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    基于电子标签的仓储物流控制及管理系统

      信息来源:   发布时间:2021-12-07  点击数:

    0 引言

    电子标签是一种被称作“射频识别 (radio frequency identification, RFID) ”的技术。利用射频方式进行非接触双向通信, 以达到识别目的并交换数据。在我国物流业飞速发展的今天, 射频技术以其特有的优势, 克服了条码识别需要光学可视、识别距离短、信息不可更改等缺点, 成为物流自动识别领域一个耀眼的亮点[1]。射频技术的出现, 改变了传统的数据采集方法, 它信息含量大, 可以根据需要实时更改, 简化物流的中间环节, 缩短物流人工操作时间, 其准确性和快速性越来越得到行业的认同。

    电子标签作为数据载体, 能起到标识识别、物品跟踪、信息采集的作用。虽然电子标签技术在国外已成功应用于物流业, 大大提高了物流作业效率, 但在国内的应用还处于起步阶段, 目前在物流业还没有较大规模的应用案例。本文研究实现了基于INTERMEC公司电子标签的物流控制及管理系统。

    1 仓储物流控制及管理系统的方案

    1.1 物流控制及管理系统硬件组成

    物流控制及管理系统由硬件和软件组成。其硬件如图1所示, 主要由物流控制硬件平台、物流控制及管理计算机、电子标签及电子标签读写器组成。

    物流控制硬件平台由堆垛机、机械手和辊道输送机3部分组成, 控制系统采用了3个西门子公司S7-200系列PLC (CPU226) 并且相互之间通过EM277 (扩展从站模块) 连接到PROFIBUS-DP现场总线控制网。

    物流控制及管理计算机: (1) 负责通过与电子标签读写器的通信完成与电子标签信息的交互, 实现对物品进出库的识别; (2) 通过PROFIBUS现场控制网完成与PLC控制器的数据交换, 以控制两台辊道输送机、一台4自由度机械手、一台全自动堆垛机, 实现货物的自动出、入库或库内移动等工作; (3) 对货物、仓库、客户、管理人员等进行实时管理等。

    图1 系统总体

    图1 系统总体  下载原图


    1.2 物流控制及管理系统软件组成

    物流控制及管理系统软件分为4部分: (1) 物流控制及管理系统与电子标签读写器的网络通信; (2) 物流控制及管理系统前台主界面及后台数据库。该部分主要包括:入库模块、出库模块、报表模块、储位查询模块、物品查询模块、客户信息查询模块、盘点模块、仓库管理模块、人员管理模块和帮助模块等; (3) 物流控制软件设计。采用西门子WinCC组态软件进行组态及PLC S7-200编程; (4) 物流控制及管理系统与PLC的通信。物流控制平台的组态软件采用了WinCC, 系统与PLC通信工作实质上是通过系统与WinCC通信实现的。通信参数为当前入/出库命令、入出库货物的货位号 (排、列、层) , 以及PLC入/出库动作完成与否的标志。

    2 仓储物流控制及管理系统的设计及实现

    2.1 电子标签、读写器的选择及物品编码的设计

    电子标签芯片采用了INTERMEC公司的915 MHz芯片[2], 通信数据速率为9 600 bps, 具备防冲突机制, 具备数据完整性及数据安全性。读写器采用美国INTERMEC公司的2100 915M读写器。该读写器支持串口及标准网口通信。读取距离可达3米, 写入距离为读取距离的70%。

    为实现真正的“一物一码”, 编码原则采用了EPC (electron production code) 码[3]。由于EPC码是物品本身具有的属性, 即物品在出厂时会由生产厂商对其进行EPC编码, 写入到电子标签中。而EPC编码是在生产厂商加入EPC global组织后, 由组织给生产厂商分配一个编码的空间以及一些编码规则, 让企业自行编码。本系统为方便操作, 只定义了12位二进制位的编码。编码规则如图2所示。

    2.2 物流控制及管理系统与标签读写器通信实现

    本文采用C#语言编程, 通过调用基于COM组件的Interop.vt Com RFID.dll动态库文件的5个主要接口函数实现物流控制及管理系统与读写器的通信, 接口函数的主要功能如表1所示。通信内容为物品编码。

    图2 物品编码的编码规则

    图2 物品编码的编码规则  下载原图


    2.3 物流控制与管理系统数据库设计

    2.3.1 数据库表的设计

    根据系统功能要求进行数据库中表格的建立。通过对用户的需求分析, 需要记录物品的基本信息、仓库的基本信息、仓库的操作信息。

    (1) 物品的基本信息表包括:物品的编号、名称、生产厂商、种类、规格、等级和物品所属的客户, 其中物品的编号为主键。因此要建立一个物品列表, 用以储存物品的信息。同时需要为物品基本信息中生产厂商、物品种类和客户建立单独的表。在物品的生产厂商表中包含生产厂商的名称和代号, 生产厂商代号为主键;在物品种类表中包含物品种类的名称和代号, 物品种类代号为主键;在客户表中包含客户的名称、联系人、和联系电话, 客户代号为主键。这样的设计完全满足BCNF范式[4], 表格之间的条理比较清晰。

    各个表之间的外键关系如下:生产厂商表的主键与物品列表中的生产厂商代号相关联;物品种类表的主键与物品列表中的生产厂商代号相关联;客户表的主键与物品列表中的客户代号相关联。

    (2) 仓库的基本信息应包括用于记录职工基本信息的仓库人员管理表, 及用于记录仓库库位信息的仓库信息表。仓库人员管理表中包括职工的代号、姓名、职位、联系电话、身份证号码和住址, 职工代号为主键。仓库信息表中包括存放地点 (相当于库位的标号) 、仓库号、区域、货架号、层、行、列、是否为空几个属性, 其中存放地点为主键。

    (3) 仓库的操作信息应包括用于储存入、出库及库内移动操作记录的入库表、出库表及库内移动表;用于储存当前仓库中物品记录的库存表;用于记录员工增删情况的人事变动表。入库表中应该记录物品的编码、入库的时间、经手人和存放地点, 其中以物品编码和入库时间联合作为主键;出库表中应该记录物品的编码、出库时间和经手人, 其中以物品编码和出库时间联合作为主键;库内移动表中应该记录物品的编码、移动时间、经手人、原存放地点和新存放地点, 其中以物品编码和移动时间联合作为主键;库存表中应该包括物品的编码、入库时间、存放地点和经手人, 其中以物品的编码作为主键。人事变动表中应该包括操作号、人事变动的内容、变动的时间、变动人员的代号和变动人员的姓名, 其中操作号为主键。

      

    表1 电子标签读写器接口函数功能  下载原图



    表1 电子标签读写器接口函数功能

    另外, 系统中还需要有用户的登录信息表用于记录用户的登录信息。登录信息表中应该有登录的用户名和密码, 其中登录名为主键。为安全起见, 在设计登录界面密码及储存于数据库时, 系统采用MD5加密算法[5,6]

    2.3.2 数据库中表的关系

    数据库中表的关系如图3所示。它描述了数据库中所有的表以及这些表之间的关系。对于表之间的触发器、为程序设计的存储过程、约束等具体内容这里没有详细列出。

    2.4 物流控制与管理系统实现的功能

    物流控制与管理系统功能结构如图4所示。主要有:入库模块、出库模块、报表模块、储位查询模块、物品查询模块、客户信息查询模块、盘点模块、仓库管理模块、人员管理模块、帮助模块。所有的功能模块都需要与数据库相关联。主界面采用C#语言编程, 数据库采用SQL Server2000。在与数据库连接的过程中, 采用ADO.NET技术[7]

    当有出入库或者库内移动操作时, 系统要与电子标签读写器进行通信将相关信息写入标签, 并要实现与组态软件WinCC的通信, 将操作命令、货物的货位号发送给WinCC, 从而通过PLC控制辊道输送机、机械手、堆垛机执行相应的操作。同时把信息写入数据库, 实现数据的动态更新。

    限于篇幅下面主要介绍出库模块和物品查询模块。

    2.4.1 出库

    出库模块具有批量出库和单件出库两个功能。

    图4 物流控制及管理系统功能结构

    图4 物流控制及管理系统功能结构  下载原图


    批量出库中用户只需要输入要出库的货品信息及数量, 该模块通过查询数据库, 按一定策略选定所要的物品, 从而确定物品所在的货位号 (排, 列, 层) , 并将此信息连同出库命令通过OPC (OLE for process control) 技术传给Win CC组态软件, 以控制辊道输送机、堆垛机和机械手完成取货操作。当物品到达仓库出口处, 系统接收到PLC出库动作完成信号后, 要与标签读写器通信以修改物品标签的信息, 同时采用ADO.NET技术, 调用数据库中的存储过程修改数据库中相关信息。

    在实现此功能中, 货位的选取, 操作结果的判定, 与读写器的数据交互, 与组态软件的通信等这些工作需协同进行。

    单件出库中用户可以根据货品信息和储位信息指定某个确定的物品, 然后该模块选择这个货品出库, 达到了精确出库的目的。单件出库系统只取出一个惟一确定的物品;而批量出库会顺序取出一些物品, 是一个循环操作, 直到要出库的物品都出库完毕为止。

    图3 数据库总关系

    图3 数据库总关系  下载原图


    2.4.2 物品查询

    此模块支持本地查询及网络查询。可以查询所有物品信息, 包括曾经存放过的和现在存放在仓库中的物品信息。为了查询数据的方便, 本模块支持按物品名称查询、物品编码、生产厂商名称、生产厂商代码查询。数据动态实时更新。

    2.5 系统与PLC的通信

    物流控制平台在与Win CC通信中, 采用了OPC通信方式[8]。本文使用了opcrcw.comn.dll、opcrcw.da.dll两个动态连接库文件。在C#编程环境中引用这两个文件, 调用了这两个动态连接库文件的接口函数。

    2.6 物流控制平台及控制流程

    物流控制平台的基本过程控制单元是PLC, 包括供电单元、中央控制单元、数字输入/输出模块、模拟输入输出模块、PROFIBUS-DP扩展从站模块 (EM277) 。该平台使用S7-200系列PLC分别控制堆垛机、机械手、辊道3个部分, 其中巷道堆垛机是物流仓储最主要的设备, 它通过对货物进行存、取和转移, 完成入库、出库等功能。堆垛机具有3大机构:运行机构、升降机构、货叉伸缩机构。运行机构和升降机构使堆垛机到达指定货位。货叉伸缩机构和升降机构组合完成存取作业。运行机构与升降机构的速度控制通过两台步进电机进行控制, 货叉伸缩机构采用一台直流电机进行控制。堆垛机具有自动认址与精确定位功能, 从而实现高精度控制。

    控制流程以入库为例说明。装在仓库出/入货台处的固定电子标签读写器在检测到有物品时, 物流控制及管理计算机通过读写器和标签进行信息交互, 根据标签的物品信息查询数据库, 分配给物品一个货位号, 并将货位号写入标签, 进而将入库命令、当前入库货物的货位号 (排, 列, 层) 传送给物流控制平台。首先进库辊道上的入库继电器动作, 辊道输送带动作, 将物品传送至立体仓库前, 机械手动作, 将物品抓起送至堆垛机上, 然后堆垛机将货物送到指定仓位。运行完成后, 堆垛机和机械手均回到原位。物流控制平台将PLC入库动作完成信号反馈给系统, 以进行下一次入库操作。出库操作流程类似。

    3 结束语

    本文以我校商业自动化物流重点实验室的物流实验设备为平台, 设计了基于电子标签的物流控制与管理演示与验证系统, 将管理和控制融于一体, 发挥了电子标签技术具有可识别高速运动物体, 操作快捷方便等特点, 实现物流控制及管理的自动化, 可以满足物流业信息流量不断增大和信息处理速度不断提高的需求, 为电子标签技术、物流控制及物流管理的结合提供了应用实例。

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