基于PLC控制自動化立體倉儲系統(tǒng)設計

王龍

（甘肅省定西市臨洮縣職業(yè)技術教育中心 甘肅省定西市 743000）

1 PLC自動倉儲系統(tǒng)概述

建設智能化制造車間是現(xiàn)代裝備制造業(yè)提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的重要途徑。自動化存儲系統(tǒng)是智能化制造車間任務連接的重要組成部分和關鍵環(huán)節(jié)。目前世界上著名的自動化物流系統(tǒng)公司包括德國的 DEMATIC、荷蘭的范德蘭德、丹麥的克里斯普蘭特等。國內(nèi)知名的自動分揀系統(tǒng)制造商，包括深圳天和雙利物流自動化設備有限公司、開發(fā)了先進的電子標簽揀系統(tǒng)的康達基業(yè)、上海郵政通用技術設備公司等。工業(yè)機器人已廣泛應用于倉儲物資的自動分揀和汽車生產(chǎn)線上。PLC 廣泛應用于非標準自動化生產(chǎn)線的開發(fā)，如整流器裝配生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。近年來，航天器裝配車間開始嘗試基于機器人的自動化物流技術。航空航天產(chǎn)品的規(guī)格不是很大。當產(chǎn)品儲存時，系統(tǒng)的清潔度要求很高。產(chǎn)品的儲存具有小批量和多批量的特點。商用自動化容器滿足上述存儲要求。然而，在航空航天領域還沒有與機器人和商業(yè)自動化集裝箱集成的自動化倉儲系統(tǒng)。自動化倉儲系統(tǒng)的貨架結構如圖1所示。

未來，在2025年智能制造不斷進步的新形勢下，為了解決勞動力成本上升帶來的壓力，工業(yè)領域正逐步向無人化車間方向發(fā)展，對生產(chǎn)設備的自動化程度提出了更高的要求。在自動化程度較高的倉庫管理方面，由于存在機器故障或人為加工錯誤，導致庫存信息與實際對象不一致，需要定期或不定期的庫存操作。原來的操作方式是工作人員拿出打印好的貨物位置信息清單，然后拿一個堆垛機到貨物位置進行現(xiàn)場驗證。這種操作方法有幾個問題：

安全風險：目前絕大多數(shù)堆垛機都是為貨物設計的。設計中沒有考慮安全措施，設計的安全水平不能滿足人的要求。用堆垛機對貨物進行檢查的人員有很大的從高處墜落的危險。

二是工作量大，堆垛機的巷道有一千多個崗位，人員一個接一個地檢查，會耗費大量的時間和精力。

第三，生產(chǎn)效率低：自動化倉庫的應用場景一般都是在生產(chǎn)現(xiàn)場倉庫或物流樞紐倉庫具有較高的周轉率，這就要求倉儲效率非常高。如果采用人工盤存，則必須停止現(xiàn)有的倉儲作業(yè)，并在庫存完成之前停止整個生產(chǎn)過程。

為了解決上述問題，采用數(shù)字圖像處理方法，結合堆垛機 PLC技術，控制工業(yè)攝像機采集貨物位置的物理圖像，識別物理箱上的一維條碼信息，實現(xiàn)貨物位置上物料的自動檢測和校對，將大大提高生產(chǎn)設備的生產(chǎn)效率和自動化程度。

2 PLC自動倉儲系統(tǒng)無線信道的構建

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展使得客戶可以定制他們的產(chǎn)品[1]。因此，在一個工廠中，大量多樣化和個性化的訂單形式在各個過程中對貨物的存儲和檢索提出了挑戰(zhàn)性的問題。自動化立體倉庫以其獨特的優(yōu)點，如堆垛機定位、自動化立體倉庫存取等，得到了廣泛的應用。因此，自動化立體倉庫在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用越來越受到人們的重視。

圖1：自動化立體倉庫貨架結構示意圖

圖2：自動化成品裝箱碼垛系統(tǒng)控制結構

圖3：物品按類確定入庫示意圖

目前，隨著商品種類的不斷增多和個性化，對堆垛機與控制臺之間的通信精度提出了更高的要求。我們曾參觀過寶馬華晨汽車公司的自動化立體倉庫。雖然倉庫采用無線通信，但是由于信號的中斷，故障監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)常報警。這些架構都采用了西門子SCALANCE w 系列的無線解決方案。無論信道環(huán)境如何，他們只是通過三維鋼結構構建考慮信號覆蓋問題的無線通信系統(tǒng)。嚴重的工廠環(huán)境影響可能超出協(xié)議的可接受范圍(例如 IEEE802.11) ，導致頻繁的數(shù)據(jù)重傳直到超時。因此，信號被中斷，監(jiān)視器報警。本文重點研究了三維鋼結構框架的通道環(huán)境。據(jù)我們所知，這是第一次針對自動化立體倉庫無線通信信道建模的工作。更具體地說，我們通過三維鋼結構建立了堆垛機與控制臺之間的無線通道模型。建模方法是時域有限差分法(FDTD)。仿真結果表明，接收到的波形具有嚴重的幅度和波形失真，甚至比大多數(shù)協(xié)議的自由空間損耗更大的衰減值。模擬結果更接近實際工業(yè)現(xiàn)場的實際值。在不久的將來，我們將首先考慮其他實際因素，如框架內(nèi)容器的形狀，以及工業(yè)現(xiàn)場的空氣，從而建立更準確的無線信道模型。接下來，我們將根據(jù)一些協(xié)議中更準確的結果來修正響應信道影響的機制。最后，利用所需的硬件在實際工業(yè)現(xiàn)場進行了一些實際的實驗。

3 自動化立體倉儲自動揀選輸送線控制系統(tǒng)

3.1 自動揀選系統(tǒng)工作流程

自動揀選輸送線由輸送線、自動容器、機器人和外軸導軌、輸出平臺、電控柜、條碼掃描儀、數(shù)碼相機、機器人夾具和光電傳感器組成。一個定制的手爪被機器人用來抓取工作箱。機器人導軌用于將工作倉轉移到出站臺或輸送線上?？偣踩齻€工作箱可放置在出站平臺上，位置設有光電傳感器和定位塊。輸送線主要實現(xiàn)集裝箱入庫的運輸。輸送線由一個結構體、兩條輸送帶、一個提升電機和一個定位電機組成。工作過程如下: 首先，輸送帶1 把工作倉運送到輸送帶2。其次，傳送帶2 上的光電傳感器檢測工作倉是否在位。當工作倉到達指定位置時，將兩條傳送帶連接處的提升機構提起，并阻塞后續(xù)工作倉。最后，對工作倉定位裝置進行擴展，并對工作倉進行輔助定位。實現(xiàn)了工作倉傳動和二次定位的全過程。當工作倉定位精度為 ± 5mm 左右時，機器人夾持器的夾持位置需要實現(xiàn)小于 ± 1mm 的定位精度。夾具由夾緊機構、伺服電動缸、數(shù)碼相機和條形碼掃描器組成。在抓取之前，攝像機檢測工作箱上的定位孔與機器人手勢之間的偏差。該程序根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動調(diào)整機器人的姿態(tài)，驅動夾鉗上的電動圓筒實現(xiàn)對工作倉的精確抓取。

3.2 控制系統(tǒng)設計

自動揀選輸送線控制系統(tǒng)有三種操作模式: 出庫、工作倉出庫、工作倉回庫。在出倉過程中，相應的帶有工作箱的托盤將被運出倉庫。機器人通過視覺定位將工作箱抓取到出站平臺上。當所有的垃圾箱都被抓住時，這個過程就結束了。每批可以抓取三個工作箱。一批完成后，執(zhí)行下一批運輸工作。在工作倉出庫的過程中，相應的工作倉，其中包括要從倉庫運送出去的材料。機器人通過視覺定位將工作倉抓取到輸送線上。輸送線將工作倉轉移到存儲操作區(qū)。當所有的材料被裝入工作倉后，操作員觸發(fā)工作倉的返回過程。具體的輸送系統(tǒng)結構如圖2所示。

輸送線將工作倉轉移到倉儲運輸站。編碼器掃描垃圾箱上的代碼，相應的托盤送出倉庫。當機器人把工作箱抓進集裝箱時，倉儲過程完成。每批最多3 個集裝箱可以在倉庫交貨。工作流程，I/O分配如圖3所示。

自動揀選輸送線控制平臺采用計算機和西門子 PLC 控制可編程序控制器?？刂葡到y(tǒng)分為3 個層次: 組織層次、解釋層次和執(zhí)行層次。作為一個組織層次，PC 機通過遠程服務器數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和處理、集裝箱的自動遠程控制、人機交互和工業(yè)以太網(wǎng)路報警顯示。作為解釋層，PLC 通過 PROFIBUS 總線和擴展的 I/O 模塊成對執(zhí)行級硬件的控制。介紹了機器人手爪控制、機器人外部程序控制、輸送線各電機的程序選擇、運動控制、信號采集與安全系統(tǒng)管理、光電開關、安全光柵、指示燈等傳感器的信息反饋與報警。

在軟件的設計過程中，基于微軟的基本類庫 MFC 開發(fā)了自動揀選輸送線控制軟件。該軟件包括工作倉的數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)當前狀態(tài)的顯示、待辦事項列表和數(shù)碼相機的監(jiān)控。它還包括暫停，繼續(xù)，重置功能按鈕。該軟件的工作流程是: 首先，將物料的收發(fā)指令發(fā)送到自動揀選和輸送線控制軟件。然后，任務項將顯示在待辦事項列表中。最后，執(zhí)行了進出倉庫的程序，并實現(xiàn)了相應的操作。數(shù)據(jù)庫塊計劃在 PLC 中交互使用的數(shù)據(jù)。PLC 數(shù)字 I/O 輸入輸出位設置了與 SMC 驅動器的對應關系。PLC 通過數(shù)字 I/O 輸入/輸出位發(fā)送或接收0 或1 指令來控制電動執(zhí)行機構的操作，并能監(jiān)控電動執(zhí)行機構的操作。PLC 與輸送線之間的通信主要是與輸送線上的混頻器和電動圓筒擋板進行通信?；祛l器采用24V 高電平觸發(fā)器。電動汽缸擋板24V 上升和負24V 下降。計算機基于 HOST CGI 接口完成對自動化集裝箱的控制。自動化容器的 C3000 控制單元可以使用 TCP/IP 協(xié)議連接到 l0/l00MBit 以太網(wǎng)?？刂栖浖褂?libcurl庫作為 HTTP 客戶機，完成控制軟件與自動化容器之間的通信。

機器視覺識別的信息由兩部分組成: 一部分是條形碼及其所代表的物質信息，另一部分是位置信息。這兩部分信息在 WMS 系統(tǒng)中也是可用的，但是這兩組信息源是不同的。機器視覺識別的信息是物理信息，實際上反映了當前的實物商品。WMS 中的信息是在立體倉庫管理過程中形成的信息。它是一系列處理任務的結果。它是存貨信息的邏輯層次。將來自這兩個來源的信息進行比較，以生成一份清單報告。報告的內(nèi)容包括: 機器視覺信息、WMS 信息和一致性。一致的信息表明清單是準確的。倉庫管理系統(tǒng)(WMS)根據(jù)業(yè)務需求在適當?shù)臅r候發(fā)布盤點指令。這個時間點的選擇可以考慮設備閑置和進出任務相對較少時的情況。如果裝卸作業(yè)較多，生產(chǎn)壓力始終較高，可考慮采用 WMS 管理功能將巷道的裝卸作業(yè)分配到其他巷道來平衡壓力。指令通過設備調(diào)度系統(tǒng)(TDCS)傳輸給堆垛機 PLC。一般來說，上層管理系統(tǒng)(WMS 和 TDCS)遠離堆垛機，因此以太網(wǎng)通信是合適的。常用的通信方法包括 Nport、 Opc 技術和 Rslinx 軟件。

4 小結

綜上所述，根據(jù)裝配倉庫的實際情況，設計并開發(fā)了自動揀選輸送線控制系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)工程原型，開發(fā)了上位機控制系統(tǒng)軟件。通過上位機和 plc 實現(xiàn)了自動化集裝箱、工業(yè)機器人、輸送線和輔助傳感器的自動控制系統(tǒng)。完成了新型自動揀料輸送機的試驗和應用。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)每批3 個箱子的自動存儲和交付。設計的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制精度滿足要求，物料采送功能實現(xiàn)良好。