基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

張 鵬，張 騰

（齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，濟(jì)南 250353）

基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

張 鵬，張 騰

（齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，濟(jì)南 250353）

傳統(tǒng)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)往往采用有線通訊或紅外通訊的方式，存在傳輸距離短、靈活性差、應(yīng)用范圍窄、易被遮擋而造成通訊中斷等缺點(diǎn)。為克服上述問題，建立了基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)，介紹了自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及監(jiān)控軟件接口程序，分析了該系統(tǒng)工作過程中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，無線數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間保持在15ms以內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

無線網(wǎng)絡(luò)；響應(yīng)時(shí)間；自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)；PLC

0 引言

近年來，隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，生產(chǎn)和銷售業(yè)紛紛加大了自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的建設(shè)力度。堆垛機(jī)[1]是自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)系統(tǒng)中貨物的自動(dòng)存取作業(yè)。目前國內(nèi)在用的堆垛機(jī)，其與外部設(shè)備之間的通訊主要采用紅外通信[2]與現(xiàn)場(chǎng)總線[3]結(jié)合的方式。這種方式雖然已經(jīng)很成熟，但存在以下問題：1）傳輸距離受限；可靠性低，易被遮擋而造成通信中斷；2）因采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而擴(kuò)展性差，不適合于彎曲巷道的場(chǎng)合（如U型巷道、S型巷道、環(huán)型巷道）。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]采用點(diǎn)對(duì)面之間的空間立體通信，適合彎道傳輸，且具有傳輸速率快、數(shù)據(jù)傳輸量大、調(diào)試和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，解決堆垛機(jī)與外部設(shè)備的通訊問題[5]。

本文結(jié)合某高校的需求，研發(fā)了基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)工作過程中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析。

1 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)備布局

結(jié)合某高校物流實(shí)驗(yàn)室大小（長×寬×高）：1140×720×330（cm），采用CAD軟件對(duì)自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，立體貨架作為存儲(chǔ)設(shè)備占用面積較大，因此應(yīng)按照實(shí)驗(yàn)室長度方向布局兩排貨架，貨架兩端分別為出庫口和入庫口，通過傳送帶和移栽機(jī)以及提升機(jī)和穿梭車分別連接出庫口和入庫口，以構(gòu)成自動(dòng)倉儲(chǔ)循環(huán)控制系統(tǒng)，突出系統(tǒng)運(yùn)行效果；同時(shí)在出庫口和入庫口附近分別布置監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理計(jì)算機(jī)，使得操作員不僅能夠在入庫出進(jìn)行任務(wù)處理，還能在出口處對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC控制柜帶有強(qiáng)電，故擺放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員較少走動(dòng)不易觸碰位置，保證了系統(tǒng)整體安全性。圖1為自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備布局圖，倉儲(chǔ)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括堆垛機(jī)、輸送機(jī)、提升機(jī)、移栽機(jī)、立體存儲(chǔ)貨架、管理與監(jiān)控計(jì)算機(jī)及輔助設(shè)備。該系統(tǒng)包括一個(gè)入庫口和三個(gè)出庫口；兩排立體貨架，長×寬×高為820×90×270(cm)；共228個(gè)貨位，每個(gè)貨物單元的長×寬×高：30×20×15(cm)，其額定載荷為10kg。

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、地面主站PLC、堆垛機(jī)PLC之間采用無線通訊方式，其中監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過配置OPC服務(wù)器與地面主站PLC通訊連接，堆垛機(jī)PLC通過配置的無線通訊模塊與地面主站PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)直接傳輸，條碼掃描儀、激光測(cè)距儀、HMI觸摸屏通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC控制器連接。圖2為自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)圖。

系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí)NETGEAR WG103無線AP，能夠提供更廣的無線信號(hào)覆蓋區(qū)域和穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)通訊?？刂浦髡九c堆垛機(jī)（控制從站）PLC均采用西門子S7-300系列的CPU313C-2 DP中央處理模塊、SM321數(shù)字量輸入輸出信號(hào)模塊、CP 343-1通訊模塊、USR-WIFI232-610無線信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊等。觸摸屏和變頻器模塊通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS與CPU中央處理器連接。堆垛機(jī)水平定位系統(tǒng)采用德國SICK公司的DL100系列激光測(cè)距儀，其定位精度達(dá)到±0.5mm。垂直定位系統(tǒng)采用德國勞易測(cè)公司BPS348iSM10條碼定位儀，其定位精度達(dá)到±1mm。

圖1 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)布局圖

圖2 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)圖

2 無線網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

堆垛機(jī)PLC、地面主站PLC、管理計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要正確配置的IP地址，應(yīng)保證每臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址不沖突，如圖3所示。

為驗(yàn)證系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，各通訊站點(diǎn)配置正確的IP地址后，進(jìn)行了相應(yīng)的通訊測(cè)試。表1和表2分別為系統(tǒng)無任務(wù)和有任務(wù)兩種情況下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)。

圖3 IP通訊地址配置示意圖

系統(tǒng)上電初始化等待5s后，待各通訊站點(diǎn)內(nèi)部系統(tǒng)部署完畢，通過管理計(jì)算機(jī)分別向監(jiān)控計(jì)算機(jī)站點(diǎn)、地面主站PLC控制柜站點(diǎn)和堆垛機(jī)PLC控制柜站點(diǎn)發(fā)送兩種數(shù)據(jù)包，用來測(cè)試各站點(diǎn)之間傳輸不同大小數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。

在無任務(wù)情況下，以發(fā)送每個(gè)大小為32byte和64 byte的10個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)試。從表1看出管理計(jì)算機(jī)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為4ms和4 ms，到地面主站控制站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為3 ms和4ms，到堆垛機(jī)控制站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為5ms和2ms。有任務(wù)情況下，系統(tǒng)工作過程中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，同樣發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)試。從表2看出管理計(jì)算機(jī)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為2ms和4ms，到地面主站控制站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為6ms和4ms，到堆垛機(jī)控制站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)間分別為5ms和2ms。

通過以上數(shù)據(jù)說明，采用無線網(wǎng)絡(luò)通訊方式，各站點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間保持在15ms以內(nèi)，完全能夠滿足系統(tǒng)通訊要求。

表2 有任務(wù)情況下

為了進(jìn)行對(duì)比分析，我們同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)得到，若系統(tǒng)采用有線以太網(wǎng)通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間均小于1ms。無線網(wǎng)絡(luò)通訊雖然其響應(yīng)時(shí)間明顯超過有線以太網(wǎng)通訊，但仍完全能夠滿足系統(tǒng)通訊要求，并且極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

值得注意的是，無線通訊系統(tǒng)與有線通訊系統(tǒng)相比較，數(shù)據(jù)傳輸信道較容易受到干擾，特別在規(guī)模較大、傳輸距離較長的系統(tǒng)中，為保證無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，可以通過加大無線電系統(tǒng)功率，即提高信噪比，或在通訊軟件上進(jìn)行改進(jìn)，例如通過改進(jìn)通訊系統(tǒng)中單字節(jié)信息校驗(yàn)方式為雙字節(jié)校驗(yàn)方式、通訊協(xié)議及通訊管理的改進(jìn)均可提高無線網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。

3 監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)自帶無線網(wǎng)卡與PLC無線信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行無線通訊。監(jiān)控軟件操作界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控軟件主界面

計(jì)算機(jī)硬件配置列表如表3所示。

表3 監(jiān)控計(jì)算機(jī)硬件配置

監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要安裝Simatic Net軟件和STEP7 PLC編程軟件，配置OPC服務(wù)器，通過開發(fā)OPC的接口程序，實(shí)現(xiàn)與PLC控制器的無線通訊，堆垛機(jī)PLC與地面主站PLC通過通訊模塊通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件控制堆垛機(jī)、輸送機(jī)等設(shè)備作業(yè)。OPC服務(wù)器配置方法主要步驟如下：

1）通過Simatic Net軟件組態(tài)一個(gè)PC站點(diǎn)，并將該站點(diǎn)配置成OPC服務(wù)器，同時(shí)配置Ethernet通訊網(wǎng)絡(luò)，其IP地址設(shè)置為192.168.1.105，并編譯與保存。

2）通過STEP7 PLC編程軟件在地面主站PLC控制器中新建一個(gè)工程，同樣采用Ethernet通訊網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，將地面主站的PLC控制器IP地址設(shè)置為192.168.1.101，并下載到PLC控制器中。

3）打開Simatic Net軟件中Station Configuration Editor后，并點(diǎn)擊Import Station，找到第一步創(chuàng)建的XDBs文件夾下的XDB文件，將其導(dǎo)入，即OPC服務(wù)器的相關(guān)配置完成。

監(jiān)控軟件與OPC服務(wù)器接口程序主代碼如下：

而堆垛機(jī)與地面主站PLC間采用無線信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，通過主站PLC程序調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)通訊，調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 通訊程序調(diào)用結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文建立了基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，介紹了自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)組成以及監(jiān)控軟件接口程序。通過實(shí)驗(yàn)分析，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高了系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)充性的同時(shí)，較好的滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，可對(duì)我國傳統(tǒng)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的升級(jí)改造提供借鑒。

[1] 張曉東,曹毅,李秀娟.立體倉庫巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(5):46-48.

[2] 王志成,于東,等.數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線可靠通信機(jī)制的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(3):152-158.

[3] 傅韜,黃本雄.無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,37(8):40-46.

[4] 于小強(qiáng),楊暉,楊海馬,等.基于紅外通信的無線傳感節(jié)點(diǎn)在漏纜檢測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(1):149-153.

[5] 馮勇軍,李寧,童光華,等.立體倉庫用堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)與選用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(12):77-79.

Automated storage system based on wireless network technology

ZHANG Peng, ZHANG Teng

TP271

A

1009-0134(2017)04-0117-04

2016-11-26

濟(jì)南市高校院所自主創(chuàng)新計(jì)劃（201202079）

張鵬（1977 -），男，山東濟(jì)南人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c檢測(cè)技術(shù)。