随着传统制造企业面临的市场环境日益复杂,新一轮的产业升级已经迫在眉睫,以信息化带动工业化的战略被越来越多的制造型企业所接受。国内外的实践经验说明,在生产过程中,仅有5%的时间用于产品加工和制造,其余95%的时间用于存储、装卸、检测、包装、运输,且存储和运输占生产成本的40%左右[1] 。生产材料的采购运进、入库验收、存放、加工制造、成品入库、成品出库等一系列动态流通过程均包含了存储环节,因此企业的物流存储环节是生产信息化中非常重要的组成部分。通过自动化立体仓库监控管理系统可以实时了解库房状态,在沟通物流信息、衔接生产需求、合理利用资源、进行科学存储与生产经营决策等方面起到了特定的作用。

本文结合某装备制造企业在企业信息化升级过程中的实际案例,对企业自动化立体仓库的监控管理系统的通信网络进行了设计,实现监控管理系统与集团ERP以及系统内部上下位之间的数据通信。

在该企业信息化升级过程中,在仓储物流环节考虑将四个下属子公司的自动化立体仓库全部归入到集团ERP的管理中来,由集团ERP对四个立体仓库统一进行出入库及其他管理。而每个立体仓库又是一个独立的个体,根据库房内部存储物品种类的不同制定适用于各自库房的出入库管理规则。

集团ERP后台使用的是ORACLE数据库,通过工作流程步骤产生相应的出入库任务存储在ORACLE数据库中的一个视图里。立体仓库监控管理系统的服务器通过获得相应的权限访问该视图,将视图中的任务接收到库房内部的数据库中,完成从ERP接收任务;当任务执行结束时,将任务相关信息刷新到该视图中,完成向ERP反馈任务执行状态。

因此将四个子公司自动化立体仓库中的工控计算机配备双网卡,其中一块网卡专门用于接入到集团ERP所在的办公以太网中,各自动化立体仓库与集团ERP之间的通信网络如图1所示。

图1 立体仓库与ERP的通讯网络  下载原图

同时在立体仓库监控管理系统中使用Visual C++开发相应接口,实现对ERP的数据访问。在上位监控管理服务器TNSNAME.ORA文件中完成对ORACLE数据库相关信息配置,采用ADO的数据库访问方式访问ERP后台数据库中。通过在SQL查询语句中限定子仓库的编号来访问对应立体仓库的在任务视图中的任务。

自动化立体仓库内部的通信网络设计以自动化立体仓库子库2为例在下面详细介绍。该自动化立体仓库只有一个库区分为3个巷道,每个巷道由2排横梁组合式双货位货架组成,巷道长度在100米左右且均是直道。在每条巷道中有一台堆垛机,用来取送托盘。由于要求立体仓库两端都可以进行出入库操作,则在巷道两端各配备一台输送机。在每台输送机旁边安装一台触屏计算机终端,每台触屏终端上安装一部条码扫描枪,用来出入库时扫描物料条形码。在立体仓库的控制室里配备一台工控计算机和一台条码打印机。库管人员通过控制室中的工控计算机服务器可以接收和反馈ERP的任务,也可以向立体仓库的所有巷道下发出库操作任务;通过巷道两端的触屏计算机终端则只能向对应的输送机和堆垛机下发库操作指令。

根据用户要求,自动化立体仓库的监控管理系统分为三级:即管理级、监控级和控制级[2] 。管理级实现通过监控管理软件的接口接收集团ERP下传的任务,向ERP反馈出入库任务的完成状态,下发库操作指令,打印物料条形码,数据查询及系统参数维护等。监控级实现通过数据采集元件来采集相关设备的数据信息,将自动化立体仓库内部设备运行状态的相关信息采集并上传至监控管理服务器中,向上位管理级实时反馈下位设备的运行状态;同时将管理级系统下发的作业指令下发到下位控制系统中,按照作业指令控制整个下位控制系统进行货物的存取操作。控制级是下位输送机PLC和堆垛机PLC根据从监控级接收的指令实现开关量的开关,从而完成各底层设备动作的控制,同时向PLC传输各底层设备运行状态和指令完成情况。

管理级、监控级和控制级是一个相互联系的整体,它们之间的通信网络是整个自动化立体仓库系统正常运行的关键。而自动化立体仓库监控管理系统的通信网络一般分成两个部分,一部分是管理机、各终端机、控制计算机的联网,这部分的网络目前都使用局域网方式进行联网,采用TCP/IP协议,技术已很成熟。另一部分是监控级与控制级各个控制器PLC及控制器之间的通信,所采用的通信协议基本上都是PLC生产厂家独自专有的,并没有广泛使用的统一标准协议供使用者采用[3] 。

自动化立体仓库系统中,监控级与下位PLC控制级之间的通信网络,与其它工业自动化的应用有所不同。堆垛机上的PLC是在不断运动的过程中实现与监控计算机的通信,因此通信介质成了两者之间通信的关键。常用的通信介质有:红外线、滑触线和无线以太网三种方式[4] 。

滑触线方式通信采用硬件接触滑动来实现通信,对应用环境要求比较高。滑动接触面是裸露在外,粉尘、蒸汽以及接触面的磨损变形等因素都会导致接触不良的现象发生,从而使通讯中断。同时随着堆垛机运行距离的延伸,有效通讯速率会不断下降,影响设备的正常运行[4] 。

无线以太网通信方式是在堆垛机上连接一个无线通讯转换模块,通过高频无线电波与主站实现节点之间的通信和传输数据。但由于自动化立体仓库库区是钢结构密封,库内屏蔽性较强。且库房与加工中心在同一车间中,采用无线以太网通信会对其他电子精密加工设备产生电磁干扰。

红外线通信方式是在堆垛机上连接一个红外线转换模块,将Profibus DP信号转换成红外射线信号,与安装在轨道尽头固定的红外线转接模块通讯。通常采用大功率模块,红外线的通讯距离可以达到100米左右。设备安装调试简单,通讯方便稳定。

现场自动化立体仓库的巷道均为直道,轨道密闭性好不会产生阻挡,且长度不长,因此与移动过程中堆垛机PLC之间的通信方式选择红外线通讯。

根据网络设计应遵循的可用性、可靠性、可扩展性等基本原则,确定西门子的SIMATIC NET用于自动化立体仓库内部的通讯。SIMATIC NET是西门子公司按照国际和国家标准,以ISO/OSI为参考模型,提供的各种开放的应用于不同控制级别的工业环境的通讯系统[5] 。

自动化立体仓库内部的通信网络设计采用Profibus DP与工业以太网相结合的集中控制方式,通信网络结构示意图如图2所示。通信网络包括现场上位工控计算机、各巷道触屏计算机终端、3台堆垛机(3个PLC)、6台输送机(主控PLC控制)的联网控制,同时还可以通过主控PLC及堆垛机PLC的人机界面对单个设备进行手动控制。输送机的主控PLC选用西门子CPU317-2DP模块,并扩展CP343-1工业以太网接口模块和CP342-5通讯模块。堆垛机PLC则选用西门子CPU314-2DP模块。这样通过一个网络交换机,可以将上位工控计算机、各巷道触屏计算机终端和输送机的主控PLC用网线连接到立体仓库库房内部的局域网中。而输送机主控PLC与各堆垛机PLC之间的通信采用基于红外数据传输的DP总线完成。同时每个PLC在其控制柜上通过MPI连接一个小的触摸屏用来显示人机界面,方便手动操作。

图2 立体仓库子库通信网络示意图  下载原图

其中上位工控计算机和巷道触屏计算机终端与同一局域网中的主控PLC之间的实时通讯采用的是OPC通信技术。OPC技术是基于COM/DCOM技术所制定的一个开放和互用式的工控行业的软件接口标准[6] 。OPC采用客户/服务器结构,使得多个OPC客户程序可与OPC服务器连接,并通过OPC服务器从数据源中存取数据。在工控计算机中安装相关软件建立OPC服务器,通过SIMATIC NET的相关硬件组态配置式OPC服务器和主控PLC建立连接,由OPC服务器直接访问数据源主控PLC中的数据。巷道两端的触屏计算机终端上安装与OPC服务器相匹配的OPC客户端,OPC客户端程序通过OPC服务器间接地和主控PLC通讯。

本文对自动化立体仓库监控管理系统数据通信需求进行分析,完成了监控管理系统的通信网络设计。通过集团以太网将自动化立体仓库与集团ERP联机,完成ERP下传出入库任务的接收与反馈;在自动化立体仓库内部采用Profibus DP与工业以太网相结合的方式完成管理级、监控级和控制级之间的通信。该通信网络设计已经得到实际应用,能够稳定实现数据通讯的功能,为自动化立体仓库监控管理系统软件的正常运转提供了保证。