具体的类来处理用户接口、数据库存取、通信 等问题；在实现阶段，用面向对象的程序设计语言，如c + + ，j a v a 等将设计阶段 的类转化成实际的代码；在测试阶段，u m l 模型作为生成测试用例的依据。 3 1 2 研儿的特点 u m l 的主要特点有： ( 1 1 统一标准 u m l 融合了当前一些流行的面向对象开发方法的主要概念和技术，成为标 准化的统一的建模语言，结束了以往各种方法的建模语言的不一致和差别。 中国科学技术大学硕士学位论文基于眦的自动化立体仓库管理控制系统建模 u m l 提供了标准的面向对象的模型元素的定义和表示法，以及对模型的表 示法的规定，使得对系统的建模有章可循，有标准的语言工具可用，有利于建 立起软件系统模型。u m l 已经成为工业标淮化组织o m g 的正式标准，o m o 将负责语言标准的进一步的开发。 u m l 在统和标准化方面的努力，将有利于建模语言本身的发展，也有利 于工业化应用。 ( 2 ) 面向对象 u m l 支持面向对象技术的主要概念。u m l 提供了一批基本的模型元素的表 示图形和办法，能简洁明了地表达面向对象的各种概念和模型元素。 ( 3 ) 可视化 u m l 是一种图形化语言，系统的逻辑模型或实现模型都能用u m l 的模型图 形清晰地表示，在每一个u m l 的图形表示符号背后，都有良好定义的语义。 u m l 还可以处理与软件的说明和文档有关的问题，包括需求说明、体系结 构、设计j 源代码、项目计划、测试、原型、发布等。 ( 4 ) 独立于过程 u m l 是系统建模语言，独立于开发过程。 3 1 3u m l 的语言机制 4 1 u m l 用于描述模型的基本词汇有三种：要素( t h i n g s ) ，关系( r e l a t i o n s h i p s ) 和图( d i a g r a m s ) 。模型就是一系列要素、关系和图的排列组合。其中，要素是 模型中的核心内容，关系在逻辑上将要素联系在一起，而图则将一组要素和关 系展现出来。 第一，要素。u m l 中的要素可分为结构要素、行为要素、组织要素和注释 要素。 ( 1 ) 结构要素。包括用例( u s e c a s e ) 、类( c l a s s ) 、接口( i n t e r f a c e ) 和协作( c o l l a b o r a t i o n ) 。 ( 2 ) 行为要素。包括交互( i n t e r a c t i o n ) 和状态机( s t a t em a c h i n e ) 。 ( 3 ) 组织要素。包括包( p a c k a g e ) 。 ( 4 ) 注释要素。包括注释( n o t e s ) 。 第二，关系。在u m l 中，主要有四种关系。关联关系( a s s o c i a t i o n ) ，依赖 关系( d e p e n d e n c y ) ，类属关系( g e n e r a l i z a t i o n ) ，实现关系 ( r e a l i z a t i o n ) 。 中国科学技术大学硕士学位论文基于i m 儿的自动化立体仓库管理控制系统建模 第三，图。u m l 主要包含以下几种视图。 ( 1 ) 用例图( u s e rc a s ed i a g r a m ) 。它是一种静态图，主要用于展示 u s e rc a s e 、a c t o r 及其关系。 ( 2 ) 类图( c l a s s d i a g r a m ) 。它是一种静态图，主要用于展示类、接口、 包及其关系。 ( 3 ) 序列图( s e q u e n c ed i a g r a m ) 。它是一种动态图，用于按时序展示 对象间的消息传递。 ( 4 ) 协作图( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) 。它是一种动态图，其核心内容 与序列图对应，强调对象间的结构组织。序列图和协作图统称为 交互图( i n t e r a c t i o nd i a g r a m ) 。 ( 5 ) 状态图( s t a t c c h a r td i a g r a m ) 。它是一种动态图，用于展示系统从 一个活动转到另一个活动的可能路径和判断条件。 其它三种静态图分别为对象图( o b j e c td i a g r a m ) 、构件图( c o m p o n e n t d i a g r a m ) 和部署图( d e p l o y m e n td i a g r a m ) 。 u m l 具有很广的应用领域，其中最常用的是为软件系统建模，比如：企业 信息系统，电信系统等。在系统软件开发的各个阶段都可以应用到u m l 。 u m l 可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模。其建模机制可 以归为静态建模和动态建模两大类。从应用的角度看，采用面向对象技术设计 系统时，建模主要有三个阶段： ( 1 ) 需求分析阶段：在这个阶段确定系统中的角色和用例，建立用户需求和功 能模块。 ( 2 ) 构造静态模型：根据需求建立系统的静态模型，构造系统的静态结构。 ( 3 ) 构造动态模型：描述系统的行为，反映对象间的动态关系。 3 2 系统建模 通过上一节，我们已经知道了u m l 的基本建模概念，但是u m l 仅仅是一 种用于分析和结构设计的建模语言，要完成具体的仓库管理系统，还需要有一 个基于切v 几的软件开发过程。 r o s e 2 0 0 3 是美国r a t i o n a l 公司推出的面向对象建模工具，它与u m l 的关系 是：u m l 是r a t i o n a lr o s e 的理论基础，r a t i o n a lr o s e 是u m l 的建模实现工具。 具体的说，r o s e 2 0 0 3 把u m l 各种图、模型元素等集成到系统中，从用例视图 ( u s ec a s ev i e w ) 、逻辑视图( l o g i cv i e w ) 、组建视图( c o m p o n e n tv i e w ) 、配 置视图( d e p l o y m e n tv i e w ) 这四个角度对自动化立体仓库管理系统进行建模1 5 】。 1 3 中国科学技术大学硕士学位论文基于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统建模 基于r o s e 的u m l 系统建模的具体步骤总结如下： 步骤l ：在系统的总体需求分析阶段，确立用户需求和功能模块，确定系统中 的角色和使用案例，在用例视图中新建系统用例图，利用u m l 中的角色、用例、 关系、注释等表示法，建立系统的用例模型。 步骤2 ：在系统详细需求分析阶段，利用逻辑视图建立系统的动态模型。动 态模型包括顺序图( 协作图) 、状态图、活动图，但它们侧重点不同。顺序图 表示各对象按时间顺序交互消息；协作图描述对象间的交互信息，属于交互图； 状态图对单个对象生命期建模：活动图建立多个对象的活动系列。设计者要根 据系统的具体案例来分析，建立一个或多个动态模型来描述系统的动态行为。 步骤3 ：在系统的设计阶段，分析系统的基本词汇、用例图，利用逻辑视图 新建类图，得到类框图，然后识别类间的关系，得到类的协作关系。接着详细 分析类，得到类在系统的基本属性和行为，并完善类框图，如增加类属性、操 作等。 步骤4 ：在系统的编码阶段，利用组件视图新建包和组件，把类组合成文件， 文件组合成包。可以选择某种面向对象编程语言( 如c + + 、j a v a ) 来作为开发的 工具。 步骤5 ：在实施阶段，分析系统进程和需用到的处理器、设备等，利用配件视 图新建配件图，并按对应关系进行连接，得到系统硬件的物理拓扑结构图。 下面，本节将对自动化立体仓库管理控制系统进行具体的建模设计。 3 2 1 系统需求分析 仓库管理系统负责立体仓库的数据管理和信息处理，完成系统的管理工作， 提供人机接口界面，产生作业指令，实现与服务器和底层监控层的信息交互， 并与m e s 系统联网进行信息交换。各系统之间通过网络通讯接v i 和数据库实现 信息的传递。具体的，自动化立体仓库的最基本操作是入库，出库，盘库统计 等。下面结合某烟厂烟叶原料配方自动化立体仓库的业务内容，大致将管理系 统划分为如下几个功能模块： ( 1 ) 入库管理 烟包入库计划管理 通过烟叶库管理机对m e s 下达的入库计划及入库批次计划进行管理，并将 计划执行结果上报。 入库任务管理 入库终端负责入库管理操作。自动校验入库烟包条码。自动分配货位，生 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文基于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统建模 成入库作业任务列表。 入库异常处理 对外形超差、条码残缺不能读取的不合格烟包，不做入立库处理，入特种烟 包存放区。对人工可以识别的烟包，需重新喷码，整理后重新做入库处理。 入库计划管理 依据m e s 或者人工录入的指令，执行入库计划。 紧急入库处理 系统优先对紧急入库烟包进行快速入库处理。可不入货架，直接由入库系 统经穿梭车送入出库系统，进入制丝线。 入库统计查询 可按天、批次、片烟属性等条件查询入库明细清单，统计生成日报、月报、 年报。 配方管理 可以人工录入或者从m e s 获取配方信息。实现同一牌号不同配方的管理。 ( 2 ) 出库管理 出库计划管理 通过烟叶库管理机对m e s 每天下达的出库计划及出库批次计划进行管 理。 出库任务处理 由管理机自动安排出库货位，生成出库作业任务列表。并实现出库烟包的 自动校验功能。 紧急补料处理 管理机接到霉变烟包出库条码号，自动生成紧急出库作业任务。并将霉变 信息上传眶s 系统。 出库异常处理 提供追踪烟包出入库路径，异常排查处理界面。 出库统计查询 可按天、批次、片烟属性等条件查询出库明细清单，统计出库信息生成 日报、月报，年报。 ( 3 ) 库存管理 货位状态查询； 片烟库存情况查询； 中国科学技术大学硕士学位论文 基于u m l 的自动化立体仓库管理控制系统建模 盘库管理； 货物库存量上限和下限预警报告； 货物存留超时报警； 货位管理； 库存统计数据查询，分析报告。 库存情况及库内运行情况的实时显示 生成原料配方库收付存台帐 c 4 ) 统计查询 主要功能是按照操作者的要求对烟叶库日常运行数据执行各种查询与统 计，分类生成各种报表，格式化打印输出。 ( 5 ) 信息交换 管理机完成与m e s 系统以及