物流信息流_051|物流自动化的底层技术——下(信息流)

上篇文章对自动化仓储物流系统—物料流关键底层技术进行了大致描述,本篇将进一步探讨信息流的关键底层技术。

—-信息流—-

仓储物流的业务本身是生产环节的一部分,生产的每个环节都需要有记录,仓储物流环节自然也不例外。仓储物流环节要记录的信息包含物料的数量和内容,发生的事件类型,责任人,事件流水等等,如果完成这个业务的过程由设备参与,那要对设备的业务执行情况的记录也是必不可少的。

如果业务只是一段皮带输送机将一批物料从一端搬运到另外一端,这个过程的事件可以由人工进行主要要素的记录,比如早上10点到11点,输送机搬运了5个袋子,分别是A,B,C,D,E编号的袋子,由张三负责上料,由李四负责下料。如果系统采用的是由多个离散搬运设备和连续搬运设备,一天的物料移动量成百上千甚至上万、百万,在众多物料单元有静有动、众多设备有起有停、众多搬运业务有始有终的过程中,人工是无论如何无法记录这么多的信息量的。此时就需要采取先进的技术手段对庞大的物流信息进行有效的管理。

一、信息生成

一个完整的物流自动化系统在运行时,参与这个过程的所有的资源包括人力、设备、物料等等都在不停的产生数据,对过程中产生的数据进行有效全面的收集是对信息管理的第一步。在仓储物流自动化系统里,通常关注的数据有哪些呢?

01 生产工艺数据

在工业生产的各个行业里,由于不同的生产工艺,各种工业系统关注的数据兼不一样,都是关注最核心的与工艺相关的数据。比如钢铁厂,数据关注的是各个生产环节的温度、压力、时长、产量等等。

而对于厂内物流,自然关注的是与搬运、存储相关的核心工艺数据。主要包括如下:

设备状态数据:在自动化系统中,由于物料单元是由设备来自动完成搬运或存储的,因此需要严密关注所有的仓储物流设备的当前状态,比如设备的各种传感器是否正常,当前是否有负载,是否有报警,系统采集的各种现场数据是否合乎逻辑,是否在执行任务等等基础现场数据。

设备运行数据:物料单元在被各设备或子系统移动过程中,系统对设备的任务执行情况的实时发生数据的监控和跟踪也是十分有必要的。包括设备运行的主要实时参数,如速度、所在高度等,设备接收的任务的执行状态、时长,完成度等,上下游的供给情况,任务的优先级,当前行走的路线等等。

物流量:仓储物流系统整体上是为了根据需要完成物料的移动,也就是内部的物流,这是这个行业的最核心的工艺参数,对应到各个设备或者子系统中,物流量的数据也自然是重中之重,主要包含:单位时间内(年、天、时、分、秒)上游物料进入量、输出到下游的物料量、自身处理物料数量,物料容器的进出数量和处理数量等等。

库存数据:仓库是物流系统中特殊且非常重要的一个环节,除了对仓库本身的物流量的关注之前,由于仓库需要相对长时间的“存”的特性,因此对仓库内的每个物料单元的具体信息要关注的更加细致。包括库存量、库存分布、每个物料的存放位置、时间、具体属性等等。

操作人员信息:不论是现场的设备还是软件所在的电脑,都需要通过人为的操作对某些仓储物流过程进行判断、管理、决策。而人的操作过程就成为了系统输入的一部分,因此也伴随着数据的产生,对操作人员的管理也自然成为系统的一部分。主要包括人员身份数据、人员角色数据等等。

操作日志:对于操作人员以系统输入者的角色参与仓储物流自动化的过程中发生的所有操作,生成数据并对其记录跟踪。

02 物料的条码&RFID信息

当前不论在人工操作的仓库里还是全自动的仓储系统里,对物料的信息管理都是必须的,最常见的方式就是采用条码或者RFID来跟踪物料单元。

1. 条码

条码是基于光学技术来完成对数据的读取和收集的。条码阅读器通常要与条码保持非常近的距离,通过直条光线的捕获来读取数据。条码每次只能被读取一次,同时条码要被贴在物料包裹或者容器的最外侧才能被读取到,因此,这就要求条码必须要在外观上要完整,同时打印质量要好,否则容易引起读取失败或者误读。通常条码污浊,模糊或有折痕都会严重影响读取效果。

2. RFID

RFID 是基于射频技术的一种可以用来做物料标识的应用。与条码的固定数据内容和只读性不同,RFID的数据内容是动态可编辑的,既能被读取,更新,也能与其他外部接口进行激活并产生数据交换。RFID标签可以追溯到每个物料单元的整个生命周期。RIFD标签可以擦写,可存储,可以重复利用。RFID可以通过加密或者密码保护的方式来保证数据的安全可靠,因此,RFID标签很难被篡改和仿造。

RFID标签分为有源和无源两种,主要的区别是这两种是否需要外部电源来供电从而完成信号的传递。

由于RFID具有很高的读取速度,如果需要对大量的物料进行数据读取和唯一标定,那RFID必定完胜条码技术,用RFID可以完成批量阅读。

从系统的自动获取信息的角度来看,RFID技术可以通过部署阅读头和天线可以在无人参与的情况下,轻松批量读取多个标签信息。

03 HMI信息输入

以上提及的生产工艺数据和物料标签信息都是物理客观存在和按照一定的逻辑自动生成的数据,有些数据很重要但是无法依靠常规的逻辑生成,此时就需要有智慧的人来介入并辅助自动化系统一起完成更加的任务,比如综合性的一些决策输入就需要人工来输入。人工输入给系统需要通过HMI硬件和软件来实现。在自动化仓储物理系统中,最常见的有如下:

按钮类:按扭是最简单直接的一种HMI输入方式。人经过对外界现场所有的物理世界的信息和数字世界的信息综合评估后生成的决策,最终通过简单的按钮将决策输入到系统中。在仓储物流自动化系统中,按钮常常被布局到现场的设备周边,常见的按钮功能有手自动切换,启动停止,急停等等。

工控机pc类:PC做为最通用的计算机硬件在自动化仓储物流系统中被广泛的部署在信息管理软件端,比如在中央控制室里用来操作WMS,设备监控系统的部署。

工业触摸屏:由于设备广泛的分布在仓储物流中心内部,有些设备或者系统经常需要人为干预或者输入指令和信息,而这些操作在某些应用场景下是最好在设备附近直接能操作的,工业触摸屏就可以非常方便的解决此类问题。常见的工控平台大公司,比如西门子,AB一类的都推出有自家的工业触摸屏产品,可以直接通过专用软件配置与现场的设备连接在一起,快速实现对设备的操作。

手持终端类:有些应用场景,需要信息输入时更加能够机动,比如工作人员如果能随身携带着输入设备就不必每次需要步入到指定的PC或者按钮才能输入,比如如果要输入现场某些物料的条码号,就可以直接采用手持终端类的PDA轻松完成。

二、信息互联

如上边介绍的仓储物流自动化系统在运行的同时产生着各种动态和静态的数据,而这些数据并非由一个单一的设备或者子系统输出的,而是由若干个不同的设备单元伴随着运行而产生的。而一个完整的自动化仓储物流系统能畅通的根据搬运存储工艺运行,各个单元之间的数据通讯和互联一定是个必要的基础。

在自动化仓储物流系统中,常见的互联和通讯有如下几类:

要阐述整个自动化系统中的如上的这些信息互联,我们从网络结构和通讯链路两个方面来分析。

01 网络结构

在目前的工业领域中,应用最广泛的自动化网络结构为金字塔结构。金字塔的特点呈现为上窄下宽的形状,越往底下的层级,数据越分散且微观;越往上边的层级,数据越集中且宏观。自下而上,数据逐层往上汇总;自上而下,指令逐层往下传达。

仓储物流自动化系统的IT网络结构也绝大多数遵循金字塔结构。

如上图所示,在自动化仓储物流系统的IT结构中,位于最底层的现场机构层是执行物料移动和设备动作的机构,包括各类输送机,提升机,包装机,移动机器人本体,分拣机等等。往上一个层级是控制层,主要负责对最底层的机构的搬运、存储动作及其伴随的信息进行控制,包括PLC控制系统,专机控制系统,工控机控制系统,软件类的WCS等等。再往上一个层级为管理监控层,主要负责搬运和存储任务的任务类管理和物料的管理,在收集控制层的实施状态和数据的同时物流信息流,也可以给控制层发送搬运任务指令。管理监控层最常见的为WMS的应用。在管理监控层的上方的个层更加偏重业务层面,这里不再花费篇幅讲述。

在自动化仓储物流系统中的金字塔IT结构中,有如下的几个特点:

02 通讯链路

正是不同的设备与设备(或子系统)之间互相通讯,才使所有的要素组成一个”系统”,即所谓自动化仓储物流系统。其中的通讯主要是不同要素间互相“握手”或“对话”的方式。

A端到B端的通讯,如下图所示,我们以单向通讯为例,若A有数据要传递给B,AB之间首先需要建立通讯链路或者介质来实现。

低压控制电缆:分布于现场的众多的开关传感器经环境感应后有不同的状态0和1的变化,比如感应到有货物为1,无货位为0。在工业中,这样的0和1在传感器上的输出通常是通过有无24V的直流电压来呈现的。有无24V电压的“数据”用电缆接入到B端的输入就完成了信息传递。比如输送机上的光电传感器通过控制电缆接入到PLC的输入端物流信息流,将光电传感器的信息实时的通讯给PLC。

与二进制的数据构成原理类似,要传递更多的信息量,可以通过传递由多个0或1的组合来实现,如果传递3个状态位,则最多可以传递出8个不同的数据。

工业总线通讯:数据通讯的内容往往不止几个状态位能解决,而往往一方面是更复杂的数据信息,另一方面B可能与不止A一个终端通讯,这样就需要能高效的数据通讯的方式。在工业中,各种基于标准协议的总线就派上了用场。多数的工业总线都由主站、从站组成,经过一定的系统配置后,各个站点之间可以互相传递数据。

在仓储物流系统中,应用较广泛的有Profibus、Modbus,Can,ASI,RS232/485总线。

工业以太网:以太网是办公环境的主流标准,在上述的金字塔结构中,监控管理层往往都是建立在PC上的,因此监控管理层较适合以太网的应用,为通讯便利,金字塔从底层到最高层,如果能用统一的通讯方式能有诸多的好处。另外在仓储物流自动化系统中,有一大类设备是机动性较高的,比如AGV,搬运机器人等等,对于机动性较高的设备能采用无线的通讯无疑是最佳的方案。以上的场景无疑采用工业以太网是不二的选择。因此在仓储物流自动化系统中,工业以太网有非常大量的应用。工业以太网除了有以上的特点外,还具有通讯速率高,系统扩展性强的优点。

工业以太网有线的链接方式通常采用交换机、双绞线、光纤,网卡组合达成通讯链接,无线的链接方式通常采用无线AP,无线网卡的方式达成通讯链接。

物理传递:人与人之间的信息交流主要通过语言,除此之外还有文字或者特殊人群的手语进行交流。文字和手语的交流是通过视觉来完成的。在仓储物流自动化系统里,也有类似的信息通讯方式,最常见的就是物料的信息传递给自动化系统或者信息系统的过程,比如物料的条码被识别后,将条码信息通过类似视觉扫描的方式传递给自动化系统或者信息系统,视觉扫描的过程有传统的激光和目前的摄像头视觉识别两种方式。

当然这种物理的信息通讯方式只能是单向的,一方是主动的读取,另一方等待将信息被动的传递出去。

三、信息管理

信息由下而上被传递的同时也是数据被集中的过程,被集中的数据可以用来控制设备、管理物料和物流任务,也可以用来对关键信息进行挖掘和汇总分析。在仓储物流自动化系统中的信息管理主要有以下几个关键技术的应用。

01 计算机应用与软件

自动化系统中的数据管理一定是依赖于计算机科学的。而厂内仓储物流业务的数据管理是计算机技术的一个具体行业应用。不论从现场的PLC控制、WCS和WMS都是基于计算机科学的应用技术。

在自动化仓储物流系统中,根据现场具体的业务要求,基于成熟的开发工具或平台针对性的设计具体的控制程序和各类软件。常用的开发工具包含主流的各大厂的PLC编程开发套件、Visual studio,Java类开发平台等等。根据具体的应用场景选取合适的结构比如B/S或C/S结构。

为了快速部署对现场运行的自动化物流设备的实时监控,可以采用工业组态软件开发应用程序,在合适的HMI终端展示出来。

02 数据库

与物料存储需要仓库类似,数据的存储也需要有数据库。事实上,数据在自动化仓储物流系统中的信息管理的作用举足轻重。

要对数据进行管理,首先要有足够的数据。在完整的自动化仓储物流系统中,众多的物料单元、设备,搬运任务、子系统,人员、业务数据等等都是数据的源头,庞杂的数据必须要依附于数据库进行整理和存储才能进行后续的数据的统计和分析。

另外,以上提及的所有的数据并非只是记录当前某一时刻就足够,要做到完善的管理,所有的历史数据也要一并存入到数据库中。

在自动化仓储物流系统中,小型系统可以采用excel,access,中型和大型系统通常采用Sql Server和Oracle。

03 数据统计与分析

在上边提及的金字塔结构的管理监控层中,底层的所有数据都汇集到了这一层,依附于强大的数据库技术,采用一定的算法可以将自动化仓储物理过程中的所有关键的要素以数据的形式提取出来。

常见的有各类数据的统计,比如库存统计、物料单元统计,出入库业务统计、搬运历史数据统计,上下游进出物流量统计、处理量统计,操作统计等等;常见的数据分析有:设备潜在隐患点,库存业务预期,库存周转率,物料资金分析,各类业务预警,物料完好率等等。

—总结—

仓储物流自动化系统是将多种技术应用到厂内物料搬运和存储这一具体应用场景中,从项目的角度来说,是一种典型的自动化集成项目。自动化仓储物流系统即需要机械机构的执行,也需要电气控制系统的掌舵,同时也需要对整个系统进行宏观的业务数据管理,即需要驱动、定位导航这类物理世界的技术,也需要计算机科学与应用这类虚拟世界的数字技术,是十足的多项专业和技术的大综合。

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