智能模具仓储系统实现技术研究与应用

基于RFID、Modbus/TCP和Web API等物联网技术的模具仓库管理方案。通过构建仓库存取可 视化指引及台账维护、库存盘点等标准库存管理功能，实现了模具库存状态信息的实时查询和模具 出入库动态监控，从而大幅减少了追踪查找时间,有效提高了仓库管理效率。最终，通过系统实施及

在企业的实际运用，证明了该方案的可行性及优越性，也为模具仓库管理提供了值得借鉴的方案。

关键词:物联网;仓库管理;射频识别;Modbus/TCP ； Web API；IO控制器

中图分类号:TH187 文献标识码:ADOI: 10.19287/j. cnki. 1005-2402.2020.02.028Research and application of intelligent mold storage system realization technologyLAI Yunxiang①,HU Ying®,WANG Lei②((DSchool of Mechanical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031 ,CHN ；②Weihai Municipal Party School, Weihai 264200, CHN )Abstract: In order to adapt to the trend of warehouse management informationization and automation, and to solve

the problems of chaos and poor real-time management of foundry mold warehouse, a mold warehouse

management scheme based on Internet of Things technology such as RFID, Modbus/TCP and Web API

is proposed. Through the construction of warehouse access visualization guidance and standard inventory management functions such as account maintenance and inventory counting, real-time query of mold in­ventory status information and dynamic monitoring of mold inbound and outbound warehouses are

realized, which greatly reduces tracking time and effectively improves warehouse management efficiency. Finally, through the implementation of the system and the actual application of the enterprise, the feasi­bility and superiority of the scheme are proved, and it provides a solution worthy of reference for the mold

warehouse management.Keywords:Internet of Things； warehouse management； RFID； Modbus/TCP； Web API； IO controller仓库管理是制造企业离不开的话题，对于不同物 品，需执行不同管理方式。就铸造企业而言，模具是其 一 ID,可以进行寻址、互联及控制。一般以无线网的

形式存在,用电子标签将实物进行网络连接,通常存在

生产的源头,重要性可想而知，因此对模具的管理就更 后台应用系统，对产品、设备、人进行管理和数据传输

加值得重视。本文来源于青岛某铸造企业，随着该企 业规模扩大,模具数量也逐渐增多，考虑到其长远的发

控制操作，物联网技术是未来科技发展的新方向*2］。 因此,为满足以上需求，可以将物联网技术加入到立体

展,急需解决空间利用不合理和安全隐患多等问题,遂 式仓库的信息化管理中。决定建设立体式仓库。与此同时，传统的管理手段已

无法满足现代化仓库实时化、动态化及可视化的管理 需求。1问题描述1.1应用场景当下，“互联网+”的实践成果不断更新，技术方案

该立体式仓库建设布局如图1所示，共有350个

也日新月异。物联网是基于互联网技术、信息传输和

库位,每个库位中放置一个托盘。1~3层为大件区，

通信技术的互通网络，在此网络中，所有对象都具有唯

*国家自然科学基金项目（51765043）库位尺寸为4 mx3 mx2 m,托盘规格为4 mx3 m；4层

・133・管理与信息化Management and Informatization为小件区，库位尺寸为2 mX3 mX2 m,托盘规格为2 m x3 mo03图］仓库布局库位按规则编码，例如W0102220100,其编码规则 解析如下。W01：仓库号；02：仓库内02区域；22：第22列货架；01：货架第一层；00： 1 ~3层为00,4层左边为01,右边为02o仓库内存放着大型铸造模具，模具分为芯盒与外

模,放置在托盘上，如图2所示。模具成套使用，每套 模具有固定编号，其中部分模具可以共用，所以具体到 模具本身可能会有两个甚至多个模具编号。图2铸造模具1.2仓库现状随着生产进行，该企业立体式仓库暴露出了以下 几个主要问题。模具查找难:库管员查找模具时，仅凭经验找到大

致方位，再根据模具编号确认。当立体式仓库库位位 置较高时,确认时还需攀爬货架,有一定的安全隐患。成套出库难:模具使用时成套出库，整套模具可能

放置在不同库位的托盘上，容易遗漏，延缓出库，耽误

生产。仓库监管难:模具岀入库由库管员手写纸质单记

录,无法实时获取仓库的模具库存状态信息。以上问题并发导致了模具追踪查找时间较长，效 率较为低下。为解决该企业模具仓库目前存在的问

・134・2020年第2期题。本文基于物联网技术研究设计了一套仓库管理方 案,实现对模具状态的实时监控,增强模具仓库管理合

理性、高效性及稳定性。2方案设计2.1方案顶层设计方案顶层设计如图3所示,仓库管理系统（WMS） 层作为方案的核心,构建了仓库台账维护、库存盘点、 出入库管理等功能模块，旨在实现库存状态信息的实

时查询和模具出入库的动态监控。蠶

51制

厂工控机立体仓库阅读需、0屏显示需\\ 住线监控设施）［馆动化物流装筍丫（数据采集设备）儈能显示终端）

控制勢RFIDPDA指示灯 7囂翠Qr业网紛儈赛矍骑份识别）（防护墙）侑息安呈）阪频监堪丿图3方案顶层设计设备在线采集与控制层作为软件与硬件的中间 层,通过数据采集管理模块将设备采集到的数据,进行

解析、转换及关联等处理。WMS根据处理结果，通过

控制系统管理模块，控制设备做出相应动作。自动化装备及设施层包括控制、物流、米集和显示

各类设备。工控机、10控制器、RFID阅读器、PDA和 指示灯等核心设备互联协调工作,保障业务准确流畅 进行⑶。保障体系层是整个方案的保护伞,线上防止网络

攻击,维护数据安全,线下实时监管仓库,保证模具安

全。仓库整体覆盖WIFI,并为相应模块分配IP地址, 具体如表1所示，使设备网络的互联准确进行。表1设备IP地址分配设备数量IP地址WMS工控机1192.168.1.98RFID阅读器1192.168.1.9910控制器70192.168.1.101-1702.2 Modbus/TCP 通信网络10控制器为全晶体管输出的10控制器，无输入

量。通过WIFI接收器接收来自WMS的控制指令，通 过输出端口向指示灯输出开关量信号。Modbus/TCP协议是工业电子设备常用的通信协

议［一］。在本方案中，每个10控制器作为服务器接入

Modbus/TCP通信系统，如图4所示。WMS工控机作2020年第2期为客户端与10控制器连接,并通过Modbus事务报文

实现两者之间的通讯任务。图4 Modbus/TCP通信网络WMS向10控制器发送的指令，例如“00 00 00 00

00 08 00 Of 00 00 00 08 01 ff”，其编码规则如下：00 00：TID传输标识符；00 00： PID协议标识符,默认0 ；00 08：后面要发送的字节数；00： UID子站地址,不用时默认0 ；Of： MODBUS指令号,Of是写多路开关量输出；00 00：从丫1开始写，地址是00 00；00 08:要操作多少路开关量；01：后面的数据字节数；ff:这些开关量对应的寄存器数据，十六进制数ff,

转换为二进制数11111111分别对应Y8-Y7-Y6-Y5- Y4-Y3-Y2-Y1的状态，1是ON,0是OFF。此时表示

八路全开。2.3射频识别应用RFID现已成为物联网的核心技术之一，在多个行

业中实现了广泛应用⑺刃。在本方案中,RFID作为关键技术之一，为系统提

供了数据采集、库位编码、自动识别和信息网络等方面 的功能。芯片作为库位信息的载体，与阅读器通信接 入到WMS中，实现模具、设备与系统互联。RFID芯 片安装在托盘两侧，保证在出入库时，能被读取。阅读

器只需放置在仓库正门，模具出入库的必经之路，设置 为自动读取，持续工作。当识别到芯片时，系统获取库

位编码并进行解析,根据相应规则操作数据库,改变当 前模具的库存状态信息。2.4系统模型考虑到仓库管理需要满足以下几点需求：(1) 仓库内所有模具可查，设有唯一编码。可一

键查询模具的基本信息、位置信息、状态信息、图片信 息等。(2) 能够实时监控模具的出入库,快速定位,精确 查找,并通过大屏显示器展示。(3) 具有库存盘点、台账维护等功能,能够对模具 库存可视化管理,供管理人员直观了解仓库实时状况。因此，设计管理系统模型如图5所示。Management and lnfbnnalizalion 管現与信息ft模入模

出具库具库入查出查库

询

库询

图5仓库管理機型2.5系统架构系统采用Microsoft Visual Studio 2017作为开发平 台,C#作为开发语言,C/S结构作为系统架构,系统数

据库为 Oracle llg,基于 ASP.NET Web API 服务,WPF

呈现用户界面，原理如图6所示。客户端WPF MainFtame业务模块WPFSDM Library BIZLibrary(5)SDM数据访问代理

DataContextDataContextBIZ.(HttpClient)DataObjccts返回1? 卩请求(Http/Https)Web API|Dat^CoSDM”troller

DataController|BIZ |_控制器模块I~~SDM| D^taSeyvice DataServiceBIZ |数据服务I数据访问

服务端|__ DataAccessSDMDataAccessBIZ |_(EF模型)返回 n

0访问数据库Database图6系统架构通过对象关系映射,数据库中的关系表对应生成 服务端数据访问层的EF模型，该层通过EF模型直接

操作数据库，并把数据返回至数据服务层。数据服务

层提供添加、修改、删除、查询以及其它自定义方法，并

把数据返回至控制器模块。控制器向客户端暴露 Web API路由，客户端可通过发送Http/Https协议的

请求访问其内部方法，再把数据返回至客户端的数据 访问代理。数据访问代理，一方面作为Http客户端向

服务端发送请求以及接收数据;另一方面将接收到的 数据返回至业务模块。业务模块由WPF进行UI设计

以及数据绑定，动态加载用户界面。DataObjects作为 数据模型层，在客户端和服务端作为数据契约存在，目

的是使两端数据结构保持一致,实现数据传输。Web API是基于HTTP服务的轻量级框架，可以 使用HTTP的全部特点，十分适合用于构建基于因特 网的服务「训。可拓展型较高，便于之后手机、平板等 移动端设备接入;另一方面，客户端每次启动时自动检

・135・管現抽息ftManagement axl Informalization查下载最新动态链接库并加载，模块按需加载,减少系

统负载。既保留了 C/S结构的特性，又借鉴了 B/S结

构的优点。3关键技术3.1基于动态规则的状态解析策略模具有以下5种状态，出库、使用中、入库、在库和

维修，各状态遵循相应动态规则在特定情况下更新，规

则如表2所示。动态规则可维护，根据需求变更可自 定义修改。表2状态更新规则规则号前置状态标志码结果状态单据操作1在库1出库EC2出库1使用中EU3使用中1入库0C4入库1在库0U5在库0维修RC6维修0在库RU模具库存状态需更新时,解析当前状态，查找动态 规则，前置状态的优先级高于标志码。因此先根据前 置状态判定规则，每次仅执行一条，当多条规则满足

时，再根据标志码选取，流程如图7所示。同一芯片可

能被多次扫描,为使动态规则不发生紊乱，可设置定时 器,在状态更新之前判定该芯片是否在定时器设定时 间内被重复读取。是则重置定时器，状态不变;否则根 据动态规则，更新状态。图7状态更新流程

仓库内模具出库时，在WMS模具出库模块中,

PDA读取到出库单上的条码，系统自动获取并解析获 取库位编码，从数据库中多表联合查询该库位对应的

控制器输出端口信息，以及10控制器信息，部分字段 如表3、表4所示。表3输出端口信息端口 ID控制器ID端口名库位编码指示灯CTRL1301CTRL13Y01W0101130402红CTRL1302CTRL13Y02W0101130402黄CTRL1303CTRL13Y03W0101130402绿CTRL1303CTRL13Y04W0101130402蜂鸣器• 136 •2020年第2期表4控制器信息控制器IDIP地址端口号控制器名称CTRL01192.168.1.1011001控制器01CTRL02192.16 & 1.1021001控制器02CTRL03192.168.1.1031001控制器03在WMS中,将指令字符串按规则转换成字节数

组，代码如下：bytef ] data = HslCommunication. BasicFramework.

SoftBasic.HexStiingToBytes( \"00 00 00 00 00 08 00 Of 00 01 00 08 01 Of”)；WMS向对应的10控制器发送指令，代码如下：HslCommunication. OperateResult < byte [ ] > read =

busTcpClient.ReadFromCoreServer( data);执行成功时,10控制器Y1、Y2、Y3、Y4端口输出 开关量信号，对应的指示灯红黄绿三色点亮,蜂鸣器

响，引导叉车取模具。模具出库经过RFID阅读器扫描区，芯片内库位 编码被读取,WMS根据库位编码，操作数据库,模具状

态根据动态规则1,由在库更新为出库。模具送至生产现场后，送回托盘。托盘入库扫描

芯片时,WMS根据库位编码，向10控制器发送指令，

点亮相应库位灯，引导叉车放置托盘。同时，操作数据

库,模具状态根据动态规则2,由出库更新为使用中。3.2多维度可视化系统的库存可视化模块,模拟仓库的整体布局，将各

库位模具状态以不同颜色区分，并整合各库位模具信息, 做到仓库可视化，如图8所示。实现模具库位选择、对应

芯片写入等功能。并配有一键盘点亮灯按钮，用指示灯 的不同颜色表示库位中模具的不同状态，如图9所示，从

平面、立体维度以直观、高效、准确地完成盘点工作。模具存取具有可视化指引，指示灯闪烁及内置蜂鸣

器响，从视、听维度指弓I叉车取货。模具出入库时大屏实 时监控，展示模具图片、位置、编号和状态信息，如图10所 示。用以核对与指示，提高执行效率和防错率。图8库存可视化2020年第2期图9盘点亮灯图10出入库监控4系统验证设备分层次相互间连接工作，使模具出入库过程

有序进行，主要设备连接状况如图11所示。以上各设 备的使用情况如表5所示。图11设备连接图表5设备使用情况设备名称数量安装位置工控机1仓库正门10控制器70每列货架一层RFID阅读器1仓库正门RFID芯片700托盘两侧PDA1与工控机连接多维度指示灯350

各个库位大屏显示器1仓库墙面经检验，该立体式仓库在系统建设前后有较为明

显的差别,具体表现在出入库流程和库存盘点消耗的 时间、人员配置方面。如表6所示，耗时为多次试验的 平均时间，可以看出该系统大幅减少了追踪查找时间，

有效提高了仓库管理效率,也减少了人力成本。对于

Management and Informatization管理与信息ft系统建设前的模具查找难、成套出库难及仓库监管难

等问题也取得了极大的改善。表6系统建设前后对比步骤耗时(前)耗时(后)人员(前)人员(后)查找模具13 min 47 s无3人无叉车取货5 min 36 s5 min36 s1人1人核对模具3 min 21 s无1人无模具出库16 min 28 s1 6min28 s1人1人送回托盘16 min 17 s12 min09 s2人1人库存盘点69 min 53 s31 min27 s1人1人5结语本方案的创新性在于提出了基于动态规则的状态

解析策略，可根据需求变更自定义维护动态规则。并 且基于物联网技术实现软硬件结合,在仓库管理方面 有广泛的应用前景。既实现出入库过程的实时化、动

态化，又实现管理可视化，直观展示模具状态。满足了

现代生产企业信息化、自动化及高效化的需求,并且在

企业的实际生产中得到应用。参考文献[1 ] Bartiomiej Giadysz. An assessment of RFID applications in manufactur­

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[J]・自动化与信息工程,2018,39(4):26-31.第一作者:赖允祥，男,1995年生，硕士研究生，研

究方向为生产及制造系统。(编辑高扬)

(收稿日期:2019-07-09)

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