自动化立体仓库WCS的设计与实现

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这篇文章的核心内容是关于自动化立体仓库仓库控制系统（WCS）的设计与实现。文章首先介绍了WCS的概念和应用场景，然后详细讨论了其体系架构、主要功能模块、与其他管理系统的对接方法，并结合具体案例阐述了WCS的应用技术路线、架构设计和功能设计。

背景知识

• WCS概念：WCS是介于仓库管理系统（WMS）和可编程控制器（PLC）之间的一层管理控制系统。它接收WMS系统的指令，进行空间计算和任务优先级调配后，将指令发送给PLC系统，从而驱动自动化立体仓库及输送设备触发相应的机械动作。

• 应用场景：自动化立体仓库在各行业中的应用越来越广泛，它通过充分利用空间高度，增加了相同占地面积上的可用存储空间，并通过堆垛机和货叉的快速移动，实现了从物到人的便捷存取。

研究方法

• 体系架构：WCS系统的整体架构采用四层结构，自上至下分别为应用层、服务层、功能层和数据层。

• • 应用层：负责用户界面的呈现和数据信息的显示，以及部分控制功能的入口。

  • 服务层：搭建PLC通讯服务，完成PLC状态信息的读取和操作指令的写入，数据库访问服务完成系统内部管理和控制信息的记录及读取。

  • 功能层：结合具体的业务逻辑，针对特定的设备任务进行操作，负责对访问服务调用的数据模型进行处理。

  • 数据层：针对PLC状态点进行数据采集，创建持久化的数据模型，供服务访问和功能调用。

• 功能模块：WCS的核心功能模块包括任务调度、手动控制、设备监控、参数设置和系统管理。

• • 任务调度模块：对自动和手动出库任务生成队列，并按优先级排序。

  • 手动控制模块：包括手动出库任务的发起，巷道封锁，输送机移动控制，设备报警恢复等。

  • 设备监控模块：包括整体布局俯视动态图、堆垛机实时位置监控等。

  • 参数设置模块：包括货位初始化、料箱或托盘初始化、PLC通讯参数配置等。

  • 系统管理模块：包括用户角色创建、权限分配、操作日志记录等。

实验与案例分析

• 项目案例：以烟台某专业化公司为例，该公司通过WCS对其1500多种规格的系列产品进行管控。

• 技术路线：首先搭建整体设计架构，然后进行需求分析，完成信息架构搭建，接着对架构、功能和数据结构进行设计。在实现阶段，采用MVVM模式搭建系统基础框架，并基于OPCUA标准进行改造和建模。

• 架构设计：应用层采用WPF进行客户端开发，服务层以OPCUA服务为基础进行自主开发，功能层完成核心业务功能并进行设备控制动作的串联，数据层采用SQLServer数据库并利用Redis进行缓存和远程字典服务。

• 功能设计：WCS系统划分为基础管理、库位管理、任务调度、AGV管理和设备监控五大功能模块。

关键结论

• 系统性能：WCS系统能够稳定、高效地进行仓库的出入库、调拨、库存转移和库存盘点等日常业务，并能够应对多用户协同使用和任务交叉排序的情况。

• 技术优势：通过异步方式完成PLC信息状态的获取，并结合SQLDependency技术实现任务的异步更新和优先级排序。采用JSON文件格式进行传输和交互，规范了硬件设备的通讯格式和协议标准。

• 实际应用：该设计架构和搭建方法已经在多个实际项目中交付客户并通过验证，对同类软件系统具有一定的参考意义。

问题与展望

文章最后提到，WCS在与PLC通讯时采用的是基于OPCUA的交互方式，依赖于PLC供应商提供的OPCUA服务器构建的服务环境，存在订阅PLC状态点数量上限的问题。作者建议可以通过自主研发OPC服务来解决这一问题，并应用服务器守护进程机制，构建完整状态机，对系统进行故障处理，提高系统的可靠性。

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