自動化倉庫管理與控制系統(tǒng)集成設(shè)計與實現(xiàn)

1、—233—自動化倉庫管理與控制系統(tǒng)集成設(shè)計與實現(xiàn)馬殷元12，蔣兆遠2(1.蘭州交通大學機電工程學院，蘭州730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，蘭州730070)摘要：分析了自動化倉庫管理與設(shè)備控制系統(tǒng)的功能需求，指出了它與過程監(jiān)控系統(tǒng)的不同點，劃分了自動化倉庫管理與控制系統(tǒng)功能模塊。結(jié)合以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的技術(shù)特點，設(shè)計了以交換式快速以太網(wǎng)為主干、以總線型現(xiàn)場總線為底層的系統(tǒng)集成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，給出了基于以太網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控

2、通信協(xié)議分層模型。通過介紹該設(shè)計在某企業(yè)生產(chǎn)倉儲兼有物流功能的自動化倉庫的實現(xiàn)，闡明了倉庫管理與監(jiān)控系統(tǒng)軟件的集成。該設(shè)計使用通用器件和通用技術(shù)以較低成本實現(xiàn)了自動化倉庫管理與控制系統(tǒng)集成，具有易于擴展和維護的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：自動化倉庫系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；監(jiān)控；管理系統(tǒng)；系統(tǒng)集成DesignRealizationofManagementControlSystemIntegrationofASRSMAYinyuan12JIANGZhaoyuan

3、2(1.SchoolofMechatronicEngineeringLanzhouJiaotongUniversityLanzhou7300702.Logisticscontrolsystemsupervisycontrolmanagementsystemsystemintegration計算機工程ComputerEngineering第33卷第19期Vol.33No.192007年10月October2007工程應用技術(shù)與實現(xiàn)文章編號

4、：1000—3428(2007)19—0233—03文獻標識碼：A中圖分類號：TP391為提高物流效率，各種新技術(shù)被迅速應用到物流的各個環(huán)節(jié)。信息化的發(fā)展大致是自上而下向現(xiàn)場層擴展?jié)B透。而自動化則是自下而上，從底層局部自動化向車間乃至整個企業(yè)經(jīng)營決策的自動化的方向發(fā)展。使得自動化倉庫常成為信息化和自動化的交匯點和迫切需要控制與信息集成的環(huán)節(jié)。自動化倉庫是采用高層貨架存放貨物，使用自動機械堆垛機并結(jié)合入庫出庫周邊設(shè)備來進行自動作業(yè)的一種倉

5、庫。物流的發(fā)展對倉庫提出更廣泛的自動化的需求，它包含倉儲設(shè)備運行自動化和倉庫管理（信息）自動化，要求把計算機與信息管理和設(shè)備控制集成起來，按照控制指令自動完成貨物的存取作業(yè)，并對倉庫進行管理。倉庫實現(xiàn)自動化不是上述兩個環(huán)節(jié)計算機環(huán)的簡單相加，不僅是網(wǎng)絡與硬件設(shè)備的集成，更是信息與應用的集成，最終實現(xiàn)功能集成。自動化倉庫管理與監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式和需求不同于過程控制中的SCADA系統(tǒng)或SCC(supervisycomputercontrol

6、)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)(monitingcontrolsystem)。相關(guān)文獻論述SCADA、SCC和一般監(jiān)控系統(tǒng)的較多，論述自動化倉庫管理與監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計的較少。1系統(tǒng)需求與功能分析工業(yè)管理及自動化的深入應用，要求現(xiàn)場設(shè)備功能自治、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散以及管控一體化。自動化倉庫管理與控制系統(tǒng)在企業(yè)信息系統(tǒng)中處于車間級和設(shè)備級。從自動化倉庫的視角看，企業(yè)信息系統(tǒng)可按照層次化原則垂直劃分為4層，如圖1所示。其中，1~3層構(gòu)成自動化倉庫管理與控制系

7、統(tǒng)。企業(yè)管理理層倉庫管理（信息）層設(shè)備監(jiān)控層設(shè)備控制層圖1管理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次自動化倉庫的設(shè)備包括堆垛機、貨物輸送機械等，它們由PLC或者其它控制器控制，這些控制器構(gòu)成設(shè)備控制層。設(shè)計要求每臺設(shè)備可以在“手動”、“半自動”、“聯(lián)機自動”方式下運行。聯(lián)機自動方式下，操作命令由設(shè)備監(jiān)控層發(fā)出，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)絇LC，PLC自動執(zhí)行命令并把執(zhí)行結(jié)果反饋給監(jiān)控層。同時，根據(jù)功能自治原則，設(shè)備故障檢測和診斷功能也在PLC上實現(xiàn)，由于PLC的存儲功

8、能有限，PLC只產(chǎn)生故障代碼，不保存故障具體信息。自動方式下，設(shè)備故障代碼基金項目：甘肅省科技攻關(guān)基金資助項目(甘肅省省長基金資助項目)“機電制造企業(yè)自動化物流信息系統(tǒng)”(GS024A52005)作者簡介：馬殷元(1973－)，男，講師、碩士，主研方向：電氣自動化系統(tǒng)，工業(yè)控制軟件，分布式系統(tǒng)；蔣兆遠，教授、博士生導師收稿日期：20070125Email：Marlomayinyuan@.cn—235—控制層間傳輸。這樣實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信流量

9、的分流和分層管理?？刂茖泳W(wǎng)絡由智能設(shè)備或PLC作為主控端，它向下通過PLC廠家的現(xiàn)場總線連接遠端傳感器、執(zhí)行器、遠程IO以及觸摸屏HMI等?；谝蕴W(wǎng)集成的自動化倉庫的倉庫管理與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡參考結(jié)構(gòu)如圖4所示。監(jiān)控計算機管理工作站管理工作站數(shù)據(jù)服務器快速以太網(wǎng)交換機管理信息網(wǎng)網(wǎng)關(guān)PLC智能設(shè)備現(xiàn)場總線以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場總線傳感器現(xiàn)場總線執(zhí)行器現(xiàn)場條碼掃描儀現(xiàn)場總線PLC遠程IO觸摸屏HMI現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)觸摸屏HMILED顯示屏L

10、ED顯示屏RS485移動設(shè)備無線鏈路現(xiàn)場條碼掃描儀RS232圖4網(wǎng)絡集成參考結(jié)構(gòu)3倉庫管理與監(jiān)控軟件集成設(shè)計倉庫管理與監(jiān)控軟件均在PC上實現(xiàn)，其軟件層次結(jié)構(gòu)劃分如圖5所示。數(shù)據(jù)庫服務數(shù)據(jù)庫接口(ADO)倉庫管理系統(tǒng)倉庫監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信驅(qū)動程序與條碼儀通信驅(qū)動程序企業(yè)管理系統(tǒng)與LED操作引導顯示屏通信及其他驅(qū)動各種硬件設(shè)備控制器企業(yè)管理界面?zhèn)}庫監(jiān)控界面圖5監(jiān)控與管理軟件層次結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)通過各種PLC通信驅(qū)動程序與控制硬件設(shè)備通信。大多

11、數(shù)PLC廠商提供監(jiān)控計算機與其生產(chǎn)的PLC的通信軟件。如西門子的PRODAVES7軟件提供計算機與S7300或S7400系列PLC使用MPI方式通信的動態(tài)連接庫。三菱的MXComponentVersion3軟件提供了計算機與各種三菱PLC通信的ActiveX控件。較新的PLC提供以太網(wǎng)通信接口，可使用MSWinsock控件實現(xiàn)底層通信。若廠商提供，也可以使用OPC(OLEfprocesscontrol)作為監(jiān)控系統(tǒng)與的硬件控制器的接口。

12、監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)一般使用公共數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換。首先在數(shù)據(jù)庫中建立信息緩沖表，數(shù)據(jù)產(chǎn)生者向數(shù)據(jù)庫中寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者從數(shù)據(jù)庫取走數(shù)據(jù)，構(gòu)成生產(chǎn)者消費者通信模式。系統(tǒng)設(shè)計還在網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全、控制安全等方面進行了考慮，不再詳述。4系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)本文設(shè)計開發(fā)的“倉庫管理及設(shè)備控制系統(tǒng)”，在某航空食品加工配送企業(yè)的生產(chǎn)倉儲兼有物流功能的自動化倉庫中應用實施。該立體倉庫有3個巷道，每巷道2排貨架，每貨架10層47列，共2820貨位。有6個出

13、入口，設(shè)在1樓和2樓，可以在1樓和2樓進行出入庫操作。系統(tǒng)配置3臺管理工作站和1臺監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)監(jiān)控3臺堆垛機和6臺出入口輸送機，每3臺堆垛機由3套PLC控制，6臺出入口輸送機由1套PLC控制。PLC使用三菱Q系列Q02(H)CPU[4]，通信模塊使用QJ71E71以太網(wǎng)模塊。Q系列CPU提供MC協(xié)議（MELSECcommunicationprotocol），具有自動應答服務功能，PLC側(cè)不需要編程，只需設(shè)置并下載IP

14、地址等參數(shù)既可。監(jiān)控軟件底層使用三菱MXComponentVersion3的通信控件以UDP方式通信。PLC在數(shù)據(jù)區(qū)（DB）開辟公用數(shù)據(jù)交換區(qū)，雙方通過讀寫公用數(shù)據(jù)交換區(qū)實現(xiàn)監(jiān)控計算機與PLC的數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)交換以及考慮到故障后再啟動恢復運行等情況，還基于UDP制定了上層協(xié)議。監(jiān)控計算機還同時監(jiān)控安裝在倉庫出入口的6臺固定式條碼掃描儀、6臺手持式條碼掃描儀和6臺操作引導LED顯示屏。6臺RS232接口的手持式條碼掃描儀安裝在

15、倉庫出入口，為與監(jiān)控計算機相連，使用了研華公司的以太網(wǎng)到RS232422485數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)ADAM4570。使用該網(wǎng)關(guān)先使用附帶軟件ConfigurationUtility設(shè)置其參數(shù)，然后使用附帶軟件PtMappingUtility把遠端串口虛擬成本機端口，這樣對遠端的串口操作就和本機串口一樣，可直接使用MSComm控件讀寫數(shù)據(jù)。6臺固定式條碼掃描器為德國SICK公司CLV410型掃描器，其物理接口為RS232RS422，與其配套的供電與通

16、信控制模塊為SICK公司以太網(wǎng)到串口網(wǎng)關(guān)EtherBusmodule，型號為BMH100411，它提供基于以太網(wǎng)的Tel服務，監(jiān)控計算機使用MSWinsock控件以TCP方式與其通信。倉庫出入口的6臺操作引導LED顯示屏為RS485接口，每個顯示屏有一個2B地址（使用撥碼開關(guān)設(shè)定）。硬件上用一個ADAM4570模塊接到交換機，監(jiān)控計算機使用MSComm信控件向同一個串口發(fā)送數(shù)據(jù)，為區(qū)分不同的顯示屏，要在數(shù)據(jù)頭部加入相應的地址控制信息。倉

17、庫管理工作站、數(shù)據(jù)服務器、監(jiān)控計算機、4臺PLC、12臺條碼儀和6個LED顯示屏（通過7個網(wǎng)關(guān)）連接到一臺24接口以太網(wǎng)交換機，構(gòu)成星型網(wǎng)。監(jiān)控軟件用VisualC實現(xiàn)。為提高實時性，編寫了4個獨立于窗口界面的線程對4臺PLC進行監(jiān)控。5應用效果2004年8月“倉庫管理及設(shè)備控制系統(tǒng)”在現(xiàn)場投入使用。操作高峰期間，每天出入庫達600多次（初次轉(zhuǎn)場入庫）。并通過了72h不關(guān)機連續(xù)運行的烤機實驗?，F(xiàn)場使用證明該系統(tǒng)安全可靠、運行效率高。由于

18、監(jiān)控計算機與PLC通信的上層協(xié)議的保證，系統(tǒng)具有故障后再啟動自動恢復執(zhí)行功能，可避免庫存混亂和庫管人員繁瑣的維護操作，深受用戶好評。系統(tǒng)至今已經(jīng)穩(wěn)定可靠運行2年多。6結(jié)束語系統(tǒng)采用了應用廣泛的快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了自動化倉管理與監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡集成，通過軟件集成實現(xiàn)了倉庫管理與控制的高度自動化，可提高自動化倉庫的效率。系統(tǒng)網(wǎng)絡分層設(shè)計和星型結(jié)構(gòu)以及功能分層的設(shè)計，使系統(tǒng)有較好的可擴充性和易維護性。使用通用器件和通用技術(shù)