自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 磊，雷 斌，高 博

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所，蘭州730070）

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為CIMS（Computer Intergrated Manufacturing Systems，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）和FMS（Flexible Maunfacture System，柔性制造系統(tǒng)）的一部分，是生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中的一個(gè)緩沖環(huán)節(jié)。它是一個(gè)將毛坯、半成品、配套件或成品、工具等物料自動(dòng)存取、自動(dòng)檢索的多層倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)?，F(xiàn)在智能化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)仍是目前市場(chǎng)的主體。隨著中國(guó)企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)量的增加，以及重視與合理應(yīng)用土地這一稀缺資源的意識(shí)不斷增強(qiáng)，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)必將得到更廣泛使用。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備主要包括堆垛機(jī)、輸送機(jī)等，這些設(shè)備由PLC控制。對(duì)這些設(shè)備的監(jiān)控實(shí)際上就是上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)向控制相應(yīng)設(shè)備的PLC發(fā)操作控制指令，同時(shí)接收下位PLC報(bào)告的設(shè)備工作信息。

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)功能一般包括設(shè)備調(diào)度、設(shè)備工作狀態(tài)顯示、記錄、報(bào)警、操作引導(dǎo)信息顯示、條碼讀取等。監(jiān)控通信協(xié)議對(duì)于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全和高效的監(jiān)控和調(diào)度是一個(gè)關(guān)鍵，設(shè)備監(jiān)控通信協(xié)議需要考慮監(jiān)控對(duì)象的工作特點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求以及可靠性要求。

系統(tǒng)監(jiān)控可以分解成控制和監(jiān)視兩個(gè)任務(wù)?？刂剖侵干衔槐O(jiān)控計(jì)算機(jī)給PLC發(fā)送操作指令。操作指令類型包括：出庫(kù)、入庫(kù)、揀選出庫(kù)、庫(kù)內(nèi)搬移。每條指令除了指令類型信息，還包括操作的操作地址，以及確認(rèn)信息。監(jiān)視主要是指記錄和顯示設(shè)備工作的狀況，主要是故障狀況。立體倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對(duì)入庫(kù)輸送機(jī)和堆垛機(jī)的監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)通信分層及傳輸層協(xié)議的選擇

本設(shè)計(jì)選擇的基于以太網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控通信協(xié)議層次模型，如圖1。

圖1 監(jiān)控通信協(xié)議層次模型

在傳輸層采用UDP/IP協(xié)議。UDP是一種無(wú)連接的傳輸協(xié)議，位于IP協(xié)議的上層。UDP采用簡(jiǎn)單的校驗(yàn)和技術(shù)進(jìn)行差錯(cuò)控制，不處理流量控制。同TCP協(xié)議相比，UDP傳輸不需要建立連接，報(bào)文簡(jiǎn)單，傳輸?shù)念~外負(fù)載小，使得數(shù)據(jù)傳輸效率非常高，適用于實(shí)時(shí)通信。但UDP無(wú)法解決以太網(wǎng)本身通信不確定性和沖突的問題。這些問題可通過兩種方法結(jié)合解決：（1）在底層采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)。（2）在應(yīng)用層設(shè)計(jì)可靠的通信協(xié)議。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了防止通信對(duì)PLC輸入輸出映像區(qū)的占用和干擾，最好不要直接對(duì)輸入輸出映像區(qū)進(jìn)行讀寫。同時(shí)為了方便實(shí)現(xiàn)用戶層應(yīng)答協(xié)議，常用的方法是在PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器開辟2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)“窗口”，作為通信數(shù)據(jù)區(qū)。一塊數(shù)據(jù)區(qū)用于監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，稱為PC寫區(qū)，專門由監(jiān)控計(jì)算機(jī)寫，PLC讀。另一塊用于PLC報(bào)告狀態(tài)，稱為PLC寫區(qū)，專門由PLC寫，監(jiān)控計(jì)算機(jī)讀。

PLC檢出故障后需要向監(jiān)控計(jì)算機(jī)報(bào)告，如果把所有檢測(cè)到的狀態(tài)位（“0”表示正常、“1”表示故障）都傳到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，則信息量太大。例如，8個(gè)位置的超限故障則需要8 byte表示。對(duì)其進(jìn)行壓縮是必要的，最常用的辦法是對(duì)故障狀況進(jìn)行編碼，形成故障代碼。故障狀況以故障代碼形式發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)把故障代碼翻譯成具體故障描述，在監(jiān)控界面上顯示、報(bào)警，并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，以備查詢。由于正常狀態(tài)沒必要報(bào)告，在正常情況下下位機(jī)不報(bào)告異常。系統(tǒng)中涉及的故障代碼包括堆垛機(jī)故障代碼和輸送機(jī)故障代碼。

2.2.2 通信原理及步驟

數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。以PC向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)為例，不僅要保證數(shù)據(jù)正確發(fā)送，還要保證PLC正確讀入。由于雙方各有獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊，PC將數(shù)據(jù)寫到自己的數(shù)據(jù)塊中后，應(yīng)等到PLC將數(shù)據(jù)讀入自己的數(shù)據(jù)塊中后，校驗(yàn)PLC的讀取是否正確。

基本通信步驟如下：

（1） PC發(fā)送指令允許為1時(shí)，表示PLC可以接收指令。PC在PC寫區(qū)中寫入指令。（2） PLC在事件號(hào)發(fā)生變化時(shí)，將指令讀入，驗(yàn)證指令合法性，驗(yàn)證通過則清零PC發(fā)送指令允許，并將PC寫區(qū)“確認(rèn)信息碼”置為1。表示PLC已經(jīng)讀到指令數(shù)據(jù)，并禁止PC發(fā)送指令。（3） PC在收到“確認(rèn)信息碼”為1后，表示指令發(fā)送成功。雙方作相應(yīng)的處理后進(jìn)行第2次通信。

下位機(jī)執(zhí)行完一條指令后通過將“PC指令發(fā)送允許”置為1，向上位機(jī)報(bào)告。上位機(jī)接到完成報(bào)告后，即可發(fā)送下一條指令。通信過程中出現(xiàn)任何異常，下位機(jī)必須通知上位機(jī)，并結(jié)束此次通信，作相應(yīng)的異常處理后，重新開始下一輪數(shù)據(jù)交換；若連續(xù)3次通信異常，系統(tǒng)將發(fā)出警告或停止運(yùn)行。若下位機(jī)執(zhí)行指令過程中出現(xiàn)異常，應(yīng)停止運(yùn)行并向上位機(jī)報(bào)告，等待管理員處理后重新聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

3 監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

按照上述監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議來(lái)完成監(jiān)控，所需數(shù)據(jù)包括指令信息，條碼信息，PC寫區(qū)以及PLC寫區(qū)等幾部分組成。

指令信息來(lái)源于監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)庫(kù)。首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立指令緩沖表，無(wú)線終端作為數(shù)據(jù)產(chǎn)生者向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入指令，而監(jiān)控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)使用者從數(shù)據(jù)庫(kù)取走指令，構(gòu)成生產(chǎn)者-消費(fèi)者通信模式。通過SQL語(yǔ)句，監(jiān)控系統(tǒng)可以從公共數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取指令信息。當(dāng)指令處理過程中，可以進(jìn)一步通過SQL語(yǔ)句完成對(duì)指令信息的修改。

條碼信息的獲取是通過映射得到的固定條碼掃描儀端口獲得的。經(jīng)過映射后，監(jiān)控系統(tǒng)可以像使用監(jiān)控機(jī)本機(jī)所配的串口設(shè)備一樣使用該串口。通過加載VB程序中的RS-232串口通信控件，并進(jìn)行相應(yīng)的串口參數(shù)設(shè)置后即可通過該串口獲取條碼信息。

PC寫區(qū)以及PLC寫區(qū)這兩部分信息為PLC的兩個(gè)數(shù)據(jù)塊。完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)塊操作，必須通過OPC服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)連接

監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先建立與公共數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接。連接代碼如下所示：

If Conn.State Then Conn.Close Conn.Open Connstring

3.2 固定條碼掃描儀串口設(shè)置

在與下位PLC建立連接的同時(shí)，應(yīng)打開A區(qū)左右兩側(cè)的固定條碼掃描儀對(duì)應(yīng)串口。代碼如下。

' 串口波特率設(shè)置

ComA.Settings 9600, n, 8, 1

ComB.Settings 9600, n, 8, 1

'串口接收門檻值設(shè)置

ComA.RThreshold = 7

ComB.RThreshold = 7

' 打開串口

If ComA.PortOpen = False Then ComA.PortOpen = True

If ComB.PortOpen = False Then ComB.PortOpen = True

串口打開后在OnComm事件中即可接收條碼信息。具體處理流程如圖3。

3.3 OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)讀寫

基于OPC技術(shù)規(guī)范的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問方法主要有同步訪問、異步訪問和數(shù)據(jù)訂閱3種訪問方式。本系統(tǒng)中采用了同步方式和訂閱方式兩種方式完成數(shù)據(jù)訪問。

系統(tǒng)中的輸送機(jī)占位狀態(tài)、PC指令發(fā)送允許，堆垛機(jī)箱號(hào)和刪除通知標(biāo)志位等數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，在監(jiān)控系統(tǒng)工作是需借助這些變量來(lái)完成系統(tǒng)工作，因而加入到了同步方式數(shù)據(jù)組，可以隨時(shí)采集該組變量信息。

輸送機(jī)報(bào)警、堆垛機(jī)報(bào)警，自動(dòng)模式變換和PLC數(shù)據(jù)刪除通知，這幾類數(shù)據(jù)平常是不會(huì)發(fā)生變化的，不需要定時(shí)采集，而且這些變量是不需要監(jiān)控機(jī)干預(yù)的，它反映了下位PLC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為只讀數(shù)據(jù)。比如輸送機(jī)報(bào)警，輸送機(jī)正常工作時(shí)沒有報(bào)警發(fā)生，則PLC數(shù)據(jù)塊中輸送機(jī)報(bào)警字恒為零。一旦發(fā)生報(bào)警，則輸送機(jī)報(bào)警字將發(fā)生變化，此時(shí)需要通知PC。采用訂閱方式時(shí)，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則OPC服務(wù)器將自動(dòng)通知監(jiān)控程序，監(jiān)控程序則可以做出相應(yīng)的處理。這樣則節(jié)省程序定時(shí)去查詢這類數(shù)據(jù)，而讓OPC服務(wù)器來(lái)完成查詢工作，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，節(jié)約系統(tǒng)資源。

圖3 串口接收數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)束語(yǔ)

作為可靠的通信標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)側(cè)重于數(shù)據(jù)處理方面，它滿足了制造業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的部分要求，但有些現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的要求是以太網(wǎng)所不能滿足的，例如過程自動(dòng)化系統(tǒng)中需要本質(zhì)安全防爆要求等等。因此，還需要進(jìn)一步加以完善。本系統(tǒng)自投入以來(lái)，運(yùn)行狀況良好，精確地完成了50 000余件托盤的出/入庫(kù)操作，入庫(kù)準(zhǔn)確率達(dá)到了99.2%，庫(kù)存準(zhǔn)確率達(dá)到了99.8%，有效提高了倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行效率40%以上，同時(shí)還縮短了企業(yè)供貨時(shí)間，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，為公司帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張春城. 對(duì)基于以太網(wǎng)的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)復(fù)用的研究與實(shí)現(xiàn)[D] . 成都：電子科技大學(xué)，2002 .

[2] 陸超，張曦煌. 基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)協(xié)議的改進(jìn)[J] . 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005（10） .

[3] 方曉柯. 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究[D] . 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005 .