基于PLC的自动仓储系统设计.pdf

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 ． [ 3 】刘 皓阳． 数控 双头气割机 在超临界锅炉 螺旋管屏制造 中 的应用[ J ] ． 锅炉制造． 2 0 0 6 ， 2 3 4 3 5 ． 【 4 】刘佳 ， 郭保 全． 基 于ADAMS 的由初始挠 度的声管振动 研 究【 J J ． 机械工程与 自动化， 2 0 1 l ， 6 1 9 2 0 ． 【 5 】 张建润， 卢熹， 孙庆鸿， 彭文， 姚树健． 五坐标数控龙门加工 中 心动态优化设计【 J ] ． 中国机械工程2 0 0 5 ， 1 1 1 9 4 9 1 9 5 3 ． 【 6 】张 帅， 周靖 阳， 王 彦斯， 肖福 安． 基于 U G和ANS YS 的直齿 圆柱齿轮参数化建模及有限元分析【 J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 2 ， 3 1 0 7 1 0 8 ． 【 7 】谢黎 明， 李 大明， 沈浩， 靳岚． 基于有 限元分析 的现场 铣床 横梁 结构优化『 J 】 ． 组合机 床与 自动化加 工技 术， 2 0 0 8 ， 9 3 7 3 9 ． [ 8 J王 民锋， 赵 云， 黄 风立 ． 基于ANS YS 的多功能 车床动 力刀 塔立 柱结构的优化设计[ J 】 _ 组合机床与 自动化加工技 术， 2 0 1 2 ， 2 2 0 2 2 ． 矗● 矗I 童‘ 矗} 童● 童‘ 蠡‘ 蠡I 蠡‘ 盘‘ 岛‘ 童‘ 蠡I 蠡‘ 童‘ 蠢I 蠡‘ 盘‘ 矗‘ 盘 ‘ 出‘ 蠡‘ 毫 ． 重‘ 【 上接第1 2 4 页】 2 ． 4 ． 3空间整理 为充分利用仓储 系统空 间，上位机数据库管 理系统可根据仓储系统内托盘 高度信 息进行智能 位置调整 ，自主地移动托盘并 即时更新数据库 ， 以实现空间利用率的最大化 。 2 ．5触摸屏 触摸 屏操 控台的主要功能是系统状态显示与 监控 、调试 维护 和参 数设 置 ，其人 机 界面 采用 Wi n c c F l e x i b l e 组态软件 进行开发 。触摸屏与P L C 通过MP I 口通信，采用MP I 从站协议 ，二者问通过 E M2 7 7 智能扩展模块转接。 3 结束语 本文设计的 自动仓储系统主要实现立体式存 [ 1 2 8 1 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 - 0 2 上 储货物 ，适用于仪器仪表行业产品零部件 、电子 元器件 、标准件、生产工具 、数控 刀柄及图书 、 档案的储存和管理 。 经过2 台样机的试验 ，证明采用本方案的 自动 仓储系统通信数据准确，系统功能稳定。同时由于 使用了P L C，系统的可靠性大幅增加，系统成本大 幅降低，且使用维护方便，完全满足市场需求。 参考文献 【 1 】李聪． 智能仓储系统设计与实现【 D 】 ． 上海交通大学， 2 0 0 8 ． 【 2 ]西 门子公 司． P C Ac c e s s 快速入 门． 2 0 0 9 ． 6 ． 【 3 】何 海 江 ． OP C客 户端 关 键 技 术 的实 现 【 J 1 ． 微 计 算 机 信 息， 2 0 0 3 7 7 6 7 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m