基于雙控系統的自動倉儲實驗平臺

馮道寧， 宋瑞娟

(1. 東南大學 電氣工程系，江蘇 南京 210018；2. 廣西機電職業技術學院 電氣工程系，廣西 南寧 530007)

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基于雙控系統的自動倉儲實驗平臺

馮道寧1，2， 宋瑞娟2

(1. 東南大學 電氣工程系，江蘇 南京 210018；2. 廣西機電職業技術學院 電氣工程系，廣西 南寧 530007)

針對教學和企業培訓需求，開發了一套集電氣、機械、氣動、觸摸屏、仿真、計算機通信技術于一體的自動倉儲實驗演示平臺，平臺以三菱和西門子PLC為控制核心，通過4自由度的機械手完成物料的自動存取。平臺特點是可實現雙系統聯合控制、在線仿真和人工智能倉儲。本文從平臺的硬件設計、工作過程、上下位機編程等幾方面介紹了平臺的功能和構成，最后對實驗平臺的分步教學作了系統的說明。

自動倉儲； 雙控系統； 智能存儲； PLC； 實驗平臺

0 引 言

隨著網絡購物和快遞業的迅速發展，作為物流業關鍵節點的倉儲系統已從初始的人工分揀倉儲逐步向先進的自動倉儲發展。目前國內已經有多家教學設備廠家對倉儲實驗系統開展了研究，并推出多款實驗平臺[1]。但此類平臺在功能上更多的是偏重于模擬流水線生產過程而非倉儲，且在器件選型上未能有效地整合學校現有實驗設備，造成資源浪費。基于上述原因，根據本校教學的需求定制開發了1套自動倉儲實驗平臺，其擁有和現場設備相同的倉儲體系結構和完整功能，平臺內建2套PLC控制系統，可分別實現對平臺的獨立控制或雙聯控制。該實驗平臺滿足了自動化、機電一體化、物流專業對不同專業課程的教學需求，也可作為企業崗前培訓的演示平臺。

1 自動倉儲實驗硬件平臺

實驗平臺見圖1，其通過PLC對運動機械臂和氣動機元件控制，實現4自由度的機械手對16個立體貨位內的物料識別、貨物分類、數量統計、貨位優化，以及單個或多個物料的連續自動抓取、移位、放置等功能；按功能可分為控制系統、執行機構以及傳感器3部分，結構如圖2所示。

圖1 自動倉儲平臺實物

圖2 自動倉儲系統結構圖

控制系統由系統A和系統B構成，A系統包括三菱FX2N系列PLC和臺達S1系列220 V變頻器1臺，用戶通過控制柜上自帶的矩陣鍵盤或上位機的組態軟件發出控制指令。系統B核心控制器為西門子S7-200PLC，還包含一臺三菱A540系列220 V變頻器，通過控制柜內嵌的MCGS觸摸屏實現控制[2]。

執行機構包括機械臂和機械手二部分，其運動分為X,Y,Z及繞Z軸旋轉共4個自由度[3]。機械臂又分為橫臂(X軸)和縱臂(Z軸)，縱臂的運動支架固定在橫臂上，故橫臂運動時對力矩和速度要求較高，所以橫臂采用變頻器驅動單相交流電磁制動電機，電機帶動滾珠絲桿旋轉完成橫臂在X軸的移動。縱臂的Z軸運動由1臺24 V帶直流剎車電動機驅動滾珠絲桿完成。氣動機械手分為旋轉氣缸、雙活塞氣缸、平行氣動手指3部分，每個部分均安裝了氣缸磁感應傳感器，旋轉氣缸可實現機械手繞Z軸旋轉0°～180°的旋轉；雙活塞氣缸是擁有2個壓力腔和活塞桿的氣缸，實現機械手沿Y軸的伸出和縮回；平行氣動手指實現機械手張開或閉合以抓放物體。

傳感器按類型分為漫反射光電傳感器、電磁接近傳感器、氣缸磁性感應傳感器，除此之外還有微動行程開關，漫反射光電傳感器安裝在每1個倉儲格的下方，主要用于探測倉儲格內是否已存放了物料,共計16個。電磁接近傳感器在橫臂和縱臂各安裝1個，用于機械臂定位和移動距離估算。氣缸磁感應傳感器實現氣動元件的限位檢測，例如機械手的Y軸伸縮、抓取松開及旋轉，共計6個。微動行程開關安裝在X軸和Z軸的滾珠絲桿上，限定機械臂的移動范圍。

實驗平臺采用了總線控制和集散控制相結合的模式，在上層設備例如PLC、變頻器和上位機間采用了總線控制，利用在MODBUS RTU協議完成設備間的通訊[4]。在底層設備例如直流電機控制、氣動控制、傳感器信號反饋采用傳統的集散控制，即利用傳統I/O口進行信號控制。

2 工作過程

實驗倉儲平臺的16個倉儲格按照4×4方式排列，每1個倉儲格在X軸和Z軸的對應坐標上各安裝定位螺絲1個，故X和Z軸各有4個定位螺絲。初始狀態時機械臂從原點O的基座出發，沿著X和Z軸同時運動；每經過1個定位螺絲時，機械臂上的電磁接近傳感器就把對應的信號反饋給PLC，以此判斷機械臂是否到達指定的倉儲格。當X或Z軸到達指定倉儲格后，PLC發出急停剎車指令停止對應坐標軸上的電機運動。機械臂到位后，氣動機械手可根據需要自由的左右旋轉，并沿著Y軸(垂直于紙面的方向)伸出夾取或放置貨物。

3 雙控系統

教學中可根據需要選擇系統A或系統B獨立控制實驗平臺，或2個控制系統的PLC間以主從方式工作，實現雙控系統協同控制，減少系統的響應時間并提高控制精度[5]。雙PLC協同工作時，以三菱PLC作為主站，西門子PLC作為從站，主站和從站之間通過485總線，以MODBUS RTU協議進行通訊[6]。主站負責傳感器信號反饋和上位機通訊的任務，從站負責機械臂和機械手的運動控制。例如，主站三菱PLC讀取從站西門子PLC的8路輸出Q0.0～Q0.7的狀態，并把讀取到的8路狀態映射到自己的8路輸出Y0～Y7上，這樣上位機就可以間接讀取從站的輸出信號并實現實時監控。

4 軟件系統

程序軟件分為下位機軟件和上位機軟件二部分，下位機程序為PLC程序，分為三菱和西門子PLC兩種，其程序流程一致。上位機程序根據下位機的不同分為組態軟件控制程序和觸摸屏兩種。

4.1 組態軟件

組態軟件采用WebAccess作為開發軟件,該軟件的最大特點是基于瀏覽器而設計的互聯網組態軟件，可通過網頁實現全功能客戶端遠程監控與現場同步[7]。組態界面中的倉儲系統監控主界面見圖3，程序控制結構圖如圖4所示。監控畫面的主視圖設置為三維側視圖，用三維視角顯示監控畫面，不但增強了整體的立體感，還能完整地顯示執行機構的運動過程，克服了二維畫面在現實中因執行機構互相重疊造成的監控盲區。三維視圖右邊是機械手的俯視圖，不僅可顯示機械手的旋轉動作、伸出和夾取物體的過程，還可以顯示機械手當前位置、倉儲格內的貨物總數等信息，控制界面的下方的橫條為控制臺，用戶在控制臺上可完成單個或多個貨物的手動和連續自動存取功能。

圖3 上位機組態軟件監控畫面

圖4 程序控制結構圖

4.1.1 仿真功能

為方便學生學習還特別開發了模擬仿真功能，組態界面的下方有一個兩向轉換開關，當開關指向聯機時(可以和硬件設備聯機調試)，當開關指向模擬(仿真)時，可以脫離硬件設備進行完全仿真的動畫演示，其操作和現場操作方式保持一致，此功能也應用于網絡虛擬實驗室進行設備演示和功能介紹[8]。

4.1.2 智能存儲

實現了貨物智能倉儲功能，即按貨物等級的優先級自動選擇存放的倉位[9]，組態界面右下角設置了優先級選擇按鈕，將貨物優先級由高至低依次分為A、B、C 3個等級，優先級高的貨物可視為存取頻率最高的貨物，應放在離原點最近的位置以方便存取。根據上述原則，在上位機編程時將16個倉位按距原點O的步距依次從高到低定位為7級別，1級為最高即離原點最近，7級為最低。步距是指機械臂(包括橫臂和縱臂)到達指定倉位時經過的定位螺絲總數，例如21倉位，縱臂要經過Z軸上的2個定位螺絲，橫臂需要經過X軸上的1個定位螺絲，步距即為2+1=3。同級之間機械臂移動的步距是相同的。

在連續存儲時，選擇智能存儲開關，系統將根據待存貨物總量和優先級別自動分配倉位并動態調整，并按設定持續依次存放貨物[10]；系統發現若倉位已滿或預存放的貨物數量大于當前空倉數量，將啟動報警燈并停止工作。

4.2 觸摸屏

西門子PLC對應的上位機為MCGS公司的TPC7062Ti觸摸屏。控制界面分為自動控制和手動控制2個界面，受限于屏幕尺寸和主機性能，畫面設計盡量簡潔易用，圖5為觸摸屏自動控制界面圖，倉庫綠色表示空倉，紅色則為滿倉，程序流程和圖4內容相似，但控制功能中減少了仿真模塊和智能存儲模塊[11-12]。

圖5 觸摸屏控制主界面

4.3 PLC程序

PLC程序一共分為六部分，其中主程序負責數據初始化并將機械手自動回復到原點位置，其余5個子程序分別為自動倉庫定位、手動控制、倉取程序、倉存程序，控制策略圖如圖6所示。急停處理為中斷處理程序，當按下控制面板的急停按鈕或執行機構在運動中遇到邏輯判斷條件沖突的時候都會觸發急停程序[13]。手動控制程序是針對控制柜上的自帶矩陣鍵盤編寫的，可手動控制執行機構的所有功能。倉存和倉取程序是機械手到達指定倉位后，執行對貨物存或取的功能。相對于手動控制程序，自動倉庫定位程序是根據上位機發出指令，實現機械手單次或連續多次對不同倉位內的貨物存取功能，它是整個PLC教學編程序中的難點，通常單個物料的完整操作指令都涉及以下2個內容：①物料移動的初始位置和目標位置；②對氣動機械手動作是“抓”還是“取”。多個物料的連續存取功能則將上述內容①和內容②放入堆棧，利用西門子S7-200中表指令的AD_T_TBL建立隊列并分配空間，用FIFO指令將對應物料的動作命令按先進先出的次序釋放并執行[14-15]。

圖6 PLC程序控制策略圖

5 教學實驗

系統設計初衷是將我校現有的若干個分散的實驗設備進行整合，并將工廠生產設備微縮成適應教學和培訓的實驗性設備，實驗平臺集電動、氣動于一體，內容涉及了組態軟件、工業控制網絡總線、PLC、觸摸屏、變頻器、氣動元件、交直流電機調速、傳感器等多方面知識，解決了以往教學中無法將分散知識點整合和缺乏控制對象的缺點，學生通過學習可掌握不同器件的特點、組成、工作原理以及控制方法，從而熟悉各種電器的連接和綜合控制方法[16]。

經過教學實踐 在系統上可實現基礎性和綜合性的設計性項目16個，一般學生利用3周完成1個綜合實訓任務，項目可按專業或學生能力層次分組開展教學活動，要求學生必須按照電氣基礎實驗—通訊實驗—綜合控制實驗-設計性實驗4個步驟依次完成教學設計目標，以上設計完成后進行演示性實驗。

(1) 電氣基礎實驗。涵蓋了PLC的硬件接線、氣路調試、傳感器的安裝與調試、變頻器和交流電機的變頻調速控制、直流電機控制和制動。

(2) 通訊實驗。包含PLC對變頻器的模擬量控制、PLC和變頻器的總線通訊、組態軟件和PLC的通訊控制、觸摸屏和PLC的通訊控制、組態軟件和變頻器的總線通訊。

(3) 綜合控制實驗。包括機械臂的運動控制實驗、機械手的抓取實驗、智能倉儲實驗。

(4) 設計性實驗。包括基于MCGS觸摸屏和西門子/三菱PLC的自動倉儲系統實驗，基于Web ACCESS的三菱/西門子PLC自動倉儲系統實驗。

(5) 演示性實驗。包括自動分揀倉儲系統綜合運行演示。

6 結 語

自動倉儲實驗平臺已在廣西機電職業技術學院和兄弟院校投入使用，經過一年多教學應用，反饋良好。該平臺將功能各異的零散實驗設備加以重組和二次開發，提高了設備的使用率。以此為契機，學校的教學設備開始從成套引進向整合利用過渡，從單純的設備使用向自主研發的轉變；學生通過實驗平臺的學習，可以將各學科分散零亂的知識理清脈絡，找到學科之間的承接點，極大地提高了對多學科知識的綜合應用能力和實踐能力。

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An Automatic Warehouse Experiment Platform Based on Dual-control System

FENGDao-ning1，2，SONGRui-juan2

(1.Department of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210018, China;2.Guangxi Vocational College of Mechanical and Electrical Technology, Nanning 530007, China)

According to the requirements of teaching and training, an automatic warehousing platform for experiment and demonstration is developed. The platform integrates electric, machinery, pneumatic, touch screen, simulation and computer communication technology. The platform applies Mitsubishi and Siemens PLC as control core, goods are fetched by robotic arm which has 4 degrees of freedom. The characters are dual-control, online simulation and artificial intelligent storage. The hardware design, working process and logical control process, as well as many other aspects are all introduced in the article. Finally teaching steps of the experiment platform are showed.

automatic warehouse; dual-control system; intelligent storage; PLC; experimental platform

2015-08-14

2013年度廣西高等教育教學改革工程項目(2013JGA331)

馮道寧(1978-)，男，壯族，廣西合浦人，碩士，副教授，從事電氣自動化產品研究和開發。

Tel.：18677166286； E-mail:fdn1978@126.com

TP 277

A

1006-7167(2016)02-0070-04