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)，特別是對于一些大型物資，不僅浪費大量的人力、物力，工作效率低，還具有較大的安全隱患。自動化立體倉庫的研發(fā)制造和投入使用可以彌補傳統(tǒng)倉庫的不足?，F(xiàn)以自動化立體倉庫系統(tǒng)為研究對象，分析其工作原理，結合計算機、可編程控制器和通信技術，設計了一套基于西門子S7-300PLC的自動化立體倉庫控制方案，利用PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)立體倉庫控制系統(tǒng)及上位機與下位控制系統(tǒng)間的通信。另外，為了監(jiān)控和管理立體倉庫的運行狀態(tài)，通過在VB.NET環(huán)境下實現(xiàn)上位機監(jiān)控程序設計，主要以手動和自動兩種方式控制。最終達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)濟效益。

關鍵詞：自動化立體倉庫；堆垛機；PROFIBUS-DP；PLC；VB.NET

DOIDOI：10.11907/rjdk.173089

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：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單元貨物，隨著時代的發(fā)展，起重、裝卸、運輸機械和設備更廣泛應用于物流運輸行業(yè)[1]。到20世紀70年代末，“自動化孤島”需要集成，促進了集成化系統(tǒng)、集成化倉庫技術的發(fā)展[2]。自動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，廣泛應用于各種大型倉儲環(huán)境中。1959年，美國率先建成世界上第一個立體倉庫，并于1963年結合計算機技術控制管理立體倉庫。1970年后，發(fā)達國家在各大城市紛紛建立了大型自動化立體倉庫[3]。中國自動化立體倉庫的發(fā)展相對較晚和緩慢，1974年鄭州紡織機械廠建成我國第一座自動化立體倉庫，至1980年我國已經(jīng)建成21座自動化立體倉庫。本次設計通過了解自動化立體倉庫研究現(xiàn)狀，熟悉產(chǎn)品設計流程，根據(jù)自動化立體倉庫出入庫原則和特點，規(guī)劃自動化立體倉庫結構和WCS系統(tǒng)功能模塊，設計一套基于西門子S7-300PLC的自動化立體倉庫控制方案，并用VB.NET設計上位機WCS系統(tǒng)，與相關運輸設備實時數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)立體倉庫的智能化信息管理。

1 自動化立體倉庫系統(tǒng)

1.1 自動化立體倉庫的組成

自動化立體倉庫系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）指的是利用計算機進行管理和控制，完成出入庫作業(yè)任務的倉庫?；緲嫵砂ㄘ浖?、巷道式堆垛機、出入庫臺、輸送系統(tǒng)、管理和控制系統(tǒng)等[4]。如圖1所示，整個系統(tǒng)采用分層結構，分為管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場執(zhí)行層。由本地計算機、遠程計算機、數(shù)據(jù)庫服務器通過以太網(wǎng)的形式組合構成了WCS的計算機網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中各個計算機可以通過操作本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相互交換信息。本地計算機（工控機）通過PROFIBUS-DP通訊接口實現(xiàn)對堆垛機、輸送系統(tǒng)等現(xiàn)場執(zhí)行設備的控制[5]。

堆垛機（見圖2）是自動化立體倉庫硬件組成的核心部分，它負責完成貨物的出入庫作業(yè)任務。通常包括水平運動機構、垂直升降機構、貨叉伸縮機構、安全報警系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，連接上位機監(jiān)控管理堆垛機狀態(tài)[6]。堆垛機采用模塊化結構S7-300PLC作為控制系統(tǒng)，并通過DDLS200光學數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與輸送系統(tǒng)紅外數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)兩者的協(xié)同工作。

1.2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊

作為國際性、開放式的現(xiàn)場總線標準PROFBUS一般用于對時間要求苛求的高速數(shù)據(jù)傳輸與大范圍復雜數(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)議中被指定為主動節(jié)點，負責管理總線上的數(shù)據(jù)傳送。只要主站擁有訪問總線權限的令牌，則無需被請求即可發(fā)送消息。DP從站是I/O設備，如執(zhí)行器、傳感器、變頻器等。從站在PROFIBUS協(xié)議中被指定為被動節(jié)點，它們不接受令牌，只將收到的消息向主站應答或根據(jù)要求向主站發(fā)送消息或數(shù)據(jù)。

本設計中為保證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應用程序開發(fā)

2.1 OPC技術

目前，大多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集程序，用戶可以進行配置。基于COM技術的OPC標準自動化接口，實現(xiàn)了OPC服務器與OPC應用程序之間的數(shù)據(jù)交換[9]。包括Siemens、GE、ABB等國外知名廠商已經(jīng)支持OPC技術。OPC對象具有分層結構，OPC服務器對象由OPC組集合對象、OPC組對象、OPC項集合對象、OPC項對象組成，有的OPC服務器對象還包含OPC瀏覽器對象，如圖3所示。

2.2 OPC應用程序開發(fā)

（1）OPC服務器對象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服務器之后建立OPC組集合、OPC標簽，然后使用OPC數(shù)據(jù)訪問自動化接口的“Connect”方法與數(shù)據(jù)源連接。

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

（3）OPC組對象OPCGroup提供OPC應用程序要求的數(shù)據(jù)訪問手段。

（4）OPC標簽對象OPCItem表示與OPC服務器內(nèi)某個數(shù)據(jù)連接。各個OPC標簽包含數(shù)據(jù)值Value、質(zhì)量標志Quality以及采樣時間TimeStamp。

在本項目設計中需要使用OPC服務器、OPC組以及OPC標簽，具體來說，如圖4所示，先連接一個特定的OPC服務器，然后建立OPC組，最后添加OPC標簽。endprint

3 VB.NET與數(shù)據(jù)庫訪問

3.1 ADO.NET組件

在整個自動化立體倉庫系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)庫的作用就是對這些數(shù)據(jù)進行管理、存儲和訪問。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)提供程序包括的對象為Connection、Command、DataReader和DataAdapter。

DataSet包含有一個集合，集合中的每個對象為DataTable，表示一個數(shù)據(jù)表。DataTable對象內(nèi)包含了數(shù)據(jù)行DataRow和數(shù)據(jù)列DataColumn對象。

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

實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務器SQL sever連接和數(shù)據(jù)訪問的步驟：①創(chuàng)建SqlConnection對象連接數(shù)據(jù)庫；②創(chuàng)建SqlCommand對象執(zhí)行SQL語句進行數(shù)據(jù)操作；③創(chuàng)建SqlAdapter對象更新數(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)的設計與實現(xiàn)

4.1 基本作業(yè)流程

自動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。當貨物單元入庫時，由1#進料電機和1#輸送帶正轉(zhuǎn)將貨物送到巷道入口，堆垛機收到上位機WCS發(fā)送的入庫指令和目標貨位坐標，通過自動尋址，將貨物存放到指定貨格。在完成入庫作業(yè)后，堆垛機立即向WCS反饋作業(yè)完成信息。

（2）出庫作業(yè)流程。當目標貨物單元將要出庫時，堆垛機收到上位機WCS發(fā)送的出庫指令和目標貨位坐標，通過自動尋址，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。再由1#出料電機和2#輸送帶反轉(zhuǎn)將貨物送到出庫臺，在完成出庫作業(yè)后，堆垛機立即向WCS反饋作業(yè)完成信息。

（3）轉(zhuǎn)庫作業(yè)流程。堆垛機到指定地址將貨物取出，根據(jù)上位機WCS發(fā)送的轉(zhuǎn)庫指令和目標貨位坐標，通過自動尋址，將貨物存放到目標貨格。在完成轉(zhuǎn)庫作業(yè)后，堆垛機立即向WCS反饋作業(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應由以下幾個模塊組成：用戶管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)運行模塊、出/入庫管理模塊、綜合查詢模塊。

4.3 界面與程序設計

（1）用戶登錄模塊。主要負責用戶名和密碼的認證，獲得系統(tǒng)的使用權限。在用戶獲得使用權限以后讀取系統(tǒng)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)庫連接和OPC服務器的初始化。

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

如圖5所示，在手動模式下，用戶可以實時觀察自動化立體倉庫輸送系統(tǒng)的各個傳感檢測情況，通過直接點擊界面上的按鈕控件就可以實現(xiàn)1#進料電機、1#出料電機、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，在自動模式下，用戶可以直接在表格控件上按Ctrl+鼠標左鍵選中想出入庫的貨位，當表格中的貨位為黃色即為選中。按Alt+鼠標左鍵選中想轉(zhuǎn)庫的目標貨位，當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，出入庫管理模塊負責貨物的出入庫管理工作。根據(jù)貨物出入庫的幾個原則，首先選中貨位向OPC服務器中的控制字節(jié)標簽寫入值，再向堆垛機發(fā)送入庫作業(yè)指令。同理，可以選中貨位再向堆垛機發(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)庫管理模塊主要負責用戶信息數(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 結語

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

（1）精確性。為了提高在實際運行中堆垛機速度控制精度，采用變頻器與激光測距傳感器相結合的方式，并在閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入模糊控制器，使堆垛機和叉車快速準確到達指定位置。應用模糊控制算法提高速度控制的精準性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行和較好的動態(tài)響應性能[11]。

（2）智能化。運用RFID識別技術構建商品信息采集管理系統(tǒng)。

（3）網(wǎng)絡化。利用以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程計算機訪問本地數(shù)據(jù)庫，運用自動控制系統(tǒng)管理和控制自動化立體倉庫系統(tǒng)的運行。

參考文獻：

[1] 馮占營.基于PLC的自動化立體倉庫運行系統(tǒng)設計[D].濟南：山東大學，2008.

[2] 繆興鋒.淺析物流自動化立體倉儲系統(tǒng)設計新技術[J].物流技術，2006（8）：47-49.

[3] 潘蕓.基于現(xiàn)代物流的自動化立體倉庫研究[D].蘇州：蘇州大學，2008.

[4] 黃金.自動化立體倉庫管理與控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[5] 單振華.基于西門子可編程邏輯控制器立體倉庫制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].長沙：中南大學，2013.

[6] 李宏哲.立體倉庫雙軌式堆垛機電氣控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

[7] 孔令君.基于PROFIBUS的生產(chǎn)物流系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學，2008.

[8] 高峰.工業(yè)以太網(wǎng)與PROFIBUS的比較研究及其在物流系統(tǒng)中的應用[D].濟南：山東大學，2005.

[9] 袁德平.OPC技術在PROFIBUS現(xiàn)場總線中的研究與應用[D].成都：西南交通大學，2004.

[10] 周維.基于數(shù)據(jù)倉庫的管理信息系統(tǒng)的研究[D].昆明：昆明理工大學，2002.

[11] 陳欣.基于PLC的自動化立體倉庫堆垛機運行及監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009.endprint