基于分類編碼的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的模擬與實(shí)現(xiàn)

譚濤　劉沛

摘要：針對(duì)目前許多企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理缺乏合理的分類原則以及數(shù)據(jù)管理混亂等問(wèn)題，本著節(jié)約成本的原則，該文提出了一種采用分類編碼技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并完成了基于GE RX3i 系列PLC和觸摸屏系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在Proicy Machine Edition開(kāi)發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試，系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)基本的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的出庫(kù)和入庫(kù)功能，而且還能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理和可視化操作，為工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供有利的參考和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)；分類編碼；傳感器；GE；RX3I；PLC

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0234-03

Simulation and Implementation of Automated Warehousing System Based on Classification and Coding

TAN Tao， LIU Pei

（Department of Mechanical Engineering， Shanxi University of Technology， Hanzhong 723001， China）

Abstract： Aiming at the problem that Warehouse management lack of many enterprises has no reasonable classification principles and chaos of data management， we adhere to the principle of cost saving， and puts forward a kind of the classification and coding technology instead of traditional sensor network technology of automatic warehousing system design scheme， and completed based on GE RX3i series PLC and touch screen to the implementation of the system simulation. Through the Proficy Machine Edition development environment online debugging， system can not only realize the basic automation warehouse outbound and inbound function in the system， but also can realize standardization management and visualization operation， for the industrial application implementation to provide a beneficial reference and theoretical basis.

Key words： automatic warehouse； classification and coding； sensor； GE； RX3i； PLC

倉(cāng)儲(chǔ)是現(xiàn)代物流以及工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，物流倉(cāng)儲(chǔ)的自動(dòng)化、集成化不僅節(jié)省了大量的人力物力，而且大大提高了物流速度以及生產(chǎn)效率[1] 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，制造技術(shù)，管理技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)變得日益成熟。但是隨著自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的管理變得尤為重要，為了完成物品和庫(kù)位的有效管理就必須實(shí)現(xiàn)物品的查找和定位功能。傳統(tǒng)的方式采用的是在每個(gè)庫(kù)位安裝檢測(cè)傳感器，并組成傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]。但是在大型的物流倉(cāng)庫(kù)中由于庫(kù)位比較多，使用這種方式不但會(huì)大大提高成本，而且還會(huì)使系統(tǒng)的故障幾率增加，減小了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3-4]。為此本研究設(shè)計(jì)了一套基于分類編碼技術(shù)的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。

分類編碼理論的基礎(chǔ)是相似性理論，最早是應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，機(jī)械制造和生產(chǎn)管理方面。本文將此技術(shù)運(yùn)用到自動(dòng)化物流倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)域，用數(shù)據(jù)編碼來(lái)表征倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的相關(guān)信息。系統(tǒng)原始編碼由上位機(jī)提供，在完成物料的存取時(shí)，PLC將對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的刷新存儲(chǔ)，并上傳至觸摸屏，使得操作人員以及上位機(jī)能準(zhǔn)確知道每個(gè)庫(kù)位的存取情況以及物料的相關(guān)信息。上位機(jī)以及操作人員通過(guò)物料的信息和庫(kù)位編碼信息將物料輸送到相應(yīng)的目標(biāo)庫(kù)位[5-6]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、氣動(dòng)回路部分、電氣回路部分三大部分組成。其中的機(jī)械部分是系統(tǒng)的骨骼，構(gòu)成了系統(tǒng)的大致框架。主要由供料機(jī)構(gòu)，傳輸帶機(jī)構(gòu)，搬運(yùn)機(jī)械手，托盤(pán)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，出入庫(kù)堆垛機(jī)，出貨平臺(tái)以及貨架組成。氣動(dòng)回路是系統(tǒng)的心臟，為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，它主要包括氣泵，各種氣動(dòng)執(zhí)行氣缸，氣動(dòng)控制器件電磁閥組等。在氣缸伸出和退回出處都安有磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)氣，以檢測(cè)氣缸的狀態(tài)信息，并在機(jī)械臂的吸盤(pán)上裝有壓力開(kāi)關(guān)，以檢測(cè)是否成功搬運(yùn)物料。系統(tǒng)的電氣回路主要由觸摸屏，控制器（Programmable Logic Controller），開(kāi)關(guān)電源，各電動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，以及各種傳感器等組成。PLC通過(guò)控制電磁閥組的通斷來(lái)控制各氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件組態(tài)

據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)共需要24個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)，19個(gè)信號(hào)輸出點(diǎn)，同時(shí)需要對(duì)堆垛機(jī)的兩臺(tái)伺服電機(jī)，以及對(duì)傳送帶磁感應(yīng)電機(jī)以及轉(zhuǎn)角直流電機(jī)進(jìn)行控制。最后本系統(tǒng)選擇了GE公司的RX3i系列PLC，PLC的硬件組態(tài)如下：電源模塊IC695PSD040，CPU模塊IC695CPU315，以太網(wǎng)模塊IC695ETM001，32位數(shù)字輸出模塊IC694MDL754，32為數(shù)字輸入模塊IC694MDL655，數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制模塊IC695PMM335。PLC的配置完全滿足系統(tǒng)的需要。

1.2 系統(tǒng)PLC端子分配

系統(tǒng)PLC端子配線圖如圖2所示， IC695FTB001為PAC Motion運(yùn)動(dòng)控制模塊IC695PMM335的終端模塊。系統(tǒng)啟動(dòng)I01（NO）前首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位I03（NO），然后選擇運(yùn)行模式I05（NO），當(dāng)發(fā)生故障后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急停止I04（NC），或者需要手動(dòng)停止時(shí)也可按下緊急停止按鈕[7]。I06-I24為現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)以及各個(gè)位置的傳感器檢測(cè)信號(hào)，用于系統(tǒng)控制，以及對(duì)系統(tǒng)的故障類別進(jìn)行診斷。SQ1-SQ7為堆垛機(jī)構(gòu)X軸和Z軸的參考點(diǎn)以及上下限限位開(kāi)關(guān)，PLC的運(yùn)動(dòng)模塊通過(guò)檢測(cè)到的行程開(kāi)關(guān)的信息來(lái)控制X軸和Z軸的伺服電機(jī)。Q01-Q04為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈，Q06-Q16為控制電磁閥組K1-K12以及傳送帶電機(jī)和轉(zhuǎn)角直流電機(jī)的輸出信號(hào)。為了節(jié)約PLC的輸出端子，將Q17-Q21為故障類別顯示輸出信號(hào)，可顯示32種故障類別。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序在美國(guó)通用公司的Proficy Machine Edition開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)及調(diào)試，Proficy Machine Edition是一個(gè)編程人員可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面開(kāi)發(fā)，運(yùn)動(dòng)控制以執(zhí)行邏輯開(kāi)發(fā)的通用開(kāi)發(fā)環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)化的界面使得該開(kāi)發(fā)環(huán)境更便于學(xué)習(xí)和使用[8]。

系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)界面程序以及下位機(jī)PLC程序組成。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，PLC控制程序分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)先進(jìn)行物料的自動(dòng)入庫(kù)，當(dāng)庫(kù)位放滿后，開(kāi)始進(jìn)行物料的自動(dòng)出庫(kù)工作，其過(guò)程不受上位機(jī)的控制（當(dāng)需要緊急停止時(shí)可按下緊急停止按鈕使系統(tǒng)停止工作）。手動(dòng)模式下操作者通過(guò)觸摸屏上的實(shí)時(shí)庫(kù)位狀態(tài)信息，輸入要進(jìn)行入庫(kù)或則出庫(kù)的庫(kù)位號(hào)，也可以通過(guò)RS-485總線和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊，由計(jì)算機(jī)發(fā)送。觸摸屏上位機(jī)界面如圖3所示。

系統(tǒng)PLC控制程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行復(fù)位，各氣缸恢復(fù)到初始位置，堆垛機(jī)構(gòu)回到X，Z軸的參考點(diǎn)，并完成庫(kù)位數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器等信息清零。在復(fù)位時(shí)系統(tǒng)還將庫(kù)位編碼從對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中讀取，并在觸摸屏上顯示每個(gè)庫(kù)位的儲(chǔ)存狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位完成后開(kāi)始選擇系統(tǒng)的運(yùn)行模式，手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式。為了使系統(tǒng)的更安全并且易于維護(hù)和維修，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)緊急停止。然后通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)，以及內(nèi)部線圈的狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，推斷故障的大致位置，從而減小了系統(tǒng)維修和維護(hù)的成本。

3 分類編碼的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的分類編碼主要是包括物料的編碼以及倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的編碼由于篇幅限制，本文僅介紹倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位編碼以及在本系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。系統(tǒng)啟動(dòng)后接受到觸摸屏的輸入，PLC將輸入的庫(kù)位號(hào)所對(duì)應(yīng)的庫(kù)位編碼信息進(jìn)行解析，然后將解析出來(lái)的庫(kù)位的位置信息傳送運(yùn)動(dòng)控制模塊，來(lái)控制堆垛機(jī)進(jìn)行物料的存取工作。物料被送入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中或者從相應(yīng)的存儲(chǔ)單元取出后，系統(tǒng)將對(duì)目標(biāo)庫(kù)位對(duì)應(yīng)的庫(kù)位編碼進(jìn)行刷新，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)的變化，同時(shí)將編碼存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。再次啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)將儲(chǔ)存的編碼提取出來(lái)，并進(jìn)行庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)的顯示，等待操作人員的輸入。

3.1 庫(kù)位編碼

倉(cāng)庫(kù)中存放的貨物是多種多樣的，包括需要加工的原料或者需要進(jìn)一步加工和組裝的半成品，以及即將進(jìn)入市場(chǎng)的成品，而這些物料往往都是儲(chǔ)存在不同區(qū)域的不同貨位的，因此有必要對(duì)每個(gè)區(qū)域的每個(gè)庫(kù)位進(jìn)行編碼以便于標(biāo)準(zhǔn)化管理。由于編碼的規(guī)則是根據(jù)倉(cāng)庫(kù)的類型改變而改變，本文采用模擬的立體倉(cāng)庫(kù)共有四層，每層有五個(gè)庫(kù)位，根據(jù)倉(cāng)庫(kù)的信息，本系統(tǒng)采取的編碼規(guī)則是：編碼由八位0，1代碼組成，編碼的前兩位，表示倉(cāng)庫(kù)的區(qū)域號(hào)，同一個(gè)區(qū)域存放著相同的物品，不同區(qū)域存放著不同的物品，中間的五位二進(jìn)制碼表示庫(kù)位號(hào)（可以最多表示32個(gè)庫(kù)位號(hào)），每個(gè)庫(kù)位擁有唯一的庫(kù)位號(hào)編碼。最后一位表示此庫(kù)位的存儲(chǔ)狀態(tài)，若庫(kù)位存放有貨品則編碼為1，否則就為0，此位在系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)中默認(rèn)為0。

3.2 庫(kù)位編碼的解析和狀態(tài)的顯示

PLC要想通過(guò)庫(kù)位編碼控制堆垛機(jī)完成指定區(qū)域庫(kù)位的入庫(kù)和出庫(kù)功能，以及庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)的顯示功能，就必須對(duì)庫(kù)位的編碼進(jìn)行解析。解析的過(guò)程是通過(guò)邏輯運(yùn)算分別提取出編碼中的區(qū)域編碼位，庫(kù)位號(hào)編碼位以及庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)位，提取公式如下。

[R0=R + R0] （1）

式中：[R0]為庫(kù)位編碼 [R]為信息提取碼

提取出各種編碼信息后，然后在觸摸屏上通過(guò)庫(kù)位狀態(tài)位來(lái)顯示每一個(gè)庫(kù)的存儲(chǔ)狀態(tài)，采用不同的顏色表示此庫(kù)位是否有貨物，庫(kù)位儲(chǔ)存狀態(tài)顯示界面如5所示。

3.3 庫(kù)位編碼的刷新和存儲(chǔ)

PLC控制堆垛機(jī)將物品存取到指定的目標(biāo)存儲(chǔ)單元后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)刷新庫(kù)位編碼的庫(kù)位存儲(chǔ)狀態(tài)位，當(dāng)將貨品存儲(chǔ)到庫(kù)位時(shí)，此位由0置為1，當(dāng)物品從庫(kù)位取出時(shí)，此位由清零，并進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)（觸摸屏）進(jìn)行顯示。庫(kù)位編碼刷新后，要進(jìn)行編碼信息的存儲(chǔ)工作，由于PLC為存儲(chǔ)器配有后備電池，因此只要經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)庫(kù)位編碼信息一般不會(huì)丟失。系統(tǒng)再次啟動(dòng)后，PLC將讀出存儲(chǔ)器的編碼信息并進(jìn)行顯示，進(jìn)行下一次的存取工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用GE公司的RXi3系列PLC以及觸摸屏來(lái)完成了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的模擬和實(shí)現(xiàn)。特別是將分類編碼技術(shù)運(yùn)用到物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域，不但能夠完成物品的查找以及定位功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，而且采用編碼的方式計(jì)算機(jī)以及其他的智能裝置實(shí)現(xiàn)可以和PLC實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。除此之外使用分類編碼技術(shù)代替了通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)庫(kù)位的存儲(chǔ)狀態(tài)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了傳感器以及PLC擴(kuò)展模塊的使用，大大降低了系統(tǒng)的成本。特別是在大型的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中效果尤為顯著，可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)模擬系統(tǒng)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的要求，從而為該系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)現(xiàn)提出了有利的理論依據(jù)。

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