CN117970830A - 一种应用于自动化仓库的iot设备仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿真模拟技术领域，具体涉及一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，包括根据自动化仓库使用的软PLC组态软件，提出基于软PLC技术的仿真系统设计框架结构；建立蒙特卡洛过程中运用Simulink软件构建系统中各项作业排队网络模型；系统模型模拟自动化仓库的生产环境，在Simulink上搭建数学模型，并根据PLC控制逻辑要求，编写系统的控制逻辑程序；本发明通过针对应用于自动化仓库IoT设备控制仿真，基于软PLC技术，采用Simulink软件构建全自动化仓库作业系统模型，通过PLC控制器的数据交换测试控制逻辑程序调试，利用此仿真平台可实现自动化仓库绝大部分设备和过程的模型，提高系统调试效率。
Description
技术领域
本发明涉及仿真模拟技术领域，具体涉及一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统。
背景技术
由计算机控制的自动化仓库，其智能的分拣系统大大优化人工操作。我国自动化仓库的建设起步较晚，但发展迅速，全流程自动化、人工智能识别、云存储数据的仓储物流是现代物流业快速发展的需求。自动化仓库的核心在于计算机的自动控制，利用CPS将物理层的特征和状态信息实时数据进行处理，按照事先编程的程序自动进行入库、上架、拣货、出库、查询等，提高作业效率和货物周转率，从而减轻物流管理成本。
目前，自动化仓库的物理组成涉及大量的搬运设备，如堆垛机系统、AGV系统、输送系统等，位置状态存在纵向、水平和垂直三个维度的变化，并且涉及多样的容器和大量的传感设备，根据所存储物品属性差异和行业物流场景的不同，设备的控制对自动化智能控制系统提出极大的要求。该系统由管理系统、监控系统和执行系统组成。而集成电路的发展极大推动可编程逻辑控制器(PLC)在数据处理能力和可靠性上提升，集成了多种控制算法，PLC已成为工业生产现场的控制中枢，自动化仓库也不例外。
然而，在自动化仓库的IoT应用下，PLC所承担的控制任务日趋复杂，所需控制回路数量日益增加，数量庞大的物理设备也对多PLC联合协同控制提出要求，使PLC控制逻辑愈发复杂。这个背景下，传统的控制逻辑调试方法已经难以满足设计需求，应用于自动化仓库IoT的控制逻辑程序调试成为困扰工程师的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，包括
根据自动化仓库使用的软PLC组态软件，提出基于软PLC技术的仿真系统设计框架结构；
PLC开发组态进行系统硬件组态及控制逻辑设计工作，其中逻辑设计工作包括系统模型，所述系统模型包括数学模型，仿真系统通过数学模型使自动化仓库模型的动态特性和静态特性与实际仓库作业一致，并将PLC的控制作用施加在数学模型上，使硬件对数学模型具有控制效果；
建立蒙特卡洛过程中运用Simulink软件构建系统中各项作业排队网络模型，并设定相关变量和参数；
系统模型模拟自动化仓库的生产环境，在Simulink上搭建上述系统的数学模型，并根据PLC控制逻辑要求，编写系统的控制逻辑程序；
工程师对系统模型进行校验后获得仿真系统。
优选地，所述系统模型包括预到货子系统；所述预到货子系统包括
生成商品预约时间段以及生成对应的质检策略，供应商送货按照预约时间段进行送货，且到货后根据预到货要求采取对应的质检策略。
优选地，所述系统模型包括空车集结子系统；所述空车集结子系统包括
设备完成货物的移动作业后，进入空车集结子系统，等待新的作业任务；货物移动作业的运动时间与设备移动速度、仓库位置有关，由路径规划进行度量测算。
优选地，所述系统模型包括货物装车子系统；所述货物装车子系统包括
根据自动化仓库上架策略、拣货策略配置，作业设备每次作业任务接收不同运输的货物量，分为单件商品装车和批量商品装车；为单件商品装车时若单台设备能够独立完成一则作业任务，则在空车集结系统中存在空闲作业设备，将立即调度执行装车作业；为批量商品装车时则需集结多部设备并行完成一则作业任务，判断运输数量与并行时间是否满足要求，若满足则将立即调度执行装车作业，若否则等待并重新判断运输数量与并行时间是否满足要求。
优选地，所述系统模型包括空车空返子系统；所述空车空返子系统包括
商品作业任务完成后，作业设备与商品分离，作业设备则需沿指定路径空返至空车集结子系统等待下一作业任务下达，通过路径计算得到具体运动时间。
优选地，所述系统模型包括基于货物属性的分区存储子系统；所述基于货物属性的分区存储子系统包括
将仓库划分不同的库位管理不同的货物商品，每个库位区内包括若干独立的作业线。
优选地，所述系统模型包括库内复合作业子系统；所述库内复合作业子系统包括
基于对各类商品上架策略的设定进行分区管理，采用库位分配优化计算指定库位区域，不同的库位移动存在多种运动作业系统组成一个多服务器等待制排队作业系统。
优选地，所述运动作业系统包括有输送带作业线、AGV作业线、码垛作业线、堆垛作业线等。
优选地，通过OPC技术建立移动设备DIM在FDT元素的映射关系，并接入组态软件、人机界面中监控，实现PLC开发、Simulink、PLC组态三者的通信。
优选地，通过修改Simulink中的模型参数，强制系统进入故障运行状态，进行PLC控制逻辑程序的报警、保护测试。
本发明的有益效果在于：通过提出针对应用于自动化仓库IoT设备控制仿真设计与应用，基于软PLC技术，采用Simulink软件构建全自动化仓库作业系统模型，通过与PLC控制器的数据交换测试控制逻辑程序调试，利用此仿真平台可实现自动化仓库绝大部分设备和过程的模型，并可根据项目需求，进一步实现设备控制器参数的整定；PLC的控制作用施加在数学模型上，使硬件具有控制效果，可以极大地减少现场调试时间，提高系统调试效率，避免系统调试过程中出现设备损坏、商品损坏甚至人员受伤。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统的设计框架；
图2为本发明具体实施方式的一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统的预到货子系统示意图；
图3为本发明具体实施方式的一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统的空车集结子系统示意图；
图4为本发明具体实施方式的一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统的货物装车子系统示意图；
图5为本发明具体实施方式的一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统的库内复合作业子系统的框架示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1至图5，一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，包括
根据自动化仓库使用的软PLC组态软件，提出基于软PLC技术的仿真系统设计框架结构；
PLC开发组态进行系统硬件组态及控制逻辑设计工作，其中逻辑设计工作包括系统模型，所述系统模型包括数学模型，仿真系统通过数学模型使自动化仓库模型的动态特性和静态特性与实际仓库作业一致，并将PLC的控制作用施加在数学模型上，使硬件对数学模型具有控制效果；
建立蒙特卡洛过程中运用Simulink软件构建系统中各项作业排队网络模型，并设定相关变量和参数；
系统模型模拟自动化仓库的生产环境，在Simulink上搭建上述系统的数学模型，并根据PLC控制逻辑要求，编写系统的控制逻辑程序；
工程师对系统模型进行校验后获得仿真系统。
从上述描述可知，通过提出针对应用于自动化仓库IoT设备控制仿真设计与应用，基于软PLC技术，采用Simulink软件构建全自动化仓库作业系统模型，通过与PLC控制器的数据交换测试控制逻辑程序调试，利用此仿真平台可实现自动化仓库绝大部分设备和过程的模型，并可根据项目需求，进一步实现设备控制器参数的整定；PLC的控制作用施加在数学模型上，使硬件具有控制效果，可以极大地减少现场调试时间，提高系统调试效率，避免系统调试过程中出现设备损坏、商品损坏甚至人员受伤。
进一步的，所述系统模型包括预到货子系统；所述预到货子系统包括
生成商品预约时间段以及生成对应的质检策略，供应商送货按照预约时间段进行送货，且到货后根据预到货要求采取对应的质检策略。
进一步的，所述系统模型包括空车集结子系统；所述空车集结子系统包括
设备完成货物的移动作业后，进入空车集结子系统，等待新的作业任务；货物移动作业的运动时间与设备移动速度、仓库位置有关，由路径规划进行度量测算。
进一步的，所述系统模型包括货物装车子系统；所述货物装车子系统包括
根据自动化仓库上架策略、拣货策略配置，作业设备每次作业任务接收不同运输的货物量，分为单件商品装车和批量商品装车；为单件商品装车时若单台设备能够独立完成一则作业任务，则在空车集结系统中存在空闲作业设备，将立即调度执行装车作业；为批量商品装车时则需集结多部设备并行完成一则作业任务，判断运输数量与并行时间是否满足要求，若满足则将立即调度执行装车作业，若否则等待并重新判断运输数量与并行时间是否满足要求。
进一步的，所述系统模型包括空车空返子系统；所述空车空返子系统包括
商品作业任务完成后，作业设备与商品分离，作业设备则需沿指定路径空返至空车集结子系统等待下一作业任务下达，通过路径计算得到具体运动时间。
进一步的，所述系统模型包括基于货物属性的分区存储子系统；所述基于货物属性的分区存储子系统包括
将仓库划分不同的库位管理不同的货物商品，每个库位区内包括若干独立的作业线。
进一步的，所述系统模型包括库内复合作业子系统；所述库内复合作业子系统包括
基于对各类商品上架策略的设定进行分区管理，采用库位分配优化计算指定库位区域，不同的库位移动存在多种运动作业系统组成一个多服务器等待制排队作业系统。
进一步的，所述运动作业系统包括有输送带作业线、AGV作业线、码垛作业线、堆垛作业线等。
进一步的，通过OPC技术建立移动设备DIM在FDT元素的映射关系，并接入组态软件、人机界面中监控，实现PLC开发、Simulink、PLC组态三者的通信。
进一步的，通过修改Simulink中的模型参数，强制系统进入故障运行状态，进行PLC控制逻辑程序的报警、保护测试。
实施例
一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，包括
1、根据自动化仓库使用的软PLC组态软件，提出基于软PLC技术的仿真系统设计框架结构如图1所示；即PC(上位机)进行PLC开发组态进行监控关键参数、仿真模拟参数；同时PC输出系统模型和控制逻辑程序，系统模型向控制逻辑程序输入设备运行状态，而控制逻辑程序向系统模型下达控制指令。
2、仿真系统的PLC开发组态完成系统硬件组态及控制逻辑设计工作，并能够监控I/O参数等，逐步、逐行查看系统控制调试。系统提出以数字量控制I/O参数的更改，同时修改的控制回路数较少、多次重复试验仿真和敏感性分析实现简单有效的控制逻辑调试。
3、仿真系统的系统模型部分，通过建立合理的数学模型，使自动化仓库模型的动态特性和静态特性与实际仓库作业一致，在此基础上将PLC的控制作用施加在此模型上，便取得与硬件在现场调试相同的效果。
4、仿真系统的系统模型部分考虑的自动化仓库作业系统主要包括预到货子系统、空车集结子系统、货物装车子系统、基于货物属性的分区存储子系统、库内复合作业子系统和空车空返子系统等六大子系统。
4.1、预到货子系统(参照图2)：商品抵达过程连续随机，到达时间间隔互相独立且服从特定分布。到货后，根据预到货要求采取对应的质检策略，质检时间相互独立且服从特定分布。预到货子系统组成一个多服务器等待制的排队作业系统。
4.2、空车集结子系统(参照图3)：设备完成货物的移动作业后，进入空车集结子系统，等待新的作业任务。货物移动作业的运动时间与设备移动速度、仓库位置有关，可由路径规划进行度量测算。空车集结子系统组成了一个多服务器等待制排队作业系统。
4.3、货物装车子系统(参照图4)：根据自动化仓库上架策略、拣货策略配置，作业设备每次作业任务接收不同运输的货物量，可分为单件商品装车和批量商品装车。单件商品装车指单台设备能够独立完成一则作业任务，在空车集结系统中存在空闲作业设备，将立即调度执行装车作业。批量商品装车需集结多部设备并行完成一则作业任务，需要在考虑仓储空间的条件下，优化作业执行时间。
4.4、基于货物属性的分区存储子系统：不同货物属性的存储要求具有很大不同，为减少库存损耗，优化库位分配，一般将仓库划分不同的库位管理不同的货物商品。每个库位区内包括若干独立的作业线。
4.5、库内复合作业子系统：基于对各类商品上架策略的设定进行分区管理，采用库位分配优化计算指定库位区域，结合随机货位模式进行货品存储。不同的库位移动存在多种运动作业系统组成一个多服务器等待制排队作业系统。运动作业系统可能包括有输送带作业线、AGV作业线、码垛作业线、堆垛作业线等。
库内复合作业子系统进一步包括(参照图5)：订单输入到任务工厂，任务工厂根据任务策略输出N个任务，任务分别输入指令工厂，指令工厂输出N个指令，指令的执行对象是设备或人员进行执行；
其中，仓库设备生成指令策略，指令工厂根据指令策略输出N个指令；
任务包括产生节点和拆分维度，其中，产生节点包括入库、出库和库内；拆分维度包括人员、库区以及托盘；
指令包括产生节点、执行顺序和执行对象，其中，产生节点包括任务创建、完成反馈；执行顺序包括顺序执行和并发执行；执行对象包括设备和人员。
任务和指令边界：任务是指令的集合，指令不可再拆分，指令的执行对象是设备或人员
4.6、空车空返子系统：商品作业任务完成后，作业设备与商品分离，作业设备则需沿指定路径空返至空车集结子系统等待下一作业任务下达，总运动距离与其所处位置状态有关，通过路径计算得到具体运动时间，路径需要考虑规避碰撞甚至死锁。作业设备的空车空返作业子系统是一个多服务台等待制排队系统。
5、自动化仓库在实际作业因人、机、料的占用而存在排队等待甚至阻塞。仿真系统建立蒙特卡洛过程需考虑资源的排队，在此运用Simulink软件构建系统中各项作业排队网络模型，并设定相关变量和主要参数等。
6、自动化仓库对于货物单件抵达或单件处理的系统，一般采用两种处理算法。一是运用数学解析方法、二是运用仿真软件研究。基于此，建立仿真系统的输入过程为：来库商品持续不断地以单件或批次进入作业系统，且单件或批次间抵达系统的时间间隔相互独立；仿真系统的排队规则为：商品抵达作业系统时，若系统存在空闲的设备则能够立即使用设备执行作业任务，否则需要排队等待；根据自动化仓库物理建设情况，仿真系统的服务机构包括若干条并行巷道，每条巷道配备堆垛机负责货物的移动，包括若干AGV、RGV、输送线等设备。只有当对应作业设备存有空闲时，商品才能立即执行所需的作业，否则需要进行等待。
7、自动化仓库的存储网络包括节点以及连线等两大部分，包含实体网以及虚拟网，能够揭示自动化仓库设备和工具以及之间的关系，而商品质检不同作业线路和不同移动方向转化节点构成的网络组成更为复杂的仓储作业网络。
8、仿真系统设定以优化自动化仓库整体作业能力为目标，一方面既要考虑作业任务的客户满意度，减少商品长时间的等待，另一方面需要控制运营费用投入，考量作业成本。仿真系统对自动化仓库进行仿真实验，利用数值实验，分析商品在自动化仓库中的等待时间和排队长度、作业设备的平均利用率、系统作业成本等主要性能指标的相关规律，进而确定系统中作业设备能力的配置。
9、系统模型模拟自动化仓库的生产环境，在Simulink上搭建上述系统的数学模型，并根据PLC控制逻辑要求，编写系统的控制逻辑程序。此外，通过OPC技术建立移动设备DIM在FDT元素的映射关系，进而更好的开展数据采集和处理，并接入组态软件、人机界面中监控关键参数。实现PLC开发、Simulink、PLC组态三者的通信。
10、仿真系统可实现自动化仓库复杂控制的仿真，工程师可以对控制逻辑程序进行调试。工程师可在PC人机界面中模拟自动化仓库现场的实际操作，如指定库位上架、库位转移等，而后观察系统是否按照设计模式运行。如系统响应出现异常，则工程师可以立即修正PLC控制逻辑程序。
11、可通过修改Simulink中的模型参数，强制系统进入故障运行状态，以测试PLC控制逻辑程序的报警、保护等功能。
12、随着系统仿真模型精度提高，越贴近实际作业情况，亦可以实现仿真平台上的控制器参数整定，从而取得良好的效果，使实际作业系统已长时间稳定运行。
综上所述，本发明提供的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统实现自动化仓储、移动设备如堆垛机、RGV、AGV、输送线、RFID、安全门等通过DIM在FDT元素和OPC UA信息模型间所建立的映射关系，以及相关定义设定；并且能够根据物流场景、商品形态配置的自动化仓库入库、质检、上架、拣货、加工、包装、出等流程策略下，作业间隔时间、作业执行时间、作业容量等排队模型重要参数的构建。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，包括
根据自动化仓库使用的软PLC组态软件，提出基于软PLC技术的仿真系统设计框架结构；
PLC开发组态进行系统硬件组态及控制逻辑设计工作，其中逻辑设计工作包括系统模型，所述系统模型包括数学模型，仿真系统通过数学模型使自动化仓库模型的动态特性和静态特性与实际仓库作业一致，并将PLC的控制作用施加在数学模型上，使硬件对数学模型具有控制效果；
建立蒙特卡洛过程中运用Simulink软件构建系统中各项作业排队网络模型，并设定相关变量和参数；
系统模型模拟自动化仓库的生产环境，在Simulink上搭建上述系统的数学模型，并根据PLC控制逻辑要求，编写系统的控制逻辑程序；
工程师对系统模型进行校验后获得仿真系统。
2.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括预到货子系统；所述预到货子系统包括
生成商品预约时间段以及生成对应的质检策略，供应商送货按照预约时间段进行送货，且到货后根据预到货要求采取对应的质检策略。
3.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括空车集结子系统；所述空车集结子系统包括
设备完成货物的移动作业后，进入空车集结子系统，等待新的作业任务；货物移动作业的运动时间与设备移动速度、仓库位置有关，由路径规划进行度量测算。
4.根据权利要求3所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括货物装车子系统；所述货物装车子系统包括
根据自动化仓库上架策略、拣货策略配置，作业设备每次作业任务接收不同运输的货物量，分为单件商品装车和批量商品装车；为单件商品装车时若单台设备能够独立完成一则作业任务，则在空车集结系统中存在空闲作业设备，将立即调度执行装车作业；为批量商品装车时则需集结多部设备并行完成一则作业任务，判断运输数量与并行时间是否满足要求，若满足则将立即调度执行装车作业，若否则等待并重新判断运输数量与并行时间是否满足要求。
5.根据权利要求3所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括空车空返子系统；所述空车空返子系统包括
商品作业任务完成后，作业设备与商品分离，作业设备则需沿指定路径空返至空车集结子系统等待下一作业任务下达，通过路径计算得到具体运动时间。
6.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括基于货物属性的分区存储子系统；所述基于货物属性的分区存储子系统包括
将仓库划分不同的库位管理不同的货物商品，每个库位区内包括若干独立的作业线。
7.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述系统模型包括库内复合作业子系统；所述库内复合作业子系统包括基于对各类商品上架策略的设定进行分区管理，采用库位分配优化计算指定库位区域，不同的库位移动存在多种运动作业系统组成一个多服务器等待制排队作业系统。
8.根据权利要求7所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，所述运动作业系统包括有输送带作业线、AGV作业线、码垛作业线、堆垛作业线等。
9.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，通过OPC技术建立移动设备DIM在FDT元素的映射关系，并接入组态软件、人机界面中监控，实现PLC开发、Simulink、PLC组态三者的通信。
10.根据权利要求1所述的应用于自动化仓库的IOT设备仿真系统，其特征在于，通过修改Simulink中的模型参数，强制系统进入故障运行状态，进行PLC控制逻辑程序的报警、保护测试。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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