基于MODBUS协议的密集架智能仓储通信系统设计

仓储活动主要包括从接受储存物品开始,到经储存保管后最终将物品完好地发送出去的全部活动过程,是物流活动的重要组成部分,也是连接生产和消费的重要纽带。近几年随着国内生产力水平的不断提高,物流业和零售业发展速度较快,导致仓储产品的数量、种类都有所增加,在此过程中,现代仓储的职能和意义也发生了一定的变化,仓库不再是仅仅提供产品储存和保管的场所,开始提供商品分类、拣选、流通加工等增值服务。从仓储设备上来看,所包含的内容也发生了明显的变化,从传统的固定式货架开始转向回转库、密集架、智能柜等自动化、智能化设备,其中,以密集架仓储系统的应用最为广泛。另一方面,传统的仓储管理中,依靠非自动的、以纸张为基础的信息管理及通信方式已无法满足现代仓储信息通信的要求,导致仓储物品信息更新慢、物流环节信息不对称等问题,严重制约了现代物流企业的发展。随着信息技术的不断发展,很多企业开始采用智能信息化仓储管理系统,实现仓储不同环节的实时通信和信息共享,智能仓储管理通信系统主要利用计算机网络技术、数据库技术以及自动识别技术等和仓储业务相结合,以实现信息的高效存储和实时通信,满足现代物流管理的要求,对推动仓储物流行业的发展具有重大现实意义。

密集架或密集柜由多列货架密集组成,可通过安装于地面上的专用轨道进行移动。在进行使用时,指定的通道在系统控制下自动打开形成存取通道,在不用的时候则关闭密集架以节省仓储空间,由于密集架只在使用时开启一个通道,因此具有较高的安全性,较适合于各种机密文件及贵重物品的存储。

密集架智能仓储通信系统是以密集架为基础,借助计算机网络数据库和自动化数据采集模块,将仓储业务和信息自动化技术相结合实现仓储商品数据的自动采集、上传以及数据的自动录入、更新等通信功能的智能化、自动化和信息化系统。根据一般的仓储业务流程以及信息管理的需求,密集架智能仓储通信系统需求主要表现在以下几个方面:

(1)智能系统应能够满足仓储基本信息的查询功能,如商品储位信息、商品预入库基本信息以及管理人员基本信息等;

(2)通过系统终端应能够满足增加出入库通知单的需要;

(3)在商品出入库作业中,系统应具备商品信息的自动采集和通信功能,实现商品数据库的自动、及时更新;

(4)当系统接收到商品信息后应能够对出入库的商品和出入库通知单信息进行自动校验,在核查完毕后,根据核查结果应能够对后台数据库商品信息进行自动更新;

(5)在进行库存盘点时,系统应能够对在库商品的数量进行定期盘点,当发现库存商品数量达到库存水平限值时应能够自动发送报警信号;

(6)实现对在库商品的种类、价格、数量等信息的定期自动统计并输出报表;

(7)对出入库商品的信息进行及时汇总并输出报表;

(8)对不同的用户设置不同的访问权限,实现出入库通知单的上传以及通信,对后台数据库进行相应的操作。

根据密集架智能仓储通信系统的需求分析,密集架智能仓储通信系统主要包括档案管理、密集架控制、用户管理、后台数据库管理、手持终端通信系统管理以及其他辅助管理功能等模块,各系统模块又包括若干子功能,系统功能架构具体如图1所示。

(1)密集架智能控制功能:利用上位机软件实现和各组密集架控制器之间的实时通信,完成对密集架打开、关闭等操作以及状态监控功能,同时,系统的自动分析功能能够对传感器所采集的商品信息进行数据分析和处理并输出报表;

(2)手持终端通信功能:在Wi Fi环境下,上位机和各手持终端之间能够实现无线通信,上位机作为服务器,能够接受来自手持终端的各种命令请求,利用手持终端能够实现对密集架的控制,实现对存储商品和密集架的无线管理和控制;

(3)用户管理功能:用户管理主要包括用户管理、用户登录以及密码修改三个主要功能,通过用户管理模块能够实现系统对不同用户权限的授权设置,以保证存储商品的安全;

(4)数据管理功能:对数据库的商品数据信息进行备份和还原;

(5)辅助功能模块:包括系统配置、条码管理以及自助打印等功能。

MODBUS协议是不同类型的总线或者网络连接设备之间进行服务器 / 客户机模式通信的应用层报文传输协议,该传输协议主要利用特定总线上的MODBUS协议映射在应用数据单元(ADU)上,引入一些附加域服务器 / 客户机模式通信。

MODBUS TCP/IP协议则是一种在TCP/IP上实现的MODBUS报文传输服务,一般应用于各种嵌入式系统中,其应用数据单元如图2所示。其中,MBAP报文头是一种在TCP/IP上用于识别MODBUS应用数据单元的专用报文头,PDU表示一个和基础通信层无关的简单协议数据单元,由功能码和数据组成。功能码决定服务器具体执行什么操作,是整个帧结构中重要的组成部分,具体包括公共功能码、用户自定义功能码和保留功能码三种,其中以公共功能码使用最为普遍。

基于MODBUS协议的密集架智能仓储通信系统主要包括主控制器和上位机、手持终端和上位机、主控制器和从控制器、控制器和触摸屏的通信设计。其中,每组密集架固定列上配置的控制器为系统主控制器,每个移动列上的控制器为从控制器,上位机和主控制器之间通过TCP/IP协议实现通信,而主控制器和从控制器之间则通过RS485通信接口实现通信。基于MODBUS协议的密集架智能仓储通信系统结构图如图3所示。

(1)主控制器和上位机通信设计。配置于密集架固定列上的主控制器和上位机之间的通信是整个系统能够正常运行的基础和保证,也是整个系统中通信最为频繁的部分,在此采用TCP/IP协议完成对主控制器和上位机的通信设计。TCP/IP协议属于传输层协议,该协议主要利用一种面向连接、可靠的字节流服务实现数据传输,具有流量控制和数据重传机制,同时还能够实现对无序数据的重排。具体设计时,按照MODBUS TCP/IP协议格式构造数据帧,在主控制器上设置8个寄存器分别对应8个操作功能,共同完成主控制器和上位机之间的数据通信。寄存器和对应功能见表1。

主控制器和上位计算机通信映像寄存器中所采用的功能码为公共功能码,0×03表示读多个寄存器,0×06表示写单个寄存器。表1中所示的8个寄存器均由16位的比特位表示,分为高八位和低八位,其中高八位表示控制字,低八位代表需补充的内容。寄存器中的内容每次被主控制器读取后将自动清零,即如果寄存器的值为0则表示上一条命令已被主控制区读取并执行,此时可将新的命令写入,否则如果寄存器值不为0,则不能写入新命令。

(2)手持终端和上位机通信设计。手持终端和上位机之间的通信较为简单,一般采用一对一的通信方式,在此可采用UDP协议实现二者之间的通信设计。UDP协议是TCP/IP协议栈中的一个主机到主机的协议。利用UDP协议能够为数据通信提供校验和数据完整性检查的差错控制。作为一种无连接的协议,UDP协议不存在建立连接时的时延,因此不需要维护连接状态。利用UDP协议实现手持终端和上位机之间的数据通信有利于提高数据的网络传输速度。手持终端和上位机之间的具体通信采用UTF8编码的字符串模式,字符串之间用逗号隔开,首字符串固定格式为0×AA,第二个字符串则表示系统命令的类型,如“0×01”表示手持终端向上位机发送的密集架操作命令。同理,上位机在向手持终端发送数据帧回复命令的时候,除了数据下载协议外,也采用同样的数据格式,首字符串采用0×AA或者0×FF格式,具体含义与手持终端向上位机发送数据帧数据格式含义一致。基于上述规则所制定的密集架指令见表2。

表2中,0×01表示打开功能;0×02表示关闭;0×03表示停止;0×04表示通风;0×00表示操作成功;0×FF表示网口连接异常。

(3)主控制器和从控制器之间的通信设计。在确定主控制器和从控制器之间的通信方式时,需要综合考虑多方面因素, 如通信距离、成本因素等。要保证每个移动列都能够根据主控制器所发送的指令正常工作,要求主控制器和从控制器之间的通信距离要足够长。主、从控制器之间具有明显的主从关系,配置于固定列上的主控制器对上位机发送的控制命令进行解析后,将不同的命令发送给组内不同的移动列从控制器, 由从控制器执行对应移动列的操作,主控制器对组内移动列上的从控制器要起到协调和控制的作用。在此采用RS485总线通信方式作为主控制器和从控制器之间的通信方式。主控制器和从控制器之间的通信内容主要是主控制器对从控制器发送的打开和停止等动作指令,这些动作指令可通过5个控制器来完成,其中包括1个控制命令寄存器和4个状态信息寄存器,控制命令寄存器见表3,主要用于存储各种控制命令, 其中,“- - ”表示任意值。

状态信息寄存器主要用于存储各类传感器的状态信息, 如温度信息、湿度信息、烟雾浓度状态信息等,状态信息寄存器各位所表示的内容见表4。

(4)触摸屏与主、从控制器之间的通信设计。目前常用的触摸屏一般以带有RS232接口的触摸屏居多,因此主、从控制器和触摸屏之间的通信采用RS232接口实现,主控制器和触摸屏之间通信的内容主要是通过触摸屏上设置的控制功能和显示功能实现,触摸屏提供人机交互界面,即通过触摸屏,操作人员可实现对主控制器的操作和控制,并通过触摸屏反馈密集架状态信息。在设置触摸屏应用程序时,主要利用MCGS工控组态软件进行开发,在MCGS组态软件的设备窗口中必须对各种外部硬件设备进行组态以保证触摸屏应用程序能和外部设备进行通信。MCGS系统的设备窗口是实现和外部硬件设备连接并实时监控外部设备的主要部分。MCGS工控组态方式能够将触摸屏上的各种开关量通道和寄存器上的不同位相对应,每次主控制器轮询时,对所获取的寄存器信息进行分析能够迅速得到各开关量通道的值。

随着近几年电子信息技术的飞速发展,国内自动化密集架仓储管理系统取得了一定的发展,但仍然无法满足当前智能仓储通信以及信息管理的要求。总体而言,今后国内密集架智能仓储信息管理系统应重点从以下几个方面进一步改进和提高:(1)进一步提高智能仓储系统的安全性和可靠性。应同时提高系统硬件设备以及软件操作的可靠性,安全性和保密性则是在密集架结构设计以及信息通信时需要重点考虑的因素;(2)在通信系统设计方面,应不断优化人机交互界面,使用户操作更方便、更快捷,可视化的人机交互界面是人机界面发展的主要趋势,通过PC机和触摸屏等可视化设备能够为用户提供更加美观和人性化的人机接口;(3)进一步增强系统可扩展性,通过系统可扩展性的增强,能够不断提高系统的智能化水平。在此方面,应重点提高软件的可扩展性以及复用性,以满足通信系统各方面的需求变动。