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電子標簽是一種被稱作“射頻識別 (radio frequency identification, RFID) ”的技術(shù)。利用射頻方式進行非接觸雙向通信, 以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)。在我國物流業(yè)飛速發(fā)展的今天, 射頻技術(shù)以其特有的優(yōu)勢, 克服了條碼識別需要光學(xué)可視、識別距離短、信息不可更改等缺點, 成為物流自動識別領(lǐng)域一個耀眼的亮點[1]。射頻技術(shù)的出現(xiàn), 改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法, 它信息含量大, 可以根據(jù)需要實時更改, 簡化物流的中間環(huán)節(jié), 縮短物流人工操作時間, 其準確性和快速性越來越得到行業(yè)的認同。

電子標簽作為數(shù)據(jù)載體, 能起到標識識別、物品跟蹤、信息采集的作用。雖然電子標簽技術(shù)在國外已成功應(yīng)用于物流業(yè), 大大提高了物流作業(yè)效率, 但在國內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段, 目前在物流業(yè)還沒有較大規(guī)模的應(yīng)用案例。本文研究實現(xiàn)了基于INTERMEC公司電子標簽的物流控制及管理系統(tǒng)。

物流控制及管理系統(tǒng)由硬件和軟件組成。其硬件如圖1所示, 主要由物流控制硬件平臺、物流控制及管理計算機、電子標簽及電子標簽讀寫器組成。

物流控制硬件平臺由堆垛機、機械手和輥道輸送機3部分組成, 控制系統(tǒng)采用了3個西門子公司S7-200系列PLC (CPU226) 并且相互之間通過EM277 (擴展從站模塊) 連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)。

物流控制及管理計算機: (1) 負責通過與電子標簽讀寫器的通信完成與電子標簽信息的交互, 實現(xiàn)對物品進出庫的識別; (2) 通過PROFIBUS現(xiàn)場控制網(wǎng)完成與PLC控制器的數(shù)據(jù)交換, 以控制兩臺輥道輸送機、一臺4自由度機械手、一臺全自動堆垛機, 實現(xiàn)貨物的自動出、入庫或庫內(nèi)移動等工作; (3) 對貨物、倉庫、客戶、管理人員等進行實時管理等。

圖1 系統(tǒng)總體  下載原圖

物流控制及管理系統(tǒng)軟件分為4部分: (1) 物流控制及管理系統(tǒng)與電子標簽讀寫器的網(wǎng)絡(luò)通信; (2) 物流控制及管理系統(tǒng)前臺主界面及后臺數(shù)據(jù)庫。該部分主要包括:入庫模塊、出庫模塊、報表模塊、儲位查詢模塊、物品查詢模塊、客戶信息查詢模塊、盤點模塊、倉庫管理模塊、人員管理模塊和幫助模塊等; (3) 物流控制軟件設(shè)計。采用西門子WinCC組態(tài)軟件進行組態(tài)及PLC S7-200編程; (4) 物流控制及管理系統(tǒng)與PLC的通信。物流控制平臺的組態(tài)軟件采用了WinCC, 系統(tǒng)與PLC通信工作實質(zhì)上是通過系統(tǒng)與WinCC通信實現(xiàn)的。通信參數(shù)為當前入/出庫命令、入出庫貨物的貨位號 (排、列、層) , 以及PLC入/出庫動作完成與否的標志。

電子標簽芯片采用了INTERMEC公司的915 MHz芯片[2], 通信數(shù)據(jù)速率為9 600 bps, 具備防沖突機制, 具備數(shù)據(jù)完整性及數(shù)據(jù)安全性。讀寫器采用美國INTERMEC公司的2100 915M讀寫器。該讀寫器支持串口及標準網(wǎng)口通信。讀取距離可達3米, 寫入距離為讀取距離的70%。

為實現(xiàn)真正的“一物一碼”, 編碼原則采用了EPC (electron production code) 碼[3]。由于EPC碼是物品本身具有的屬性, 即物品在出廠時會由生產(chǎn)廠商對其進行EPC編碼, 寫入到電子標簽中。而EPC編碼是在生產(chǎn)廠商加入EPC global組織后, 由組織給生產(chǎn)廠商分配一個編碼的空間以及一些編碼規(guī)則, 讓企業(yè)自行編碼。本系統(tǒng)為方便操作, 只定義了12位二進制位的編碼。編碼規(guī)則如圖2所示。

本文采用C#語言編程, 通過調(diào)用基于COM組件的Interop.vt Com RFID.dll動態(tài)庫文件的5個主要接口函數(shù)實現(xiàn)物流控制及管理系統(tǒng)與讀寫器的通信, 接口函數(shù)的主要功能如表1所示。通信內(nèi)容為物品編碼。

圖2 物品編碼的編碼規(guī)則  下載原圖

根據(jù)系統(tǒng)功能要求進行數(shù)據(jù)庫中表格的建立。通過對用戶的需求分析, 需要記錄物品的基本信息、倉庫的基本信息、倉庫的操作信息。

(1) 物品的基本信息表包括:物品的編號、名稱、生產(chǎn)廠商、種類、規(guī)格、等級和物品所屬的客戶, 其中物品的編號為主鍵。因此要建立一個物品列表, 用以儲存物品的信息。同時需要為物品基本信息中生產(chǎn)廠商、物品種類和客戶建立單獨的表。在物品的生產(chǎn)廠商表中包含生產(chǎn)廠商的名稱和代號, 生產(chǎn)廠商代號為主鍵;在物品種類表中包含物品種類的名稱和代號, 物品種類代號為主鍵;在客戶表中包含客戶的名稱、聯(lián)系人、和聯(lián)系電話, 客戶代號為主鍵。這樣的設(shè)計完全滿足BCNF范式[4], 表格之間的條理比較清晰。

各個表之間的外鍵關(guān)系如下:生產(chǎn)廠商表的主鍵與物品列表中的生產(chǎn)廠商代號相關(guān)聯(lián);物品種類表的主鍵與物品列表中的生產(chǎn)廠商代號相關(guān)聯(lián);客戶表的主鍵與物品列表中的客戶代號相關(guān)聯(lián)。

(2) 倉庫的基本信息應(yīng)包括用于記錄職工基本信息的倉庫人員管理表, 及用于記錄倉庫庫位信息的倉庫信息表。倉庫人員管理表中包括職工的代號、姓名、職位、聯(lián)系電話、身份證號碼和住址, 職工代號為主鍵。倉庫信息表中包括存放地點 (相當于庫位的標號) 、倉庫號、區(qū)域、貨架號、層、行、列、是否為空幾個屬性, 其中存放地點為主鍵。

(3) 倉庫的操作信息應(yīng)包括用于儲存入、出庫及庫內(nèi)移動操作記錄的入庫表、出庫表及庫內(nèi)移動表;用于儲存當前倉庫中物品記錄的庫存表;用于記錄員工增刪情況的人事變動表。入庫表中應(yīng)該記錄物品的編碼、入庫的時間、經(jīng)手人和存放地點, 其中以物品編碼和入庫時間聯(lián)合作為主鍵;出庫表中應(yīng)該記錄物品的編碼、出庫時間和經(jīng)手人, 其中以物品編碼和出庫時間聯(lián)合作為主鍵;庫內(nèi)移動表中應(yīng)該記錄物品的編碼、移動時間、經(jīng)手人、原存放地點和新存放地點, 其中以物品編碼和移動時間聯(lián)合作為主鍵;庫存表中應(yīng)該包括物品的編碼、入庫時間、存放地點和經(jīng)手人, 其中以物品的編碼作為主鍵。人事變動表中應(yīng)該包括操作號、人事變動的內(nèi)容、變動的時間、變動人員的代號和變動人員的姓名, 其中操作號為主鍵。

表1 電子標簽讀寫器接口函數(shù)功能  下載原圖

另外, 系統(tǒng)中還需要有用戶的登錄信息表用于記錄用戶的登錄信息。登錄信息表中應(yīng)該有登錄的用戶名和密碼, 其中登錄名為主鍵。為安全起見, 在設(shè)計登錄界面密碼及儲存于數(shù)據(jù)庫時, 系統(tǒng)采用MD5加密算法[5,6]。

數(shù)據(jù)庫中表的關(guān)系如圖3所示。它描述了數(shù)據(jù)庫中所有的表以及這些表之間的關(guān)系。對于表之間的觸發(fā)器、為程序設(shè)計的存儲過程、約束等具體內(nèi)容這里沒有詳細列出。

物流控制與管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要有:入庫模塊、出庫模塊、報表模塊、儲位查詢模塊、物品查詢模塊、客戶信息查詢模塊、盤點模塊、倉庫管理模塊、人員管理模塊、幫助模塊。所有的功能模塊都需要與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。主界面采用C#語言編程, 數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000。在與數(shù)據(jù)庫連接的過程中, 采用ADO.NET技術(shù)[7]。

當有出入庫或者庫內(nèi)移動操作時, 系統(tǒng)要與電子標簽讀寫器進行通信將相關(guān)信息寫入標簽, 并要實現(xiàn)與組態(tài)軟件WinCC的通信, 將操作命令、貨物的貨位號發(fā)送給WinCC, 從而通過PLC控制輥道輸送機、機械手、堆垛機執(zhí)行相應(yīng)的操作。同時把信息寫入數(shù)據(jù)庫, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)更新。

限于篇幅下面主要介紹出庫模塊和物品查詢模塊。

出庫模塊具有批量出庫和單件出庫兩個功能。

圖4 物流控制及管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)  下載原圖

批量出庫中用戶只需要輸入要出庫的貨品信息及數(shù)量, 該模塊通過查詢數(shù)據(jù)庫, 按一定策略選定所要的物品, 從而確定物品所在的貨位號 (排, 列, 層) , 并將此信息連同出庫命令通過OPC (OLE for process control) 技術(shù)傳給Win CC組態(tài)軟件, 以控制輥道輸送機、堆垛機和機械手完成取貨操作。當物品到達倉庫出口處, 系統(tǒng)接收到PLC出庫動作完成信號后, 要與標簽讀寫器通信以修改物品標簽的信息, 同時采用ADO.NET技術(shù), 調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的存儲過程修改數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息。

在實現(xiàn)此功能中, 貨位的選取, 操作結(jié)果的判定, 與讀寫器的數(shù)據(jù)交互, 與組態(tài)軟件的通信等這些工作需協(xié)同進行。

單件出庫中用戶可以根據(jù)貨品信息和儲位信息指定某個確定的物品, 然后該模塊選擇這個貨品出庫, 達到了精確出庫的目的。單件出庫系統(tǒng)只取出一個惟一確定的物品;而批量出庫會順序取出一些物品, 是一個循環(huán)操作, 直到要出庫的物品都出庫完畢為止。

圖3 數(shù)據(jù)庫總關(guān)系  下載原圖

此模塊支持本地查詢及網(wǎng)絡(luò)查詢。可以查詢所有物品信息, 包括曾經(jīng)存放過的和現(xiàn)在存放在倉庫中的物品信息。為了查詢數(shù)據(jù)的方便, 本模塊支持按物品名稱查詢、物品編碼、生產(chǎn)廠商名稱、生產(chǎn)廠商代碼查詢。數(shù)據(jù)動態(tài)實時更新。

物流控制平臺在與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兩個動態(tài)連接庫文件。在C#編程環(huán)境中引用這兩個文件, 調(diào)用了這兩個動態(tài)連接庫文件的接口函數(shù)。

物流控制平臺的基本過程控制單元是PLC, 包括供電單元、中央控制單元、數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入輸出模塊、PROFIBUS-DP擴展從站模塊 (EM277) 。該平臺使用S7-200系列PLC分別控制堆垛機、機械手、輥道3個部分, 其中巷道堆垛機是物流倉儲最主要的設(shè)備, 它通過對貨物進行存、取和轉(zhuǎn)移, 完成入庫、出庫等功能。堆垛機具有3大機構(gòu):運行機構(gòu)、升降機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)。運行機構(gòu)和升降機構(gòu)使堆垛機到達指定貨位。貨叉伸縮機構(gòu)和升降機構(gòu)組合完成存取作業(yè)。運行機構(gòu)與升降機構(gòu)的速度控制通過兩臺步進電機進行控制, 貨叉伸縮機構(gòu)采用一臺直流電機進行控制。堆垛機具有自動認址與精確定位功能, 從而實現(xiàn)高精度控制。

控制流程以入庫為例說明。裝在倉庫出/入貨臺處的固定電子標簽讀寫器在檢測到有物品時, 物流控制及管理計算機通過讀寫器和標簽進行信息交互, 根據(jù)標簽的物品信息查詢數(shù)據(jù)庫, 分配給物品一個貨位號, 并將貨位號寫入標簽, 進而將入庫命令、當前入庫貨物的貨位號 (排, 列, 層) 傳送給物流控制平臺。首先進庫輥道上的入庫繼電器動作, 輥道輸送帶動作, 將物品傳送至立體倉庫前, 機械手動作, 將物品抓起送至堆垛機上, 然后堆垛機將貨物送到指定倉位。運行完成后, 堆垛機和機械手均回到原位。物流控制平臺將PLC入庫動作完成信號反饋給系統(tǒng), 以進行下一次入庫操作。出庫操作流程類似。

本文以我校商業(yè)自動化物流重點實驗室的物流實驗設(shè)備為平臺, 設(shè)計了基于電子標簽的物流控制與管理演示與驗證系統(tǒng), 將管理和控制融于一體, 發(fā)揮了電子標簽技術(shù)具有可識別高速運動物體, 操作快捷方便等特點, 實現(xiàn)物流控制及管理的自動化, 可以滿足物流業(yè)信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求, 為電子標簽技術(shù)、物流控制及物流管理的結(jié)合提供了應(yīng)用實例。