基于組態(tài)軟件自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

鹿有杰 任有志 胡濤

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北石家莊 050018)

第四次工業(yè)革命之后，智能化成為各個(gè)領(lǐng)域努力的方向和追求的目標(biāo)，工業(yè)領(lǐng)域尤為明顯，智能化制造車間的建造就是重要體現(xiàn)之一。智能化車間不僅可以避免因人為因素帶來(lái)的誤差，還是現(xiàn)代裝備制造業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要途徑，而自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是智能化制造車間任務(wù)連接的重要的組成部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)是體現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)“智能化”的重要環(huán)節(jié)之一。在傳統(tǒng)的立體倉(cāng)庫(kù)中每當(dāng)有貨物存入或者取出時(shí)，需要庫(kù)管員手動(dòng)記錄貨物以及倉(cāng)位的相關(guān)信息，然后再進(jìn)行出入庫(kù)操作，這極大地增加了因人為因素導(dǎo)致的失誤，同時(shí)也增加工人的工作量；在同類的立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中，大部分采用C#作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這導(dǎo)致系統(tǒng)的研發(fā)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜同時(shí)對(duì)開(kāi)發(fā)人員有較高的要求[1]?；谶@種情況，研究選用三維力控組態(tài)軟件結(jié)合微軟自帶的Access數(shù)據(jù)庫(kù)并以PLC 為控制器的方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)全新的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)信息管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)模擬仿真證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)貨物信息的輸入、查詢、監(jiān)控等功能，減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了貨物運(yùn)輸效率。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 立體倉(cāng)庫(kù)的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，實(shí)驗(yàn)用的立體倉(cāng)庫(kù)模型由左右兩排貨架組成，每排貨架是10列8行，貨架之間是堆垛機(jī)的巷道，堆垛機(jī)在巷道上可在X、Y、Z這3 個(gè)方向上自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨架上任意倉(cāng)位的存取操作。貨物的輸入端和輸出端由AGV無(wú)人自動(dòng)導(dǎo)引小車實(shí)現(xiàn)，機(jī)械臂作為連接無(wú)人小車和堆垛機(jī)的橋梁，將待出庫(kù)的貨物送到AGV小車上，同時(shí)將待入庫(kù)的貨物從小車上運(yùn)輸?shù)蕉讯鈾C(jī)上。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

倉(cāng)庫(kù)信息管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心部分，應(yīng)該具備以下基本功能，即系統(tǒng)信息、出入庫(kù)操作、查詢管理、信息統(tǒng)計(jì)、幫助。系統(tǒng)信息功能主要是對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)基本信息的管理，包括登錄系統(tǒng)人員的信息管理以及在貨物進(jìn)行入庫(kù)操作之前，提前輸入貨物的名稱、重量、材料等相關(guān)信息的管理等；出入庫(kù)操作主要的功能是為貨物選擇最優(yōu)的存儲(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)該功能需配合PLC完成，系統(tǒng)收到入庫(kù)申請(qǐng)時(shí)，作為控制器的PLC進(jìn)行快速運(yùn)算，規(guī)劃出最佳的路線方案，堆垛機(jī)依據(jù)方案對(duì)貨物進(jìn)行出入庫(kù)操作；查詢功能主要是為庫(kù)管員提供查詢工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)倉(cāng)位的存儲(chǔ)狀態(tài)的監(jiān)控，也可以查詢具體某個(gè)貨倉(cāng)已存儲(chǔ)貨物的所有信息；信息統(tǒng)計(jì)功能主要是將貨物的出入庫(kù)的信息自動(dòng)生成日志信息供庫(kù)管員隨時(shí)調(diào)用查看，同時(shí)作為管理系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)資料；幫助的功能主要是關(guān)于該管理系統(tǒng)的基本介紹[2]。主要的組織結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 組織結(jié)構(gòu)圖

1.3 管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

北京三維力控公司開(kāi)發(fā)的Force control v7.1 組態(tài)軟件操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，內(nèi)置很多組件、控件，可實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的連接和交換，還有很多模型可供選擇，所以信息管理系統(tǒng)擬采用該軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，要求界面既可以作為控制器的上位機(jī)又可以實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)信息的管理。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的倉(cāng)位多，每個(gè)需要被存儲(chǔ)的貨物又有若干屬性信息，還需要對(duì)登錄信息、貨物信息、出入庫(kù)記錄等信息進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)[3]。這就要求管理系統(tǒng)需要快速處理成千上萬(wàn)條信息，如果單使用組態(tài)軟件存儲(chǔ)這些信息，需要占用大量的中間變量，導(dǎo)致信息存儲(chǔ)和查詢的速度變慢。微軟辦公軟件自帶的Access 數(shù)據(jù)庫(kù)作為專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)量龐大貨物信息的快速處理工作，通過(guò)在組態(tài)軟件中編寫(xiě)程序的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)、修改，滿足使用要求。

立體倉(cāng)庫(kù)信息管理系統(tǒng)還需要與控制器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。PLC最為工業(yè)中最常用的控制器，具有功能豐富的集中、通信能力極強(qiáng)、成本較低的特點(diǎn)，并且可按照用戶編寫(xiě)的邏輯程序執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，所以選擇使用西門(mén)子200SmartPLC作為控制器。

2 管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 管理系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是首次運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、打開(kāi)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)；提供給用戶待入庫(kù)貨物信息的輸入對(duì)話框以及對(duì)已入庫(kù)貨物信息檢索的輸出顯示框；在手動(dòng)模式下，設(shè)置了供管理人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息進(jìn)行插入、刪除等操作以及手動(dòng)對(duì)貨物進(jìn)行入庫(kù)、出庫(kù)操作的按鈕；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每一個(gè)貨位的存儲(chǔ)狀態(tài)；接收管理系統(tǒng)發(fā)送的命令和反饋信息并直接控制下位機(jī)完成動(dòng)作[4]。

采用Force control v7.1 組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。軟件提供了豐富的組件，可以與多種數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鏈接訪問(wèn)，支持多種通信協(xié)議，可與西門(mén)子、歐姆龍等多種控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且軟件中也提供了C 語(yǔ)言腳本編輯器，供開(kāi)發(fā)人員完成復(fù)雜控制要求。

選擇西門(mén)子200smartPLC 作為系統(tǒng)的控制單元。其中需要控制的設(shè)備主要有堆垛機(jī)、機(jī)械臂、AGV小車。

具體工作流程程是：AGV小車載貨到位→入庫(kù)申請(qǐng)→系統(tǒng)的管理層發(fā)出入庫(kù)指令→啟動(dòng)機(jī)械臂→堆垛機(jī)載貨到空倉(cāng)位→堆垛機(jī)返回原點(diǎn)。出庫(kù)與入庫(kù)的過(guò)程相似。

2.2 編程完成數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接

Microsoft Office Access 是微軟公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一套關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析的能力，同時(shí)access 數(shù)據(jù)庫(kù)還為用戶提供便于查詢的工具，可以方便快捷實(shí)現(xiàn)各種匯總、平均等統(tǒng)計(jì)操作，也可以用數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)各種數(shù)據(jù)管理類軟件[5]。

人機(jī)交互界面需要配合Access數(shù)據(jù)庫(kù)才能實(shí)現(xiàn)信息的快速存儲(chǔ)。首先按照要求創(chuàng)建一個(gè)空的Access數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇使用組態(tài)軟件中后臺(tái)組件中的ADO 組件，按照提示對(duì)組件進(jìn)行相關(guān)配置，完成后實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，完成連接后，點(diǎn)擊“測(cè)試”按鈕后會(huì)提示“測(cè)試連接成功”。

完成組態(tài)軟件與外部數(shù)據(jù)庫(kù)的連接后，需通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面對(duì)外部數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。如圖3左上角所示，這些程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，將輸入對(duì)話框中的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖3右上角所示的程序主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)刪除一條已經(jīng)查詢到的信息，需配合出庫(kù)功能使用。圖3 左下角所示的程序可以實(shí)現(xiàn)查找某貨位號(hào)的貨位里存在的貨物信息并顯示在輸出框當(dāng)中，圖3 右下角所示的程序可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)某一貨位中存入貨物時(shí)右邊矩形框內(nèi)對(duì)應(yīng)貨位會(huì)顯示紅色否則顯示黃色。

圖3 程序控制

2.3 最優(yōu)路徑規(guī)劃

在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中，當(dāng)管理員發(fā)出入庫(kù)指令時(shí)，堆垛機(jī)需要用最短的時(shí)間把貨物放到合適的倉(cāng)位中，這就要求管理系統(tǒng)在收到入庫(kù)申請(qǐng)的時(shí)候?yàn)槊恳粋€(gè)貨物規(guī)劃一條最優(yōu)的路徑，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具有自處理功能，如果出現(xiàn)貨物在倉(cāng)庫(kù)中長(zhǎng)時(shí)間放置沒(méi)有使用的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將貨物放置到距堆垛機(jī)較遠(yuǎn)的貨倉(cāng)中，可極大的提高貨物運(yùn)輸效率，按照要求對(duì)PLC 控制器編寫(xiě)邏輯程序可以實(shí)現(xiàn)[6]。

根據(jù)系統(tǒng)需要，貨物需要入庫(kù)時(shí)，控制器首先需要是判斷某倉(cāng)位是否有貨，進(jìn)而決定是否將貨物放到該貨位中。使用PLC 中的位操作表示倉(cāng)位的存儲(chǔ)狀態(tài)，若某一貨位存入貨物則將表示該貨位狀態(tài)位置位，若取出貨物則對(duì)狀態(tài)位復(fù)位操作，當(dāng)系統(tǒng)收到入庫(kù)申請(qǐng)時(shí)，控制器需要對(duì)貨位的狀態(tài)位進(jìn)行逐一掃描，直到找到空位為止。系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)記錄每一個(gè)貨倉(cāng)的使用次數(shù)、貨物的儲(chǔ)存時(shí)間，如果有貨物超過(guò)設(shè)定時(shí)間沒(méi)有使用，控制器會(huì)將貨物移動(dòng)到倉(cāng)庫(kù)的的最遠(yuǎn)端，提高了距離倉(cāng)庫(kù)入口較近貨位的使用率，也提高系統(tǒng)的運(yùn)輸效率。

3 運(yùn)行與仿真

采用虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。用組態(tài)軟件結(jié)合虛擬仿真軟件以及西門(mén)子編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9，可以模擬真實(shí)立體倉(cāng)庫(kù)的動(dòng)作。其中使用虛擬仿真軟件按照真實(shí)倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)建模型并設(shè)置接口，用西門(mén)子smart200 PLC 編寫(xiě)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制梯形圖，下載到真實(shí)PLC中，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)控制，使用力控組態(tài)軟件既作為控制器的上位機(jī)又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)立體倉(cāng)信息的管理。聯(lián)合模擬仿真過(guò)程如圖4所示。

圖4 運(yùn)行與仿真

4 結(jié)語(yǔ)

基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，符合工廠“智能化”理念，相比于傳統(tǒng)人工登記的立體倉(cāng)庫(kù)，該系統(tǒng)可以大大提高工作效率，也節(jié)省了大量人力、物力成本。相比于同類產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有程序響應(yīng)速度較快、存儲(chǔ)空間可無(wú)限拓展、開(kāi)發(fā)周期較短、功能強(qiáng)大并且開(kāi)發(fā)成本較低等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是仍有可改進(jìn)的地方，下一步可以將二維碼技術(shù)應(yīng)用在該存儲(chǔ)系統(tǒng)中，可進(jìn)一步解放人工，提高效率。