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铷I 匐 似 基于P L C 的自动仓储系统设计 Desi gn o f aut om a t i c st or age / r et r i e val s ys t em bas ed on PL C 邵凝宁,蒋国华,杨欢 SHA0 Ni n g . n i n g,J I ANG GU O . h u a ,Y ANG Hu a n 北方信息控制集团有限公司,南京 2 1 1 1 5 3 摘要自动仓储系统是集机、电、微机、数据库为一体的产品,是生产物流系统的一个重要部分。本 文介绍了一种已通过样机试验验证的以P L C 为控制核心的自动仓储系统实现方案,详细描述了 电控系统、强电系统、上位机数据库管理系统以及维护调试设备的实现技术。 关键词自动仓储系统;P L C; 数据库 中图分类号T P 3 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 2 上 -0 1 2 2 - 0 3 D o i 1 0 . 3 9 6 9 / J 『 . i s s n . 1 0 0 9 -0 1 3 4 . 2 0 1 3 . 0 2 E . 3 2 0 引言 随着社会经济和计算机 、 自动化技术 的快速 发展 ,作为物流业关键节点的仓储 系统 已经从原 始 的人工仓储逐步 向先进的 自动仓储发展 ,并呈 现 出自动化、集成化、智能化 的特点 。在 国内, 随着企业国际化程度的提高 ,生产规模的扩大 , 企业管理水平的提高,企业 对于高效 、可靠的 自 动仓储系统的需求越来越大 。另一方面 ,可编程 控制器 P L C技术成熟,具有体积小、功能强 大 、抗干扰能力强、可靠性高 、灵活通用与维护 方便等诸多优点, 目前 已在工业 自动控制、机电 一 体化等领域得到了广泛的应用。 因此,本文采用西门子S 7 2 0 0 P L C作为仓储 系统的控制核 心,介绍 了一种 自动仓储系统的设 计方案 ,且 经过2 台样机 试验 ,证 明采用该方案 的 自动 仓 储 系统功 能稳 定 ,能够 帮助 企业 有效 地提高仓库的仓储能力和效率 ,降低企业 的库存 成本。 1 系统组成及功能 1 。 1系统组成 自动 仓储 系统 是集机 、电、微机 、数据 库为 一 体 的产 品,其主要 由机械系统、强电系统 、控 制 系统 、外接 电脑等组成 。本文设计 的 自动仓储 系统 以下简称 自动仓储系统 组成如图 1 、图2 所示。 篷 十 釜 虐 翥 图1 自动仓储 系统示意 图 图2 系统组成 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 -1 5 作者简介邵凝宁 1 9 8 2 . ,女,江苏靖江人,工程师,硕士,主要从事嵌入式系统的软件开发工作。 [ 1 2 2 ] 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 0 2 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI8 化 1 . 2 主要功能 自动仓储 系统 的主 要功能是在有限 的仓库 空 间内实现对货物的数字化 、信息化 、 自动化存储 管理 。本方案 以托盘为存储单元 ,通过控制 系统 内的运动机构 ,将存放有货物 的托盘从库 内取 出 或送到库内某个的位置 。托盘在库 内类似抽屉式 叠加放置 ,充分利用垂直方向的空间。 自动仓储 系统设计 有重量限制保护 、安全保 护、高度测量 、权限管理 、库存查询 、空 间整理 等多个功 能 ,并具有 占地面积小 、存储量大 、封 闭式管理 、存取方便快捷等特点。 2 系统实现的关键技术 2 . 1 工作原理 自动 仓储系统通过上位机数据库管理 系统完 成对库存物 品的进 出库存 储管理 ,操作 者 只需要 在软件操作界面上选 定所 需要的物品即可 ,存取 托盘均为全 自动过程 。主 要存取动作通 过三个运 动机构实现 垂直升降机构把托盘送到 系统标定 完后 的任意一个存储位置 ;托盘进 出机 构把 托盘 送进/ 拉 出存储位置 ;开关 门机构完成取物 口处门 的打开和关 闭。系统 的三 台电机 由同一 台变 频器 拖动 ,通过控制 系统进 行切换 。其 中升降 电机尾 轴装有编码器 ,工作在 闭环方式 ;另外两 台电机 工作 在开环调速方式 。同时通过触摸屏操控 台实 现对整个 系统的维护和调试。 2 .2 电控系统 本方案 的电控 系统 负责接受上位机或触摸屏 操控 台发来的命令 ,同时采集外部传感器数据 、 判断本身状态,通过US S 协议对变频器进行通信控 制 以驱动 电机实现机构的运动 ,并在运行时监控 系统状 态。控制系统需要实现的主要功能包括 系统 自检;采集外部传感器数据 ;控制变频器实 现走位置 、托盘进 出架、开关 门;驱动接触器进 行 电机 间的切换;对托盘进行称重 ;对货物高度 进 行 测量 ;安全 光幕 保护 ;急停 保 护 ;超 时保 护 ;进架时防撞保护;系统通信等。 基 于上述需求 ,本 文选择西 门子 的小型P L C S 7 2 2 6 作 为控制核心 ,其具有紧凑的结构设计 , 良好 的扩展性 ,丰富的功能模块 ,强大的指令 系 统 ,且许多功能已经达到大中型P L C的水平 ,体积 小 ,价格低廉,完全满足本方案的控制要求。 由于 自动仓储 系统 中P L C的输入量较 多 ,本 方案 扩展 了两 个数 字量 扩展 模块EM2 2 1 和一 个 E M2 7 7 通信模块。电控系统的设计解决方案如图3 所示。 图3电控系统解决方案 2 . 3 强 电系统 强电系统 的主要工作是将控制 系统的控制信 号进行放大 ,以控制大功率 电机 的运转 ,同时 , 还有动力驱动 系统承担 着电机保护 、过流 、过载 保护等功能 。强 电系统主要 由三 台交流 电机 、变 频器、接触器、继电器等电气控制元器件构成 。 其 中,变 频器用于实现对升降 、水平、开关 门三 台电机 的控制 ,是强电系统最重要的部分 。 本文选用德 国NOR D公司的变频器 ,其支持用于和 P L C 通信的US S 协议 。 US S 协议 Un i v e r s a l S e r i al I n t e r f a c e P r o t o c o l , 通用 串行接 口协议 是S I E ME NS 公司所有传动产 品的通 用通 信协 议 ,它是一种 基于串行总线 进行 数 据通信的协议 ,可 以支持 交直 流驱动器 同P LC 之 间建立通 信联 接 ,适用于规模较小的 自动化 系 统 。US S 协议是主一 从结构的协议 ,规定 了在US S 总线上可以有一个主站和最 多3 O 个从站;总线上 的每 个从 站 都 有一个 站地 址 在 从站 参数 中设 定 ,主站依靠它识 别每个从站 ;每个从站也 只 对主站发来 的报文作 出响应并 回送报文 ,从站之 间不能直接进行数据通讯。 US S 协议 的数据报 文最大长度为2 5 6 个字节 , 包括3 字节的头部、 1 字节 的校验码和主数据块 , 数据块按照字的方式组织,高字节在前 。主站P L C 和从站变频器间的报文格式为 S T X L GE ADR l 2⋯⋯n BCC S T X起始字符,总是0 2 H; L G E报文长度 ,n 2 AD R从站地址及报文类型; 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 - 0 2 上 [ 1 2 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 造 匐 似 B CC 校验符。 在ADR和B CC之间的数据字节称为US S 的净 数 据 。主站和从 站交换 的数据都包括在每条报文 的净数据区域 内。 通过使用US S 协议,本方案降低了对硬件设备 的要求,减少了设备 间的布线 ;无需重新连线就 可以改变控制功能 ;可通过 串行接 口设置或改变 传动装置的参数 ;采用R S 一 4 8 5 屏蔽双绞线 ,通信 速 率高 ,具有较高 的快速性与可靠性,并 可实时 的监控传动 系统 ;US S 协议数字化的信息传递 ,解 决 了模拟信号传输所引起的干扰及漂移 问题 ,有 效提高了整个系统的抗干扰能力。 2 .4 上位机数据库管理系统 上位机数据库管理 系统是面 向用户 的主要接 口,也是整个系统实现 “自动化 ”的核心 ,其通 过人机界面接收操作人 员指令 ,通过P P I 总线发送 控制命令给P L C 控制系统 ,由P L C控制变频器实现 货物的存取功能 ,同时更新数据库信息 。其主要 功能包括用户管理 、进 出库管理 、信息查询 、报 表打印、空间整理等。 2 . 4 . 1数据库实现 上位机数据库管理 系统 采用De l p h i 7 . 0 实现 , 数 据库采 用S QL S E RVE R中大型数 据库 ,其全 面支持S QL 语 言,查询效率 高,可以实现远程访 问,易于和其他关 系数据库接 口,并能够增 强数 据的完整性和一致性 。 同时 ,支持 当前库存 明细 、进 出库记录等信 息报表的查阅与打印,可以帮助分析库存 品的消 耗情况 ,调整库存储备 、合理制定进货计划 ,为 考核生产成本提供依据 ,从而提高工厂的管理水 平 ,提高工作效率。 2 .4 . 2 上位机与P L C 的通信机制 上位机与P L C之间通过西门子公司提 供的P C / P P I 电缆实现物理连接,采用P P I 协议通信 ,该协 议是西 门子公司专门为S 7 2 0 0 P L C 设计的基于字符 的异步通信协议 。其信息传送速率快,且使用该 协议与P C 机通信时 ,P L C 作为从站可以不用编写 数据通信程序,从而节约了P L C 的内部存储空间。 这种方式下 ,上位机可以读写P L C 所有数据区,快 捷方便,但P P I 协议不对外公开。本文利用西 门子 公司推出的专用于S 7 2 0 0 P L C的O P CJ ] 务器 P C Ac c e s s ,在D e l p h i 7 . 0 环境中开发O P C客户端, 以此解决S 7 2 2 6 和上位机之 间的通信问题。 [ 1 2 4 1 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 - 0 2 上 O P C O L E f o r P r o c e s s Co n t r o 1 规范定义 了 一 个工业标准接 口,不同的硬件厂商 只需为各 自 的设备提供带 有OP C 接 口的服务器 ,软件则采用 支持O P C接 口的客户端程序来访 问服务器 ,即可 实现与硬 件设备 的通信 ,而无需知道底层的实现 细节 。P C Ac c e s s 支持的OP C 规范是OP C DA 数据 访问规范 ,该规范 中主要包括三类对象 O P C Se r ve r 、 OPC Gr ou p、 OPC I t e m 。 OP C服 务 器 通 常 支 持 两 种 类 型 的 访 问 接 口 自动 化接 口、定制 接 口。 自动化 接 口是基 于脚 本编 程语 言而 定义 的标 准接 口,本文 即 采 用De l p h i 7 . 0 利用 自动化接 口实现OP C客户端 。 P C Ac c e S S 成功 安 装后 ,需 配 置其 通 信方 式 为 P P I ,并设置 正确的波 特率 。同时在 安装 目录 下 找到西门子提供 的OP C自动化包装器s o p c d a a u t o . d l l 。在De l p h i 7 . 0 环境下 ,利用 “ 导 入类型 库 ” 的功能将s o p c d a a u t o . d l l 导入,导入 完成后将生成 0PCSi e me ns DA Aut o m a t i o n T L B. p a s ,该程序文 件 中定义 了OP C特有的类和接 口T OP C S e r v e r 、 T O P C Gr o u p s 、T OP C G r o u p 类;O P C I t e ms 接 口。通 过 声明这 些类和接 口,并调用它们的成员函数 , 依据图4 所示的流程开发基于P C Ac c e s s 的O P C客户 端 ,即可在上位机与P L C间成功建立通信连接 ,此 时在上位机屏幕右下角出现如 图5 所示标志。 图4 O P C客户端开发流程 图5建立通信标 志 【 下转第1 2 8 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 lI5 化 割平行度误差在2 mm/ 1 0 m 。所 以可知双头气 割机在气剖时可以保证其 气割平行度要求 ,最终 确定采用方案一 。 图6从动轮横 向位移随时间变化 4 结束语 本文主要研 究了双头 自动 气割机 自动化 改造 的机械 系统方案,采用三维数字化设计软件UG建 模,然后运用有限元分析软件UG Na s t r a n 对龙 门架 的横梁结构进行了应变分析,再 利用机械 系统动 力学分析软件A DAMS 对其进行运动学与动力学分 析 ,实现 了龙 门架结构横梁的动态优化设计 ,在 保证整体机械性能的前提 下,减 少横梁框架钢板 的厚度5 mi l l ,减轻质量2 1 5 .7 5 Kg 。 参考文献 [ 1 】郭 卫东, 等. 虚拟样机技 术与ADA MS 应 用实例教 程【 MJ . 北京 北京航空航天大学出版社, 2 0 1 1 . 【 2 ]韩红. 数控火焰切割机改造研究【 D 】 . 哈尔滨 哈尔滨工程 大学, 2 0 0 6 . 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