随着电子商务飞速发展，智能仓库系统成为了现代物流业的标配，如京东无人工厂中就有智能仓库系统的身影。智能仓库系统指利用自动化控制、物联网等技术完成物料的自动入仓和出仓，实现物流仓储的智能化管理，能够节省大量的人力物力，并提高管理效率[1,2,3]。目前物料行业中的智能仓库系统大多以立体码垛机为执行单元[4]，但对于仓库体积不大、一个仓位中可能存放多个物料等情况，立体码垛机的效率就会大大降低。因此设计一个以工业机器人为执行单元的智能仓库来解决以上问题具有很好的现实意义。

如图1所示，系统由立体仓库、HMI触摸屏、工业机器人、机器人平移滑台四个子模块和PLC主控制模块组成。系统工作过程为：PLC主模块获取HMI触摸屏上的入库或出库信息，根据立体仓库的仓位信息，控制立体仓库目标仓位弹出，并通知工业机器人去立体仓库中抓取或存放物料。当工业机器人的运动目标点超出工业机器人运动区域时，PLC先控制机器人平移滑台平移以带动工业机器人移动。

其中立体仓库为3层*2列结构，每个仓位可存放一个或多个物料，仓位信息指仓位否有物料、仓位是否弹出等；触摸屏与PLC相连，用户可在触摸屏上选择待入库或出库的仓位号，也可在触摸屏上查看每个仓位的信息；工业机器人是系统的执行单元，待立体仓库的仓位弹出后，从中抓取(出库)或存放(入库)物料；机器人平移滑台由伺服电机、丝杠等组成，工业机器人基座安装在滑台上方，当滑台平移时，工业机器人跟着运动。平移滑台受PLC控制，作为工业机器人扩展轴，扩大了工业机器人的可达工作空间；工业机器人、立体仓库两大模块的I/O信号均连接至各自的远程I/O模块，远程I/O模块之间通过工业以太网协议ProfiNet与PLC通信。

图1 系统框图   下载原图

(1) PLC：本系统中采用西门子紧凑型、模块化的SI-MATIC S7-1200 PLC，可完成简单到高级的逻辑控制、HMI和网络通信等任务[3]。S7-1200的I/O口丰富，如CPU1215C系列包含14路数字输入、10路数字输出和2路模拟信号输入、2路模拟信号输出[5]。S7-1200系列提供了各种信号模块和信号板用于扩展CPU的能力[5]。S7-1200具备PROFINET网络通信功能，能够与工业相机、其他PLC、工业机器人或HMI触摸屏进行组网连接，满足本设计的通信要求。

(2)工业机器人：由于本设计中仓库本体不大，工业机器人的工作半径很小，因此选取ABB公司目前最小的工业机器人IRB120，其重量仅25Kg，可灵活地安装在平移滑台上，关键特性有：六自由度串联关节桌面型工业机器人；工作范围580mm；有效荷重3kg，手臂荷重0.3kg；手腕设有10路集成信号源，4路集成源；重复定位精度0.01mm。本设计中增加ABB--DSQC652标准I/O板卡，扩展了16个数字输入端口和16个数字输出端口。

(3) ABB标准I/O板卡工作原理：机器人通常需要接收其他设备或传感器的信号才能完成指派的生产任务，比如：要将货仓上某个货物搬运到另一个地方，首先就要确定货仓是否有货物，这就需要一个货物传感器表征货仓的有货/空仓状态。当传感器给机器人一个有货信号后，机器人就执行相应的出货操作，比如按照预定的轨迹开始搬运。对机器人而言，到位开关的这种信号，属于数字量的输入信号。在ABB机器人中，这种信号的接收是通过标准I/O信号板卡来完成。标准I/O信号板卡信号也称为信号的输入/输出板卡，安装在机器人控制柜中。常见的ABB机器人标准I/O信号板卡包括DSQC651等。除标准I/O板卡外，ABB机器人还支持RS232、OPC、Socket等通信以及多种工业现场总线通信，如Profibus、Profinet、DeviceNet。

图2 仓库结构示意图   下载原图

如图2所示，本文中立体仓库为3*2结构，一共有6个仓位。每个仓位有红绿两个指示灯，当仓位满时绿灯Ln1亮，仓位空时红灯Ln2亮；有两个光电传感器Sn1和Sn2，其中Sn1感受仓位物料的有无，当仓位满时，Sn1输出高电平，反之输出低电平；Sn2感受仓位的弹出，当仓位弹出时Sn2输出高电平，反之输出低电平。当需要对指定仓位进行入仓或出仓操作时，PLC控制仓位自动弹出，仓位的弹出由气动电磁阀QDn控制(本自然段中n代表仓位号，可取1、2......6)。实际应用中可将一个仓位存放同类型的多个物料，此时需增加多个光电传感器来感受物料的有无。

传统控制系统的信号传输一般采用“点对点”的连接方式。当控制系统趋于复杂时，模块间的I/O连线越来越多，导致系统布线繁琐、维护困难、程序复杂等问题。比如上文中立体仓库模块包含5(每个仓的信息)*6(仓数)=30个仓位信息，需要30根I/O线与主控PLC通信。

远程I/O模块能很好地解决上述问题，它是工业级远程采集与控制模块。实际使用时，系统中每个子模块配置一个远程I/O模块，先将子模块需要与主控模块通信的I/O信号连接至远程I/O模块。如图1所示，工业机器人模块、立体仓库模块分别配置远程I/O模块1、远程I/O模块2。然后远程I/O模块之间通过工业以太网协议，例如ProfiNet与主控(PLC)通信。实际控制时，PLC通过IP地址访问独立的远程I/O模块，即可得到相对应的子模块的I/O信息。这样既简化模块间的布线，又方便编程时对I/O信号进行组合判别。

实际运用时，可将同系列的多个I/O模块进行总线组网，使得I/O点数得到灵活扩展。本文中远程I/O模块选用南京华太推出的FR系列远程I/O模块，型号有：FR1108(8通道数字量输入型)、FR2108(8通道数字量输出型)、FR3004(4通道12位模拟量输入型)、FR4004(4通道12位模拟量输出型)。

系统连接图如图3所示。

PLC的I0.0、I0.1、I0.2分别连接按钮开关K1(急停按钮)、K2(开始按钮)、K3(暂停按钮)。Q0.0、Q0.1分别连接指示灯L1、L2，当系统正常运行时，绿灯L1亮，红灯L2灭；当系统暂停时，绿灯L1灭，红灯L2亮；当系统急停或故障时，绿灯L1灭，红灯L2闪烁。

伺服电机驱动器型号为MR-JE-40A，受PLC控制。PLC 1212板载输入包含8位DI、6位DO和2位AI。伺服电机驱动器的INP/伺服完成、RD/伺服复位、ALM/报警信号分半连接至1212的DI 4-6;PULSE/脉冲、SIGN方向、RES/复位、SON/上电信号分别连至1212的DO1-4；另外为了防止机器人超出平移滑台的极限，在滑台上装了3个限位传感器S1(正限位)、S2(原点)、S3(负限位)，分别连接至1212的DI 1-3。

立体仓库和工业机器人通过各自的远程I/O模块总线组网的形式，与PLC进行通信。

图3 系统连接图   下载原图

立体仓库先连接至远程I/O模块1，再通过远程I/O模块1和PLC进行通信。远程I/O模块1包含3个FR2108数字输出模块、2个FR1108数字输入模块，具体设置如表1所示。PLC与立体仓库远程I/O模块通信时，可通过FR1108输入模块获取仓位的信息，通过FR2108输出模块控制仓位的状态。

其中FR1108-1连接至Sn1光电传感器，感受仓位中物料的有无；FR1108-2连接至Sn2光电传感器，感受仓位是否弹出。FR2108-1和FR2108-2连接至Ln1和Ln2控制灯，控制灯的亮灭以显示仓位的状态。FR2108-3连接至气动阀QDn，控制仓位的弹出或缩回。本自然段中n=1-6。

表1 立体仓库远程I/O模块信号表     下载原表

工业机器人的扩展I/O板块先连接至远程I/O模块2，再通过远程I/O模块2和PLC进行通信。远程I/O模块2包含2个FR2108数字输出模块和2个FR1108数字输入模块，具体设置如表2所示。

工业机器人(ROB)与PLC之间通信的数据长度是16位。其中FR1108-1和FR1108-2用于接收PLC→ROB的16位数据；FR2108-1和FR2108-2用于发送ROB→PLC的16位数据。

本系统有两个可编程器件：PLC和ROB，两者基于工业以太网协议ProfiNet通信，均可作为系统主控。本文程序设计时以PLC为主控。

表2 工业机器人远程I/O模块信号表     下载原表

PLC和ROB之间通信的数据长度是16位，本文中暂且使用了9位，其中0-3位：目标仓位号(最大为6);2-4位：目前仓位号(最大为6);5-6位：工序码(00：获取信息；01：发送信息；10：取物料；11：放物料)；7-8位：握手信号(00：工序完成；01：出错)。当立体仓库仓位号增多或控制逻辑变复杂，可使用剩下的7位数据。

要完成一个物料的出仓操作，系统主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图   下载原图

(a) PLC从HMI触摸屏获取目标仓位号，根据当前伺服位置判断目标仓位是否在ROB的运动范围内，如果超出范围，则先控制伺服运动到合适位置。然后控制目标仓位弹出。最后将信息发送给ROB，此时工序码为10。

(b) ROB启动后一直等待PLC的通信请求，收到信号后解析获取目标仓位号和工序码。然后调用取物料的子程序，执行完毕后发送完成信号给PLC。

(c) PLC收到ROB的完成信号后，控制伺服回原点、仓位缩回。

本文设计的智能立体仓库，以工业机器人和PLC为核心，能够实现自动出仓、回仓、仓位信息指示等功能。工业机器人和PLC通过工业以太网通信，方便且维护成本低。系统具有很好的灵活性，在不改变硬件连接的基础上，仅需改变程序逻辑就可将工业机器人切换为系统主控，完成更复杂的逻辑控制。系统具有很好的扩展性，可将立体仓库扩大扩容，仅需增加立体仓库模块的远程I/O模块数量。针对复杂的仓库整理情况，下一步将对工业机器人的最优路径进行研究[6,7,8]。