智能立體倉儲(chǔ)設(shè)備WCS系統(tǒng)研發(fā)

俞嘉煒+張鳳登

摘 要：傳統(tǒng)倉庫主要依據(jù)人工裝卸管理作業(yè)，特別是對(duì)于一些大型物資，不僅浪費(fèi)大量的人力、物力，工作效率低，還具有較大的安全隱患。自動(dòng)化立體倉庫的研發(fā)制造和投入使用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)倉庫的不足。現(xiàn)以自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析其工作原理，結(jié)合計(jì)算機(jī)、可編程控制器和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7-300PLC的自動(dòng)化立體倉庫控制方案，利用PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)立體倉庫控制系統(tǒng)及上位機(jī)與下位控制系統(tǒng)間的通信。另外，為了監(jiān)控和管理立體倉庫的運(yùn)行狀態(tài)，通過在VB.NET環(huán)境下實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，主要以手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式控制。最終達(dá)到立體倉庫智能化信息管理的基本要求，不僅操作方便、節(jié)省空間，而且能有效降低成本、提高生產(chǎn)效率、增加經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化立體倉庫；堆垛機(jī)；PROFIBUS-DP；PLC；VB.NET

DOIDOI：10.11907/rjdk.173089

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0143-04

0 引言

立體倉庫一詞起源于“高層貨架”，通常是指采用幾層、十幾層高的貨架存儲(chǔ)單元貨物，隨著時(shí)代的發(fā)展，起重、裝卸、運(yùn)輸機(jī)械和設(shè)備更廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)[1]。到20世紀(jì)70年代末，“自動(dòng)化孤島”需要集成，促進(jìn)了集成化系統(tǒng)、集成化倉庫技術(shù)的發(fā)展[2]。自動(dòng)化立體倉庫是目前高水平物流生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，具有節(jié)省空間、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種大型倉儲(chǔ)環(huán)境中。1959年，美國(guó)率先建成世界上第一個(gè)立體倉庫，并于1963年結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)控制管理立體倉庫。1970年后，發(fā)達(dá)國(guó)家在各大城市紛紛建立了大型自動(dòng)化立體倉庫[3]。中國(guó)自動(dòng)化立體倉庫的發(fā)展相對(duì)較晚和緩慢，1974年鄭州紡織機(jī)械廠建成我國(guó)第一座自動(dòng)化立體倉庫，至1980年我國(guó)已經(jīng)建成21座自動(dòng)化立體倉庫。本次設(shè)計(jì)通過了解自動(dòng)化立體倉庫研究現(xiàn)狀，熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，根據(jù)自動(dòng)化立體倉庫出入庫原則和特點(diǎn)，規(guī)劃自動(dòng)化立體倉庫結(jié)構(gòu)和WCS系統(tǒng)功能模塊，設(shè)計(jì)一套基于西門子S7-300PLC的自動(dòng)化立體倉庫控制方案，并用VB.NET設(shè)計(jì)上位機(jī)WCS系統(tǒng)，與相關(guān)運(yùn)輸設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)立體倉庫的智能化信息管理。

1 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)化立體倉庫的組成

自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）指的是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理和控制，完成出入庫作業(yè)任務(wù)的倉庫。基本構(gòu)成包括貨架、巷道式堆垛機(jī)、出入庫臺(tái)、輸送系統(tǒng)、管理和控制系統(tǒng)等[4]。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，分為管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層。由本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過以太網(wǎng)的形式組合構(gòu)成了WCS的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)計(jì)算機(jī)可以通過操作本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相互交換信息。本地計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）通過PROFIBUS-DP通訊接口實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)、輸送系統(tǒng)等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備的控制[5]。

堆垛機(jī)（見圖2）是自動(dòng)化立體倉庫硬件組成的核心部分，它負(fù)責(zé)完成貨物的出入庫作業(yè)任務(wù)。通常包括水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、安全報(bào)警系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，連接上位機(jī)監(jiān)控管理堆垛機(jī)狀態(tài)[6]。堆垛機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)S7-300PLC作為控制系統(tǒng)，并通過DDLS200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與輸送系統(tǒng)紅外數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同工作。

1.2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊

作為國(guó)際性、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)PROFBUS一般用于對(duì)時(shí)間要求苛求的高速數(shù)據(jù)傳輸與大范圍復(fù)雜數(shù)據(jù)通訊。PROFIBUS分為3種通信協(xié)議：DP、PA和FMS[7]。

PROFIBUS-DP系統(tǒng)中的PLC（DP主站）與分布式I/O（DP從站）之間采用輪循通訊方式，可在DP主站與DP從站之間進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)交換[8]。主站在PROFIBUS協(xié)議中被指定為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)管理總線上的數(shù)據(jù)傳送。只要主站擁有訪問總線權(quán)限的令牌，則無需被請(qǐng)求即可發(fā)送消息。DP從站是I/O設(shè)備，如執(zhí)行器、傳感器、變頻器等。從站在PROFIBUS協(xié)議中被指定為被動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它們不接受令牌，只將收到的消息向主站應(yīng)答或根據(jù)要求向主站發(fā)送消息或數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中為保證PC與PLC之間PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性，使用性能較高的CP5613 A2通信板卡。

2 基于VB.NET的OPC應(yīng)用程序開發(fā)

2.1 OPC技術(shù)

目前，大多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集程序，用戶可以進(jìn)行配置。基于COM技術(shù)的OPC標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化接口，實(shí)現(xiàn)了OPC服務(wù)器與OPC應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換[9]。包括Siemens、GE、ABB等國(guó)外知名廠商已經(jīng)支持OPC技術(shù)。OPC對(duì)象具有分層結(jié)構(gòu)，OPC服務(wù)器對(duì)象由OPC組集合對(duì)象、OPC組對(duì)象、OPC項(xiàng)集合對(duì)象、OPC項(xiàng)對(duì)象組成，有的OPC服務(wù)器對(duì)象還包含OPC瀏覽器對(duì)象，如圖3所示。

2.2 OPC應(yīng)用程序開發(fā)

（1）OPC服務(wù)器對(duì)象OPCServer提供連接數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)的讀寫，所以在建立OPC服務(wù)器之后建立OPC組集合、OPC標(biāo)簽，然后使用OPC數(shù)據(jù)訪問自動(dòng)化接口的“Connect”方法與數(shù)據(jù)源連接。

（2）OPC組集合對(duì)象OPCGroups是OPC組的集合，可以添加、清除和管理OPC組。

（3）OPC組對(duì)象OPCGroup提供OPC應(yīng)用程序要求的數(shù)據(jù)訪問手段。

（4）OPC標(biāo)簽對(duì)象OPCItem表示與OPC服務(wù)器內(nèi)某個(gè)數(shù)據(jù)連接。各個(gè)OPC標(biāo)簽包含數(shù)據(jù)值Value、質(zhì)量標(biāo)志Quality以及采樣時(shí)間TimeStamp。

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需要使用OPC服務(wù)器、OPC組以及OPC標(biāo)簽，具體來說，如圖4所示，先連接一個(gè)特定的OPC服務(wù)器，然后建立OPC組，最后添加OPC標(biāo)簽。endprint

3 VB.NET與數(shù)據(jù)庫訪問

3.1 ADO.NET組件

在整個(gè)自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)庫的作用就是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和訪問。利用VB.NET中的ADO.NET組件連接數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)訪問。

ADO.NET包含兩個(gè)核心組件：DataSet和.NET Framework數(shù)據(jù)提供程序。其中.NET Framework數(shù)據(jù)提供程序包括的對(duì)象為Connection、Command、DataReader和DataAdapter。

DataSet包含有一個(gè)集合，集合中的每個(gè)對(duì)象為DataTable，表示一個(gè)數(shù)據(jù)表。DataTable對(duì)象內(nèi)包含了數(shù)據(jù)行DataRow和數(shù)據(jù)列DataColumn對(duì)象。

3.2 VB.NET與數(shù)據(jù)庫的連接及數(shù)據(jù)訪問

實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器SQL sever連接和數(shù)據(jù)訪問的步驟：①創(chuàng)建SqlConnection對(duì)象連接數(shù)據(jù)庫；②創(chuàng)建SqlCommand對(duì)象執(zhí)行SQL語句進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；③創(chuàng)建SqlAdapter對(duì)象更新數(shù)據(jù)庫；④用Fill方法將數(shù)據(jù)填充到DataSet中[10]。

4 WCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 基本作業(yè)流程

自動(dòng)化立體倉庫的基本作業(yè)分為入庫作業(yè)、出庫作業(yè)和轉(zhuǎn)庫作業(yè)。

（1）入庫作業(yè)流程。當(dāng)貨物單元入庫時(shí)，由1#進(jìn)料電機(jī)和1#輸送帶正轉(zhuǎn)將貨物送到巷道入口，堆垛機(jī)收到上位機(jī)WCS發(fā)送的入庫指令和目標(biāo)貨位坐標(biāo)，通過自動(dòng)尋址，將貨物存放到指定貨格。在完成入庫作業(yè)后，堆垛機(jī)立即向WCS反饋?zhàn)鳂I(yè)完成信息。

（2）出庫作業(yè)流程。當(dāng)目標(biāo)貨物單元將要出庫時(shí)，堆垛機(jī)收到上位機(jī)WCS發(fā)送的出庫指令和目標(biāo)貨位坐標(biāo)，通過自動(dòng)尋址，先到指定貨格取貨至巷道出口，若該貨格為空則發(fā)出警報(bào)。再由1#出料電機(jī)和2#輸送帶反轉(zhuǎn)將貨物送到出庫臺(tái)，在完成出庫作業(yè)后，堆垛機(jī)立即向WCS反饋?zhàn)鳂I(yè)完成信息。

（3）轉(zhuǎn)庫作業(yè)流程。堆垛機(jī)到指定地址將貨物取出，根據(jù)上位機(jī)WCS發(fā)送的轉(zhuǎn)庫指令和目標(biāo)貨位坐標(biāo)，通過自動(dòng)尋址，將貨物存放到目標(biāo)貨格。在完成轉(zhuǎn)庫作業(yè)后，堆垛機(jī)立即向WCS反饋?zhàn)鳂I(yè)完成信息。

4.2 功能模塊

根據(jù)需求分析，立體倉庫控制管理系統(tǒng)WCS應(yīng)由以下幾個(gè)模塊組成：用戶管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)運(yùn)行模塊、出/入庫管理模塊、綜合查詢模塊。

4.3 界面與程序設(shè)計(jì)

（1）用戶登錄模塊。主要負(fù)責(zé)用戶名和密碼的認(rèn)證，獲得系統(tǒng)的使用權(quán)限。在用戶獲得使用權(quán)限以后讀取系統(tǒng)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)庫連接和OPC服務(wù)器的初始化。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行模塊。自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)運(yùn)行分為兩種模式：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。

如圖5所示，在手動(dòng)模式下，用戶可以實(shí)時(shí)觀察自動(dòng)化立體倉庫輸送系統(tǒng)的各個(gè)傳感檢測(cè)情況，通過直接點(diǎn)擊界面上的按鈕控件就可以實(shí)現(xiàn)1#進(jìn)料電機(jī)、1#出料電機(jī)、1#輸送帶、2#輸送帶的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，1#氣缸、2#氣缸的上升和下壓，以及貨物的出入庫管理。

如圖6所示，在自動(dòng)模式下，用戶可以直接在表格控件上按Ctrl+鼠標(biāo)左鍵選中想出入庫的貨位，當(dāng)表格中的貨位為黃色即為選中。按Alt+鼠標(biāo)左鍵選中想轉(zhuǎn)庫的目標(biāo)貨位，當(dāng)表格中的貨位為橙色即為選中。

（3）出入庫管理模塊。如圖6右下界面所示，出入庫管理模塊負(fù)責(zé)貨物的出入庫管理工作。根據(jù)貨物出入庫的幾個(gè)原則，首先選中貨位向OPC服務(wù)器中的控制字節(jié)標(biāo)簽寫入值，再向堆垛機(jī)發(fā)送入庫作業(yè)指令。同理，可以選中貨位再向堆垛機(jī)發(fā)送出庫作業(yè)指令。

（4）數(shù)據(jù)庫管理模塊。如圖7所示，數(shù)據(jù)庫管理模塊主要負(fù)責(zé)用戶信息數(shù)據(jù)表，系統(tǒng)參數(shù)信息數(shù)據(jù)表，貨物庫存信息表的管理。

5 結(jié)語

自動(dòng)化立體倉庫的管理和控制系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容非常廣泛。在本文的基礎(chǔ)之上，未來可以在以下幾個(gè)方面開展深入研究：

（1）精確性。為了提高在實(shí)際運(yùn)行中堆垛機(jī)速度控制精度，采用變頻器與激光測(cè)距傳感器相結(jié)合的方式，并在閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入模糊控制器，使堆垛機(jī)和叉車快速準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。應(yīng)用模糊控制算法提高速度控制的精準(zhǔn)性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[11]。

（2）智能化。運(yùn)用RFID識(shí)別技術(shù)構(gòu)建商品信息采集管理系統(tǒng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)化。利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問本地?cái)?shù)據(jù)庫，運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)管理和控制自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)的運(yùn)行。

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