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    自动化立体仓库工业网络控制系统的设计

      信息来源:   发布时间:2021-10-16  点击数:

    0引言

    国内外研究表明, 在生产过程中仅有5%的时间用于产品的加工制造, 其余时间都用于产品的存储、运输、检测, 所以解决企业生产过程中的存储和运输问题, 可以节约成本40%左右[1]。自动化立体仓库是物流技术、自动化技术和信息技术高度集成的产物, 可以实时监控仓库状态, 有效衔接需求定制、生产管理和经营决策。随着技术的发展与进步, 智能化、集成化、信息化的自动化立体仓库将得到越来越广泛的使用[2]

    立体仓库的硬件系统由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库输送系统等组成;信息系统由通信系统、条形码管理系统、计算机管理系统等组成[3]。自动化立体仓库可以按照入库/出库的既定规则, 自动实现货物的搬运、存储和管理, 既可以节省劳动力, 又可以提高物流效率。

    1立体仓库布局

    立体仓库采用双深度的货架布局模式。仓库分为4个巷道, 分别由4台堆垛机控制。每个巷道包括2排货架, 每排货架有8列、6层, 共48个仓位。整个立体仓库共有384个仓位。每个巷道设有1个入库缓冲区, 用于缓存环形流水线传送过来的货物;1个出库缓冲区, 用于缓存堆垛机取出的货物。堆垛机采用链式轨道结构, 可进行上下、前后、伸缩、夹紧松开4个自由度的控制。立体仓库设置4个操作台, 用于货物的存入和提取操作[4]

    立体仓库布局如图1所示。

    图1 立体仓库布局图Fig.1 Layout of the automated warehouse

    图1 立体仓库布局图Fig.1 Layout of the automated warehouse   下载原图


    仓库中, 每个货架上的仓位都采用3级编码的方式, 即货架编号-行编号-列编号。货架编号为0#~7#, 其中2个货架对应1个堆垛机;行编号为货架的层数, 为0#~5#;列编号是货架的列数, 为0#~7#

    仓库的仓位编码如表1所示, 0#货架的仓位编号如表2所示, 其他仓库类似。

    表1 仓位编码表Tab.1 Position code     下载原表

    表1 仓位编码表Tab.1 Position code

    表2 0#货架仓位编号表Tab.2 The position numbering of 0#shelf     下载原表

    表2 0#货架仓位编号表Tab.2 The position numbering of 0#shelf

    2硬件设计与选型

    自动化立体仓库的控制系统由现场层、控制层、管理层3层网络结构组成[5]。现场层由堆垛机、操作台、流水线控制以及现场的触摸屏、各种检测信号、驱动元件等构成, 用于货物的入库、出库、扫码、运输的操作。控制层主要由CC-Link网络构成[6], 主要部件包括主站控制器、1#~4#堆垛机控制器、1#~4#操作站控制器、流水线控制器, 用于立体仓库的入库/出库操作。管理层主要由工业以太网络构成[7], 主要部件包括上位机、服务器、APP手机控制端等, 用于实现整个系统的数据服务、远程操作、APP手机服务等功能。

    根据立体仓库控制系统, 选择合适的控制器件, 主要包括上位机、主控制器、远程控制器、堆垛机控制系统、变频器和伺服电机等。上位机主要完成货物的入库、出库的操作, 信息管理与统计, 仓位信息统计, 单个仓位货物信息管理与统计。主控制器采用三菱Q系列PLC进行控制, 远程控制器采用三菱FX3U系列PLC。堆垛机控制系统主要包括水平、垂直、前后3个方向的控制, 水平位置由变频器进行控制, 垂直位置和前后位置均由伺服电机进行控制[8]

    硬件选型表如表3所示。

    表3 硬件选型表Tab.3 Hardware selection     下载原表

    表3 硬件选型表Tab.3 Hardware selection

    3控制系统软件设计

    3.1 立体仓库的控制要求

    自动化立体仓库具有3种运行模式:单机测试模式、自动入库/出库模式、联机运行模式。控制系统要求实现以下功能。

    (1) 单机测试模式:堆垛机可以实现货物的抓取与放下, 以及在水平、垂直、伸缩方向上的运动测试;操作台可以实现入库/出库选择, 扫码操作, 传输测试;流水线可以实现启停、速度控制、出库/入库缓冲器推杆测试。单站测试由各设备上的触摸屏单独控制。

    (2) 自动入库/出库模式:用户在操作台的触摸屏上, 输入入库或出库操作、仓库货位号、运行速度, 流水线自动运行, 堆垛机自动实现货物的入库或出库操作, 并通过触摸屏实时监控。

    (3) 联机运行模式:根据主站或上位机的控制信息, 控制系统自动进行货位选择、路径规划、入库/出库操作, 并能实时监控操作过程。

    3.2 主站通信程序设计

    主站采用Q02CPU, 通信方式采用CC-Link、QJ61BT11N扩展模块。主站通过软件设置网络参数, 并设定自动刷新。主站信息可以通过触摸屏实现监控。主站分配9个从站的地址, 每个从站占据2个站地址, 其中堆垛机为1#、3#、5#、7#, 操作台为9#、11#、13#、15#, 流水线为17#。以1#站 (1#堆垛机) 为例, 主站分配了X100-X13F、Y100-Y13F作为1#站的远程输入/输出映像空间;D1000-D1007、D2000-D2007作为1#站的远程寄存器读出、写入映像空间。

    主站CC-Link通信表如表4所示。

    表4 主站CC-Link通信表Tab.4 CC-Link communication of the host     下载原表

    表4 主站CC-Link通信表Tab.4 CC-Link communication of the host

    3.3 从站通信程序设计

    从站采用PLC控制器与FX2N-32CCL组成的CC-Link通信网络。32CCL的模块内部有0#~31#共计32个缓存存储器。其中:0#~7#为对应的远程输入/输出地址, 8#~23#为对应的远程寄存器地址, 24#~31#为相应控制功能。32CCL与PLC数据交换由FROM、TO指令实现。从站CC-Link通信程序如图2所示。当联机按钮X003接通时, 执行通信程序;当X003断开时, 清除通信信息。

    图2 从站CC-Link通信程序图Fig.2 CC-Link communication program of slaves

    图2 从站CC-Link通信程序图Fig.2 CC-Link communication program of slaves   下载原图


    因为堆垛机、操作站、流水线的各个从站都采用相同的通信程序, 所以各从站的通信表都相同。从站CC-Link通信表如表5所示。其中:M500-M563、D200-D207为主站给从站的信号, M600-M663、D220-D227为从站给主站的信号。

    表5 从站CC-Link通信表Tab.5 CC-Link communication of slaves     下载原表

    表5 从站CC-Link通信表Tab.5 CC-Link communication of slaves

    3.4 入库操作程序设计

    当立体仓库需要进行入库操作时, 可以在1#~4#操作台上进行操作, 操作员选择操作模式, 对入库货物进行条码扫描, 确认货物信息。根据货物的类型信息, 系统自动分配相同类型下的空余仓位, 按序号排列;若没有空余仓位, 系统等待, 触摸屏报警提示。自动分配仓位后, 操作员确认入库, 流水线启动, 输送货物到相应的堆垛机入库缓冲区;货物到位后, 堆垛机启动, 对货物进行入库操作。货物到位后, 堆垛机复位返回原点, 到达原点后本次入库操作结束, 反馈上位机, 更新库存信息, 等待下次操作。

    入库操作流程如图3所示。

    图3 入库操作流程图Fig.3 Flowchart of warehousing-in

    图3 入库操作流程图Fig.3 Flowchart of warehousing-in   下载原图


    3.5 出库操作程序设计

    出库操作流程如图4所示。

    图4 出库操作流程图Fig.4 Flowchart of warehousing-out

    图4 出库操作流程图Fig.4 Flowchart of warehousing-out   下载原图


    操作员先输入出库货物信息, 系统自动查询仓库是否有货物。若没有货物, 操作台触摸屏报警提示;若有货物, 提示操作员是否确认出库。操作员确认出库后, 在堆垛机空闲情况下, 堆垛机抓取货物到出库缓冲区, 进行出库操作。货物到出库缓冲区后, 流水线启动传输, 传输货物到操作台;货物到操作台后, 出库结束, 系统反馈上位机, 更新库存信息, 等待下一次操作。

    3.6 堆垛机程序设计

    与仓库的控制要求一致, 堆垛机有单机测试、自动、联机3种工作方式, 入库、出库2种操作过程。这5种动作流程分别对应5个子程序, 即单机测试、自动入库、自动出库、联机入库、联机出库程序。

    堆垛机动作流程如图5所示[9]

    图5 堆垛机动作流程图Fig.5 Flowchart of stacker operation

    图5 堆垛机动作流程图Fig.5 Flowchart of stacker operation   下载原图


    系统首先进行初始化, 判断堆垛机是否存在故障或急停按钮是否按下。若有, 系统产生报警;若无, 则在堆垛机空闲的情况下, 按照要求进行5种动作操作。

    3.7 触摸屏画面设计

    根据控制系统的要求, 利用MCGS组态软件开发相应的触摸屏界面[10]。以主站触摸屏的设计为例, 其他模块的触摸屏设计与主站类似。主站触摸屏设计了以下3个界面。

    (1) 模式选择界面。通过触摸屏, 可以设定系统的工作方式:单机模式、自动模式、联机模式。单机模式为所有模块单独工作;自动模式为操作站、流水线、堆垛机共同工作;联机模式为上位机、服务器、主机、操作站、流水线、堆垛机共同工作。当设定某种工作方式时, 模式选择界面自动获取相应的联机信号。

    (2) 仓位查询界面。通过界面的货架选择, 点击相应编号的货架, 可以查询该仓位的货物信息, 包括仓位编号、货物编号、货物类别、货物性质、入库时间、操作员等。若仓位没有货物, 则显示的信息为空白信息。

    (3) 联机运行监控界面。通过该界面, 可以进行入库操作或出库操作, 并相应地显示当前操作的动作流程。完成的动作以绿色显示, 当前动作以绿闪1 s显示, 未完成动作以白色显示。监控界面还可以显示入库状态, 运行、扫码、流水线、入库缓冲区、堆垛机运行、堆垛机原点信号, 以及仓位编号、货物编码、货物类别、货物性质等信息。

    4系统运行调试

    系统的运行调试, 主要是调试各个工作模块是否联网工作, 各个单元的控制要求是否符合立体仓库的控制要求, 以及触摸屏的显示是否符合操作要求。

    整机联网调试:打开各个工作单元工作电源, 主站模式选择界面, 设定模式为联机模式, 观察联机信号, 若所有联机信号指示灯显示, 则联网成功。

    各单元单机测试:包括堆垛机的水平、垂直、伸缩的运行测试, 操作台的扫码、入库、出库操作测试, 流水线的运行、速度控制、出库缓冲区、入库缓冲区推杆操作测试;如所有测试成功, 则单站调试成功。

    自动功能调试:自动入库测试, 用户在操作台上对货物扫码, 由系统进行入库操作, 堆垛机准确地把货物放入仓位;自动出库测试, 用户在操作台上输入货物选择信息, 系统进行出库操作, 堆垛机准确取出货物, 并输送到操作台上;两者测试成功, 则自动功能调试成功。

    联机模式调试:系统切换到联机模式, 按下入库操作自动运行入库操作, 按下出库操作自动进行出库操作, 并在上位机、服务器上显示相关数据;在主站触摸屏上能进行仓位信息的查询;调试成功, 则联机功能有效。

    5结束语

    本文主要利用现代工控网络技术, 设计立体仓库系统。立体仓库控制系统由上位机、服务器、主机、堆垛机、操作站和流水线等独立模块构成。控制系统的硬件设计分为现场层、控制层、管理层3层网络, 以及设备的硬件选型。选择CC-Link网络作为控制网络, 并以工业以太网作为管理层网络。控制系统的软件设计分单机测试、自动、联机3种控制模式, 包括了主站、从站的通信数据分配及程序, 入库操作、出库操作、堆垛机控制程序, 并根据控制要求设计了触摸屏界面。经过系统调试, 该立体仓库能很好地满足工业现场的要求, 应用效果良好。

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