鹿有杰 任有志 胡濤

(河北科技大學機械工程學院 河北石家莊 050018)

第四次工業(yè)革命之后，智能化成為各個領域努力的方向和追求的目標，工業(yè)領域尤為明顯，智能化制造車間的建造就是重要體現(xiàn)之一。智能化車間不僅可以避免因人為因素帶來的誤差，還是現(xiàn)代裝備制造業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要途徑，而自動化立體倉庫是智能化制造車間任務連接的重要的組成部分和關鍵環(huán)節(jié)。

自動化立體倉庫管理系統(tǒng)是體現(xiàn)立體倉庫“智能化”的重要環(huán)節(jié)之一。在傳統(tǒng)的立體倉庫中每當有貨物存入或者取出時，需要庫管員手動記錄貨物以及倉位的相關信息，然后再進行出入庫操作，這極大地增加了因人為因素導致的失誤，同時也增加工人的工作量；在同類的立體倉庫管理系統(tǒng)中，大部分采用C#作為開發(fā)平臺，這導致系統(tǒng)的研發(fā)周期長、開發(fā)過程復雜同時對開發(fā)人員有較高的要求[1]?；谶@種情況，研究選用三維力控組態(tài)軟件結合微軟自帶的Access數(shù)據(jù)庫并以PLC 為控制器的方式，設計開發(fā)全新的自動化立體倉庫信息管理系統(tǒng)，經(jīng)過模擬仿真證明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)出入庫貨物信息的輸入、查詢、監(jiān)控等功能，減少了工人勞動強度，有效提高了貨物運輸效率。

1 自動化立體倉庫系統(tǒng)的構成

1.1 立體倉庫的硬件結構

根據(jù)圖1 可知，實驗用的立體倉庫模型由左右兩排貨架組成，每排貨架是10列8行，貨架之間是堆垛機的巷道，堆垛機在巷道上可在X、Y、Z這3 個方向上自由移動，實現(xiàn)對貨架上任意倉位的存取操作。貨物的輸入端和輸出端由AGV無人自動導引小車實現(xiàn)，機械臂作為連接無人小車和堆垛機的橋梁，將待出庫的貨物送到AGV小車上，同時將待入庫的貨物從小車上運輸?shù)蕉讯鈾C上。

圖1 立體倉庫結構示意圖

1.2 管理系統(tǒng)的組織結構

倉庫信息管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心部分，應該具備以下基本功能，即系統(tǒng)信息、出入庫操作、查詢管理、信息統(tǒng)計、幫助。系統(tǒng)信息功能主要是對整個管理系統(tǒng)基本信息的管理，包括登錄系統(tǒng)人員的信息管理以及在貨物進行入庫操作之前，提前輸入貨物的名稱、重量、材料等相關信息的管理等；出入庫操作主要的功能是為貨物選擇最優(yōu)的存儲方案，實現(xiàn)該功能需配合PLC完成，系統(tǒng)收到入庫申請時，作為控制器的PLC進行快速運算，規(guī)劃出最佳的路線方案，堆垛機依據(jù)方案對貨物進行出入庫操作；查詢功能主要是為庫管員提供查詢工具，可以實現(xiàn)對每個倉位的存儲狀態(tài)的監(jiān)控，也可以查詢具體某個貨倉已存儲貨物的所有信息；信息統(tǒng)計功能主要是將貨物的出入庫的信息自動生成日志信息供庫管員隨時調(diào)用查看，同時作為管理系統(tǒng)自學習的數(shù)據(jù)資料；幫助的功能主要是關于該管理系統(tǒng)的基本介紹[2]。主要的組織結構圖如圖2所示。

圖2 組織結構圖

1.3 管理系統(tǒng)總體設計

北京三維力控公司開發(fā)的Force control v7.1 組態(tài)軟件操作簡單、功能強大，內(nèi)置很多組件、控件，可實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的連接和交換，還有很多模型可供選擇，所以信息管理系統(tǒng)擬采用該軟件開發(fā)人機交互界面，要求界面既可以作為控制器的上位機又可以實現(xiàn)立體倉庫信息的管理。

自動化立體倉庫的倉位多，每個需要被存儲的貨物又有若干屬性信息，還需要對登錄信息、貨物信息、出入庫記錄等信息進行匯總、統(tǒng)計[3]。這就要求管理系統(tǒng)需要快速處理成千上萬條信息，如果單使用組態(tài)軟件存儲這些信息，需要占用大量的中間變量，導致信息存儲和查詢的速度變慢。微軟辦公軟件自帶的Access 數(shù)據(jù)庫作為專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以實現(xiàn)對數(shù)量龐大貨物信息的快速處理工作，通過在組態(tài)軟件中編寫程序的方法，可以實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問、修改，滿足使用要求。

立體倉庫信息管理系統(tǒng)還需要與控制器配合實現(xiàn)對堆垛機的運動控制。PLC最為工業(yè)中最常用的控制器，具有功能豐富的集中、通信能力極強、成本較低的特點，并且可按照用戶編寫的邏輯程序執(zhí)行相應的動作，所以選擇使用西門子200SmartPLC作為控制器。

2 管理系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵問題

2.1 管理系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)設計

系統(tǒng)監(jiān)控部分主要實現(xiàn)的功能是首次運行系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、打開，并將數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)；提供給用戶待入庫貨物信息的輸入對話框以及對已入庫貨物信息檢索的輸出顯示框；在手動模式下，設置了供管理人員對數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息進行插入、刪除等操作以及手動對貨物進行入庫、出庫操作的按鈕；可以實時監(jiān)控每一個貨位的存儲狀態(tài)；接收管理系統(tǒng)發(fā)送的命令和反饋信息并直接控制下位機完成動作[4]。

采用Force control v7.1 組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。軟件提供了豐富的組件，可以與多種數(shù)據(jù)庫進行鏈接訪問，支持多種通信協(xié)議，可與西門子、歐姆龍等多種控制器進行數(shù)據(jù)交換，并且軟件中也提供了C 語言腳本編輯器，供開發(fā)人員完成復雜控制要求。

選擇西門子200smartPLC 作為系統(tǒng)的控制單元。其中需要控制的設備主要有堆垛機、機械臂、AGV小車。

具體工作流程程是：AGV小車載貨到位→入庫申請→系統(tǒng)的管理層發(fā)出入庫指令→啟動機械臂→堆垛機載貨到空倉位→堆垛機返回原點。出庫與入庫的過程相似。

2.2 編程完成數(shù)據(jù)庫鏈接

Microsoft Office Access 是微軟公司開發(fā)設計的一套關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有強大的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析的能力，同時access 數(shù)據(jù)庫還為用戶提供便于查詢的工具，可以方便快捷實現(xiàn)各種匯總、平均等統(tǒng)計操作，也可以用數(shù)據(jù)庫開發(fā)各種數(shù)據(jù)管理類軟件[5]。

人機交互界面需要配合Access數(shù)據(jù)庫才能實現(xiàn)信息的快速存儲。首先按照要求創(chuàng)建一個空的Access數(shù)據(jù)庫，選擇使用組態(tài)軟件中后臺組件中的ADO 組件，按照提示對組件進行相關配置，完成后實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的鏈接，完成連接后，點擊“測試”按鈕后會提示“測試連接成功”。

完成組態(tài)軟件與外部數(shù)據(jù)庫的連接后，需通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)人機界面對外部數(shù)據(jù)庫的訪問。如圖3左上角所示，這些程序主要實現(xiàn)的功能是用鼠標點擊該按鈕時，將輸入對話框中的信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。圖3右上角所示的程序主要實現(xiàn)通過點擊鼠標刪除一條已經(jīng)查詢到的信息，需配合出庫功能使用。圖3 左下角所示的程序可以實現(xiàn)查找某貨位號的貨位里存在的貨物信息并顯示在輸出框當中，圖3 右下角所示的程序可以實現(xiàn)當某一貨位中存入貨物時右邊矩形框內(nèi)對應貨位會顯示紅色否則顯示黃色。

圖3 程序控制

2.3 最優(yōu)路徑規(guī)劃

在倉庫管理系統(tǒng)中，當管理員發(fā)出入庫指令時，堆垛機需要用最短的時間把貨物放到合適的倉位中，這就要求管理系統(tǒng)在收到入庫申請的時候為每一個貨物規(guī)劃一條最優(yōu)的路徑，同時系統(tǒng)應該具有自處理功能，如果出現(xiàn)貨物在倉庫中長時間放置沒有使用的情況，系統(tǒng)會自動將貨物放置到距堆垛機較遠的貨倉中，可極大的提高貨物運輸效率，按照要求對PLC 控制器編寫邏輯程序可以實現(xiàn)[6]。

根據(jù)系統(tǒng)需要，貨物需要入庫時，控制器首先需要是判斷某倉位是否有貨，進而決定是否將貨物放到該貨位中。使用PLC 中的位操作表示倉位的存儲狀態(tài)，若某一貨位存入貨物則將表示該貨位狀態(tài)位置位，若取出貨物則對狀態(tài)位復位操作，當系統(tǒng)收到入庫申請時，控制器需要對貨位的狀態(tài)位進行逐一掃描，直到找到空位為止。系統(tǒng)還會自動記錄每一個貨倉的使用次數(shù)、貨物的儲存時間，如果有貨物超過設定時間沒有使用，控制器會將貨物移動到倉庫的的最遠端，提高了距離倉庫入口較近貨位的使用率，也提高系統(tǒng)的運輸效率。

3 運行與仿真

采用虛實結合的技術對管理系統(tǒng)進行模擬仿真。用組態(tài)軟件結合虛擬仿真軟件以及西門子編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9，可以模擬真實立體倉庫的動作。其中使用虛擬仿真軟件按照真實倉庫結構建模型并設置接口，用西門子smart200 PLC 編寫自動化立體倉庫控制梯形圖，下載到真實PLC中，實現(xiàn)對虛擬模型的運動控制，使用力控組態(tài)軟件既作為控制器的上位機又可以實現(xiàn)對立體倉信息的管理。聯(lián)合模擬仿真過程如圖4所示。

圖4 運行與仿真

4 結語

基于組態(tài)軟件開發(fā)的自動化立體倉庫管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期功能，符合工廠“智能化”理念，相比于傳統(tǒng)人工登記的立體倉庫，該系統(tǒng)可以大大提高工作效率，也節(jié)省了大量人力、物力成本。相比于同類產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有程序響應速度較快、存儲空間可無限拓展、開發(fā)周期較短、功能強大并且開發(fā)成本較低等一系列優(yōu)點，但是仍有可改進的地方，下一步可以將二維碼技術應用在該存儲系統(tǒng)中，可進一步解放人工，提高效率。