基于PLC 控制的垂直式回轉刀具庫管理系統(tǒng)設計

梁晨艷 高芳 趙磊 師垚

摘要： 目前，垂直式回轉庫以其操作方便，定位準確，占地面積小，安全可靠的優(yōu)勢，逐漸取締傳統(tǒng)的藥架，貨架而被廣泛應用于藥房、廠房等場所。本文設計的基于PLC控制的刀具庫管理系統(tǒng)，基于.net平臺，采用C#語言，設計了一套圖形化的人機操作界面，通過串口與PLC進行通信，采用最優(yōu)路徑規(guī)劃控制箱斗轉動從而完成對刀具的自動出庫，入庫等操作。選用歐姆龍公司的CP1E PLC做控制器，可以有效地控制電機的起、停、到位。該系統(tǒng)同時可以與企業(yè)上層管理系統(tǒng)進行無縫對接，達到遠程操作控制的效果，且簡單、安全。我所自行研發(fā)的垂直式回轉庫目前已被應用于我所車間，此車間對刀具的使用量很大，傳統(tǒng)的人為管理方式問題較多，采用此系統(tǒng)可以有效地解決這一問題。

關鍵詞： 垂直式1；刀具庫2；控制3；PLC 4

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）26-0193-03

The Design of Vertical Carousel Management System Based on PLC Control

LIANG Chen-yan，GAO Fang， ZHAO Lei， SHI Yao

（The.16th Institute， China Aerospace Science and Technology Corporation， Xian 710100， China）

Abstract：Currently， vertical carousel is gradually instead of traditional shelf of medicine and goods with its advantages of easy-operation， accurate location， small dimension， safety and reliability， and be widely used in pharmacy， factory， and other places.The management system of tool magazine which designed in this document has based on .NET platform， used C# language， and implemented a suit of graphical interfaces of operation. It could complete the operations that tools automatically put-in and get-from the storages by the method of communication between serial port and PLC. Use theoptimal path control box rotation to complete the tool input or output and other operations.The Omrons PLC which be chosen for controller can effectively control the electrical machinery to motor， stop and place.Meanwhile， the system also can be seamlessly integrated with enterprises business management systems， for the purpose of remote operation control with simplicity and safety.Our institutes self-developed vertical carousel has been applied to our machine shop， it was using a large amount of tools， the traditional management has many problems and large deviations. Now， it effectively solved all the problems by using the system..

Key words： vertical carousel； management system of tool magazine； man-machine operation； PLC

垂直式回轉庫又稱為單元式立體倉庫，屬于物流倉儲設備中垂直式旋轉貨架[1]。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，對于現(xiàn)代倉儲設備需求越來越大，一個現(xiàn)代化的企業(yè)要做到精益生產和管理，必須統(tǒng)合整個供應鏈，包括從原材料、半成品、成品、生產、銷售等各個環(huán)節(jié)的信息，實時掌控每個節(jié)點各物料的需求、消耗和儲備情況，由于對信息化程度的高要求，及對廠房空間利用率的需求，致使人工管理的貨架已經很難滿足現(xiàn)代廠房的要求。各個企業(yè)迫切的需要實現(xiàn)車間現(xiàn)場級經濟實用的生產倉儲管理和監(jiān)控系統(tǒng)和設備，同時又能利用通信網絡，實現(xiàn)企業(yè)上層生產管理系統(tǒng)與底層過程控制系統(tǒng)之間的銜接[2]。

垂直式回轉庫作為典型的物料自動存取設備，可以提高空間的利用率，具有高效率、高效益、安全性、智能型、定位準確，移動迅速等特征，將刀具存放于垂直式回轉庫里不僅可以節(jié)省空間，更重要的是大大提升了存取的效率，同于又能與企業(yè)上層管理系統(tǒng)進行對接，形成一體的控制。

1 工作原理

垂直式回轉庫刀具庫結構部分是以機械傳動為主要原理的存儲機械，回轉原理采用弗里斯輪轉原理，以箱斗為儲存單元，以鏈條傳動為主、通過電機轉動帶動鏈條循環(huán)轉動，實現(xiàn) “由貨到人”的物流存儲方式[3]，并進行最優(yōu)路徑的選擇，貨柜管理人員通過刀具庫管理系統(tǒng)提供的操作界面，點擊相應的出入庫操作，通過電機驅使鏈條傳動，將刀具所在層的箱斗自動運轉到操作者面前，而不是人為費力地去尋找貨物，同時也可結合單位的物資管理系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)聯(lián)網控制，將物資與刀具管理系統(tǒng)連接起來，構建基于單位內部網絡的從領料人下出庫單，到領導批準，再到庫房管理人員出庫的一個完整的取件過程。

2 系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)分為以下四部分，上層管理層，操作管理層，控制層，被控對象層，如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

上層管理層：主要為單位物資管理系統(tǒng)，這一層不屬于必須層（屬于可選層，依據(jù)單位的實際情況而定，如果單位具有管理層，則刀具管理系統(tǒng)端則不需要數(shù)據(jù)庫，所有的數(shù)據(jù)來自物資管理系統(tǒng)，兩者通過中間表進行數(shù)據(jù)的交互）其主要是將單位的物資管理系統(tǒng)與刀具庫管理系統(tǒng)連接起來，進行數(shù)據(jù)交互。

操作管理層：是人機交互的界面，處于中間層，即可與管理層進行信息交互，接收管理層信息，也可自身單獨運行對各執(zhí)行裝置進行任務調度。用戶通過上位機操作界面將出庫、入庫等操作指令發(fā)送給執(zhí)行層，完成刀具的出入庫操作，同時也可通過與執(zhí)行層通訊，讀取反饋數(shù)量值，監(jiān)控各種標志狀態(tài)并做出邏輯判斷處理。操作層可依賴于管理層存在，也可獨立作為管理層存在，進行刀具管理。

控制層：PLC端接收到上位軟件指令，按照操作層發(fā)送的指令調用相應的底層控制程序，利用I/O開關量控制執(zhí)行級各部件。主要功能有：控制變頻器調速，控制電機正反轉，采集編碼器脈沖，控制各開關、按鈕和指示燈動作，執(zhí)行層接收控制層發(fā)送的指令，控制設備執(zhí)行各種操作，達到控制要求，其主要功能事通過交流電機實現(xiàn)回轉庫箱斗的正反轉，通過變頻器控制電機運行速度，通過編碼器反饋系統(tǒng)當前位置。執(zhí)行級硬件組成為：變頻器、交流電機、編碼器和各種開關及指示燈。

被控對象層：即指垂直式回轉庫結構本體。

2.1上位機軟件設計

上位機軟件部分主要是提供圖形化的操作管理界面進行刀具的出庫入庫操作及其他管理操作功能，整個上位軟件一方面與企業(yè)上層系統(tǒng)進行信息交互獲取物資系統(tǒng)的數(shù)據(jù)情況，一方面與執(zhí)行層通過RS422串口通信進行控制指令的分發(fā)。

上位軟件包括系統(tǒng)管理，庫存管理，入庫管理，出庫管理，報表管理五大模塊。系統(tǒng)管理層是對用戶權限密碼的管理，從信息保密和數(shù)據(jù)安全的角度考慮，必須保證只有授權的用戶才可以登錄系統(tǒng)，還必須限制每個用戶可訪問信息的范圍和可以執(zhí)行的操作，不同權限人員使用的功能不同，管理員可以增刪用戶，用戶只能修改自身密碼。刀具入庫時，由操作人員掃描條碼根據(jù)數(shù)據(jù)庫返回的信息來確定入庫位置，將入庫指令給PLC執(zhí)行機構，垂直式回轉庫按照最優(yōu)路徑轉動到入庫層，然后人工將刀具放在相應的位置，在完成入庫作業(yè)后，返回作業(yè)完成信息，等待下一作業(yè)指令，出庫時接收到物資管理系統(tǒng)的出庫命令，回轉庫自動按照最短路徑正轉或者反轉，將刀具所在層旋轉到操作者前，等待確認貨物正確，服務器接收到貨物出庫完成信息后，管理系統(tǒng)更新庫存數(shù)據(jù)庫中的刀具信息。庫存管理是對刀具信息，出入庫記錄查詢。報表管理主要是進行信息的跟蹤與記錄方便追溯。

整個上位軟件架構如圖2所示：

圖2 刀具管理系統(tǒng)軟件架構圖

2.2 PLC控制設計

本系統(tǒng)選用的PLC為歐姆龍公司的CP1E型PLC，采用歐姆龍公司提供的CX-Programmer軟件進行編程，主要通過編制的梯形圖程序，完成對電機的控制，采用PLC控制變頻器，用變頻器來控制變頻電機，進行電機的啟動、停止以及速度切換，設計電器安全回路，采用零位控制法和最有路徑法，實現(xiàn)設備的運行。

CP1E系列PLC與上位計算機之間的通信支持HostLink通信協(xié)議，在PLC段采用CP1W-CIF11選件板作為RS-422端口，上位機與PLC進行通信，再由PLC發(fā)給變頻器數(shù)字信號，由PLC直接控制變頻電機的啟動、停止、正轉、反轉以及速度切換[4] ，PLC控制系統(tǒng)的框圖如圖3示：

圖3 PLC控制系統(tǒng)圖

PLC通過控制繼電器的開通和關斷，來直接控制變頻電機的啟動、停止、正轉、反轉以及速度切換[5]。

圖4 PLC與變頻器的接線圖

2.2.1 零位控制方法

在結構上，一側十二個塑料隔套中，將一個設計為鐵質隔套，在控制上，當接近開關接近鐵質隔套的時候，產生信號，將此信號作為零位信號傳給PLC，來進行零位控制，從而來進行平層的位置的精確控制，在運行過程中，每當經過零位時，采取對編碼器值清零的方式，可消除運動過程中疊加誤差。

2.2.2 最優(yōu)路徑法

為了使得回轉庫每次在旋轉時達到路徑最短設計了以下的計算方法，通過選擇最優(yōu)路徑算法公式，從而實現(xiàn)路徑最優(yōu)法，DetNum為目標倉位層號，PresNum為當前倉位層號，MaxNum為總倉位層數(shù)。

垂直回轉庫正轉選址計算公式：

[0<（DetNum-PresNum）≤MaxNum2]

[（DetNum-PresNum）≤MaxNum2]

垂直回轉庫反轉選址計算公式：

[（DetNum-PresNum）>MaxNum2]

[-MaxNum2<（DetNum-PresNum）<0]

2.3 通信設計

上位軟件與PLC之間的通信過程采用HostLink通信，上位機發(fā)送的指令主要是對PLC的DM區(qū)進行操作，設計對PLC的D區(qū)地址進行位置的控制，W區(qū)對電機回零，完成標志，急停標志的控制。

上位機與下位機的通信可以實現(xiàn)一對一控制，也可實現(xiàn)一對多控制，采用RS422串口通信，RS422通信是一種基于串口的一對多協(xié)議。協(xié)議遵守MODBUS協(xié)議，幀格式為：

報頭（即@）+ 機號 + 命令 + 起始地址 + 長度 + FCS校驗 + 報尾（即 *+回車符 ）

例如：發(fā)：@01RD0020001155*

收：@01RD00 0001 300E 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 55*

01：一號機為01，二號機為02，在PLC設置里面下傳時設定，需對應起來。

命令：常用到的是讀命令RD和寫命令WR、WD。

起始地址：表示本幀的讀或者寫操作的對象區(qū)域開始處。

長度：要進行讀或者寫操作區(qū)域的長度。

FCS校驗：本報文遵循異或校驗，PLC硬件自動響應上傳報文及自動計算和校驗FCS校驗碼，不用PLC程序進行額外的編寫。

通信部分主要設計的函數(shù)有：

public string WriteToDM（string Port，Int32 DMposition， Int32 DMContents）

通過串口向DM區(qū)寫數(shù)，Port為端口號， DMposition為位置，DMcontents為內容其要轉換成16進制。

public string ReadDM1（string Port， Int32 DMposition， Int32 DMContents）

通過串口讀DM區(qū)的數(shù)據(jù)。

public string SendString（string s）

指令發(fā)送函數(shù)。

public string CheckFcs（string s）

串口效驗函數(shù)。

3 結論

實踐證明基于PLC控制的垂直式回轉刀具庫管理系統(tǒng)以極小的代價即可實現(xiàn)刀具的存儲控制管理，這種方式簡單、安全，可靠，，節(jié)省空間。這一研究對后續(xù)基于PLC控制的設備管理設計研究提供了一定的參考價值，同時對刀具的管理提供了一套新的思路，新的管理方式，改變了傳統(tǒng)的刀具庫存放方式，垂直式回轉庫以其極大的優(yōu)勢及便宜的價格必將在以后的物流倉儲行業(yè)得到大力的發(fā)展與應用，成為物流行業(yè)的新寵。

參考文獻：

[1] 張建軍.自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2003（6）.

[2] 滕揚.車間生產任務管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 大連：大連理工大學，2006.

[3] 周耀輝.立體倉庫電控系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[4] 李秀杰.多回轉區(qū)智能藥柜控制流程規(guī)劃[J]. 工業(yè)控制計算機，2011（10）.

[5] 錢昕.基于PLC的自動化立體倉庫設計與組態(tài)監(jiān)控[D].蘇州：蘇州大學，2009.