金浙良

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

自動化立體倉庫工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計

金浙良

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

自動化立體倉庫由立體貨架、有軌巷道堆垛機、出入庫輸送系統(tǒng)等組成，可以實時監(jiān)控倉庫狀態(tài)，按需入庫、出庫，有效節(jié)省勞動力，提高物流效率。隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，立體倉庫的使用越來越廣泛，已經(jīng)成為“工業(yè)4.0”中的重要環(huán)節(jié)。采用現(xiàn)代工控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一套立體倉庫控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動入庫、自動出庫、倉庫查詢等功能。控制系統(tǒng)主要包括上位機、服務(wù)器、主機、堆垛機、操作站和流水線等。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)分為現(xiàn)場層、控制層、管理層3層網(wǎng)絡(luò)，并選擇CC-Link網(wǎng)絡(luò)作為控制層網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)作為管理網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：3種控制模式的設(shè)計，主站、從站的通信數(shù)據(jù)分配及程序設(shè)計，自動入庫、自動出庫程序設(shè)計，堆垛機控制程序設(shè)計，觸摸屏界面設(shè)計等。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，所設(shè)計的立體倉庫能較好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求，效果良好。

工業(yè)4.0; 自動化； 立體倉庫； 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)； 控制系統(tǒng)； 堆垛機； PLC； 組態(tài)技術(shù)

0 引言

國內(nèi)外研究表明，在生產(chǎn)過程中僅有5%的時間用于產(chǎn)品的加工制造，其余時間都用于產(chǎn)品的存儲、運輸、檢測，所以解決企業(yè)生產(chǎn)過程中的存儲和運輸問題，可以節(jié)約成本40%左右[1]。自動化立體倉庫是物流技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，可以實時監(jiān)控倉庫狀態(tài)，有效銜接需求定制、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策。隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，智能化、集成化、信息化的自動化立體倉庫將得到越來越廣泛的使用[2]。

立體倉庫的硬件系統(tǒng)由立體貨架、有軌巷道堆垛機、出入庫輸送系統(tǒng)等組成；信息系統(tǒng)由通信系統(tǒng)、條形碼管理系統(tǒng)、計算機管理系統(tǒng)等組成[3]。自動化立體倉庫可以按照入庫/出庫的既定規(guī)則，自動實現(xiàn)貨物的搬運、存儲和管理，既可以節(jié)省勞動力，又可以提高物流效率。

1 立體倉庫布局

立體倉庫采用雙深度的貨架布局模式。倉庫分為4個巷道，分別由4臺堆垛機控制。每個巷道包括2排貨架，每排貨架有8列、6層，共48個倉位。整個立體倉庫共有384個倉位。每個巷道設(shè)有1個入庫緩沖區(qū)，用于緩存環(huán)形流水線傳送過來的貨物；1個出庫緩沖區(qū)，用于緩存堆垛機取出的貨物。堆垛機采用鏈式軌道結(jié)構(gòu)，可進行上下、前后、伸縮、夾緊松開4個自由度的控制。立體倉庫設(shè)置4個操作臺，用于貨物的存入和提取操作[4]。

立體倉庫布局如圖1所示。

圖1 立體倉庫布局圖

倉庫中，每個貨架上的倉位都采用3級編碼的方式，即貨架編號-行編號-列編號。貨架編號為0#～7#，其中2個貨架對應(yīng)1個堆垛機；行編號為貨架的層數(shù)，為0#～5#；列編號是貨架的列數(shù)，為0#～7#。

倉庫的倉位編碼如表1所示，0#貨架的倉位編號如表2所示，其他倉庫類似。

表1 倉位編碼表

表2 0#貨架倉位編號表

2 硬件設(shè)計與選型

自動化立體倉庫的控制系統(tǒng)由現(xiàn)場層、控制層、管理層3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成[5]?，F(xiàn)場層由堆垛機、操作臺、流水線控制以及現(xiàn)場的觸摸屏、各種檢測信號、驅(qū)動元件等構(gòu)成，用于貨物的入庫、出庫、掃碼、運輸?shù)牟僮?。控制層主要由CC-Link網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[6]，主要部件包括主站控制器、1#～4#堆垛機控制器、1#～4#操作站控制器、流水線控制器，用于立體倉庫的入庫/出庫操作。管理層主要由工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[7]，主要部件包括上位機、服務(wù)器、APP手機控制端等，用于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)、遠程操作、APP手機服務(wù)等功能。

根據(jù)立體倉庫控制系統(tǒng)，選擇合適的控制器件，主要包括上位機、主控制器、遠程控制器、堆垛機控制系統(tǒng)、變頻器和伺服電機等。上位機主要完成貨物的入庫、出庫的操作，信息管理與統(tǒng)計，倉位信息統(tǒng)計，單個倉位貨物信息管理與統(tǒng)計。主控制器采用三菱Q系列PLC進行控制，遠程控制器采用三菱FX3U系列PLC。堆垛機控制系統(tǒng)主要包括水平、垂直、前后3個方向的控制，水平位置由變頻器進行控制，垂直位置和前后位置均由伺服電機進行控制[8]。

硬件選型表如表3所示。

表3 硬件選型表

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1立體倉庫的控制要求

自動化立體倉庫具有3種運行模式：單機測試模式、自動入庫/出庫模式、聯(lián)機運行模式。控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)以下功能。

①單機測試模式：堆垛機可以實現(xiàn)貨物的抓取與放下，以及在水平、垂直、伸縮方向上的運動測試；操作臺可以實現(xiàn)入庫/出庫選擇，掃碼操作，傳輸測試；流水線可以實現(xiàn)啟停、速度控制、出庫/入庫緩沖器推桿測試。單站測試由各設(shè)備上的觸摸屏單獨控制。

②自動入庫/出庫模式：用戶在操作臺的觸摸屏上，輸入入庫或出庫操作、倉庫貨位號、運行速度，流水線自動運行，堆垛機自動實現(xiàn)貨物的入庫或出庫操作，并通過觸摸屏實時監(jiān)控。

③聯(lián)機運行模式：根據(jù)主站或上位機的控制信息，控制系統(tǒng)自動進行貨位選擇、路徑規(guī)劃、入庫/出庫操作，并能實時監(jiān)控操作過程。

3.2主站通信程序設(shè)計

主站采用Q02CPU，通信方式采用CC-Link、QJ61BT11N擴展模塊。主站通過軟件設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并設(shè)定自動刷新。主站信息可以通過觸摸屏實現(xiàn)監(jiān)控。主站分配9個從站的地址，每個從站占據(jù)2個站地址，其中堆垛機為1#、3#、5#、7#，操作臺為9#、11#、13#、15#，流水線為17#。以1#站(1#堆垛機)為例，主站分配了X100-X13F、Y100-Y13F作為1#站的遠程輸入/輸出映像空間；D1000-D1007、D2000-D2007作為1#站的遠程寄存器讀出、寫入映像空間。

主站CC-Link通信表如表4所示。

表4 主站CC-Link通信表

3.3從站通信程序設(shè)計

從站采用PLC控制器與FX2N-32CCL組成的CC-Link通信網(wǎng)絡(luò)。32CCL的模塊內(nèi)部有0#～31#共計32個緩存存儲器。其中：0#～7#為對應(yīng)的遠程輸入/輸出地址，8#～23#為對應(yīng)的遠程寄存器地址，24#～31#為相應(yīng)控制功能。32CCL與PLC數(shù)據(jù)交換由FROM、TO指令實現(xiàn)。從站CC-Link通信程序如圖2所示。當聯(lián)機按鈕X003接通時，執(zhí)行通信程序；當X003斷開時，清除通信信息。

圖2 從站CC-Link通信程序圖

因為堆垛機、操作站、流水線的各個從站都采用相同的通信程序，所以各從站的通信表都相同。從站CC-Link通信表如表5所示。其中：M500-M563、D200-D207為主站給從站的信號，M600-M663、D220-D227為從站給主站的信號。

表5 從站CC-Link通信表

3.4入庫操作程序設(shè)計

當立體倉庫需要進行入庫操作時，可以在1#～4#操作臺上進行操作，操作員選擇操作模式，對入庫貨物進行條碼掃描，確認貨物信息。根據(jù)貨物的類型信息，系統(tǒng)自動分配相同類型下的空余倉位，按序號排列；若沒有空余倉位，系統(tǒng)等待，觸摸屏報警提示。自動分配倉位后，操作員確認入庫，流水線啟動，輸送貨物到相應(yīng)的堆垛機入庫緩沖區(qū)；貨物到位后，堆垛機啟動，對貨物進行入庫操作。貨物到位后，堆垛機復(fù)位返回原點，到達原點后本次入庫操作結(jié)束，反饋上位機，更新庫存信息，等待下次操作。

入庫操作流程如圖3所示。

圖3 入庫操作流程圖

3.5出庫操作程序設(shè)計

出庫操作流程如圖4所示。

圖4 出庫操作流程圖

操作員先輸入出庫貨物信息，系統(tǒng)自動查詢倉庫是否有貨物。若沒有貨物，操作臺觸摸屏報警提示；若有貨物，提示操作員是否確認出庫。操作員確認出庫后，在堆垛機空閑情況下，堆垛機抓取貨物到出庫緩沖區(qū)，進行出庫操作。貨物到出庫緩沖區(qū)后，流水線啟動傳輸，傳輸貨物到操作臺；貨物到操作臺后，出庫結(jié)束，系統(tǒng)反饋上位機，更新庫存信息，等待下一次操作。

3.6堆垛機程序設(shè)計

與倉庫的控制要求一致，堆垛機有單機測試、自動、聯(lián)機3種工作方式，入庫、出庫2種操作過程。這5種動作流程分別對應(yīng)5個子程序，即單機測試、自動入庫、自動出庫、聯(lián)機入庫、聯(lián)機出庫程序。

堆垛機動作流程如圖5所示[9]。

圖5 堆垛機動作流程圖

系統(tǒng)首先進行初始化，判斷堆垛機是否存在故障或急停按鈕是否按下。若有，系統(tǒng)產(chǎn)生報警；若無，則在堆垛機空閑的情況下，按照要求進行5種動作操作。

3.7觸摸屏畫面設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，利用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)相應(yīng)的觸摸屏界面[10]。以主站觸摸屏的設(shè)計為例，其他模塊的觸摸屏設(shè)計與主站類似。主站觸摸屏設(shè)計了以下3個界面。

①模式選擇界面。通過觸摸屏，可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式：單機模式、自動模式、聯(lián)機模式。單機模式為所有模塊單獨工作；自動模式為操作站、流水線、堆垛機共同工作；聯(lián)機模式為上位機、服務(wù)器、主機、操作站、流水線、堆垛機共同工作。當設(shè)定某種工作方式時，模式選擇界面自動獲取相應(yīng)的聯(lián)機信號。

②倉位查詢界面。通過界面的貨架選擇，點擊相應(yīng)編號的貨架，可以查詢該倉位的貨物信息，包括倉位編號、貨物編號、貨物類別、貨物性質(zhì)、入庫時間、操作員等。若倉位沒有貨物，則顯示的信息為空白信息。

③聯(lián)機運行監(jiān)控界面。通過該界面，可以進行入庫操作或出庫操作，并相應(yīng)地顯示當前操作的動作流程。完成的動作以綠色顯示，當前動作以綠閃1s顯示，未完成動作以白色顯示。監(jiān)控界面還可以顯示入庫狀態(tài)，運行、掃碼、流水線、入庫緩沖區(qū)、堆垛機運行、堆垛機原點信號，以及倉位編號、貨物編碼、貨物類別、貨物性質(zhì)等信息。

4 系統(tǒng)運行調(diào)試

系統(tǒng)的運行調(diào)試，主要是調(diào)試各個工作模塊是否聯(lián)網(wǎng)工作，各個單元的控制要求是否符合立體倉庫的控制要求，以及觸摸屏的顯示是否符合操作要求。

整機聯(lián)網(wǎng)調(diào)試：打開各個工作單元工作電源，主站模式選擇界面，設(shè)定模式為聯(lián)機模式，觀察聯(lián)機信號，若所有聯(lián)機信號指示燈顯示，則聯(lián)網(wǎng)成功。

各單元單機測試：包括堆垛機的水平、垂直、伸縮的運行測試，操作臺的掃碼、入庫、出庫操作測試，流水線的運行、速度控制、出庫緩沖區(qū)、入庫緩沖區(qū)推桿操作測試；如所有測試成功，則單站調(diào)試成功。

自動功能調(diào)試：自動入庫測試，用戶在操作臺上對貨物掃碼，由系統(tǒng)進行入庫操作，堆垛機準確地把貨物放入倉位；自動出庫測試，用戶在操作臺上輸入貨物選擇信息，系統(tǒng)進行出庫操作，堆垛機準確取出貨物，并輸送到操作臺上；兩者測試成功，則自動功能調(diào)試成功。

聯(lián)機模式調(diào)試：系統(tǒng)切換到聯(lián)機模式，按下入庫操作自動運行入庫操作，按下出庫操作自動進行出庫操作，并在上位機、服務(wù)器上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；在主站觸摸屏上能進行倉位信息的查詢；調(diào)試成功，則聯(lián)機功能有效。

5 結(jié)束語

本文主要利用現(xiàn)代工控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計立體倉庫系統(tǒng)。立體倉庫控制系統(tǒng)由上位機、服務(wù)器、主機、堆垛機、操作站和流水線等獨立模塊構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的硬件設(shè)計分為現(xiàn)場層、控制層、管理層3層網(wǎng)絡(luò)，以及設(shè)備的硬件選型。選擇CC-Link網(wǎng)絡(luò)作為控制網(wǎng)絡(luò)，并以工業(yè)以太網(wǎng)作為管理層網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分單機測試、自動、聯(lián)機3種控制模式，包括了主站、從站的通信數(shù)據(jù)分配及程序，入庫操作、出庫操作、堆垛機控制程序，并根據(jù)控制要求設(shè)計了觸摸屏界面。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，該立體倉庫能很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求，應(yīng)用效果良好。

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DesignoftheIndustrialNetworkControlSystemforAutomated3DWarehouse

JIN Zheliang

(College of Electrical and Electronic Engineering,Zhejiang Industry Polytechnic College,Shaoxing312000,China)

The automated3D warehouse consists of dimensional shelves,rail roadway stacker and warehousing in and out transfer system; warehouse status can be monitored in real time,and warehousing in or out can be accomplished according to the requirements,which effectively saves the labor and improves the efficiency of logistics.In recent years,with the development and progress of technology,3D warehouses have been widely used,and become an important part of “Industrial4.0”.By using modern industrial control network technology,the3D warehouse control system is designed,which offers functions of automatic warehousing in and out,and warehouse information enquiring.The control system mainly consists of the host computer,server,stacker,operation station and productive lines,etc.The industrial control network is divided into three layers: site layer,control layer and management layer;control layer uses CC-Link,and management layer uses Ethernet.The control system software design mainly includes: the design of the three control modes,communication data distribution program of host station and slave station,the design of automatic warehousing in and out,stacker control program design,and touch screen interface design,etc.After debugging,it is shown that the3D warehouse designed meets the requirements of industrial sites well with excellent effects.

Industry4.0; Automaion;3D warehouse； Industrial network； Control system； Stacker； PLC； Configuration technology

TH246；TP273

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710014

修改稿收到日期:2017-04-15

2015年紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項目(801804110620616002)

金浙良(1983—)，男，碩士，講師，主要從事自動化系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)和研究工作。E-mailjinzheliang@zjipc.cn。