基于PLC倉庫燈光指引系統(tǒng)的分析

朱曉覓 徐云生　肖宇　李晨

關(guān)鍵詞： 燈光指引 PLC LED 指示燈 數(shù)字化 PROFINET RS485

中圖分類號(hào)： U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0047-04

普通貨架在倉儲(chǔ)管理中是不可缺少的重要角色，當(dāng)倉庫規(guī)模不斷擴(kuò)大，貨架數(shù)量與物品樣式逐漸增多，物品定位成了最大痛點(diǎn)。本研究的主要目的是采用PLC 控制器構(gòu)建一套燈光指引系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)倉庫物品進(jìn)行快速定位并進(jìn)行燈光指引。通過在倉庫工作現(xiàn)場增加智能引導(dǎo)功能，進(jìn)一步提高倉庫物料入庫、出庫和查詢等操作的效率和準(zhǔn)確性，確保倉庫工作人員能夠順利、高效地執(zhí)行日常工作［1］。

針對(duì)不同的倉庫貨物存置類型，基于PLC 的倉庫燈光指引系統(tǒng)可以根據(jù)具體需求進(jìn)行定制設(shè)置。無論是稀疏型還是緊密型倉庫，該系統(tǒng)都可以提供準(zhǔn)確的指引，幫助工作人員進(jìn)行定位引導(dǎo)而快速找到目標(biāo)貨物，提高倉庫操作的效率和準(zhǔn)確性。

1 倉庫燈光指引系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的倉庫燈光指引系統(tǒng)，通過人機(jī)交換界面確定出庫或入庫行為。掃碼槍掃碼獲取信息后，確認(rèn)物品位置，最終系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到執(zhí)行模塊，點(diǎn)亮對(duì)位貨架的貨架指示燈和貨架層指示燈，實(shí)現(xiàn)用戶引導(dǎo)功能。該系統(tǒng)的流程如圖1 所示。

本文設(shè)計(jì)3 個(gè)模塊：人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和執(zhí)行模塊。

1.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由掃碼槍和西門子TP2200 精智面板觸摸屏組成，21.5 寸1 600 萬色LED 背光，16∶9 寬屏顯示，主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，執(zhí)行出庫、入庫、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)可視化等數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)通信采用現(xiàn)場總線PROFINET。人機(jī)交互模塊采集工作，使用掃碼方式實(shí)現(xiàn)用戶快捷輸入條碼號(hào)；數(shù)據(jù)封裝與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行有限通信，發(fā)送獲取的數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行校驗(yàn)，并將讀取數(shù)據(jù)處理模塊的內(nèi)容展示在觸摸屏上［2］。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊同時(shí)作為上位機(jī)，采用多種通信協(xié)議與周邊設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)的控制。數(shù)據(jù)處理模塊由西門子1200PLC 組成，通過現(xiàn)場總線通信協(xié)議PROFINET 與人機(jī)交互模塊進(jìn)行通信，獲取人員操作信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，引導(dǎo)和分配空余位置。

1.3 執(zhí)行模塊

硬件LED 電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)引導(dǎo)功能，接收數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的指令。執(zhí)行模塊由數(shù)個(gè)遠(yuǎn)程IO 模塊、LED燈組成，采用分布式IO 連接LED 燈。每個(gè)遠(yuǎn)程IO 模塊最大支持32 節(jié)的輸出模塊擴(kuò)展，接線采用共陰極接線方法控制燈帶，執(zhí)行模塊不同顏色分別對(duì)應(yīng)位置作業(yè)的不同功能。

2 倉庫燈光指引系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 掃碼槍接入PROFINET 系統(tǒng)

掃碼槍的通信接口多為RS232 通信接口。RS232接口又稱COM 口，是標(biāo)準(zhǔn)串口，通?？梢灾边B電腦設(shè)備。使用掃碼槍時(shí)需要串口工具才可以正常輸出，如串口調(diào)試助手、超級(jí)終端等。掃碼槍不需要安裝驅(qū)動(dòng)，支持指令觸發(fā)。在該系統(tǒng)中人們通過網(wǎng)關(guān)將掃碼槍接入PROFINET 系統(tǒng)中，把掃碼槍掃描到的條形碼信息上傳到PN 網(wǎng)絡(luò)主站，以西門子1200PLC 作為PN 主站，網(wǎng)關(guān)PN 側(cè)作為PROFINET IO，網(wǎng)關(guān)RS232 側(cè)作為串口從站，用來接收掃碼槍上傳的條形碼信息。

2.1.1 系統(tǒng)連接

西門子1200PLC 通過PN 專用網(wǎng)線與網(wǎng)關(guān)PN 接口相連，RS232 接口與掃描槍RS232 口相連。RS232通信線由于掃描槍RS232 引腳定義為2TD3RXD5GND，網(wǎng)關(guān)RS232 引腳也為2TD3XD5GND，故掃描槍與網(wǎng)關(guān)RS232 之間需要加一條RS232 交叉串口線，確保一頭是針與掃描槍相連，另一頭是孔與網(wǎng)關(guān)RS232口相連。

2.1.2 工程配置-GSD 文件導(dǎo)入

打開博圖（當(dāng)前使用的是博圖V16 專業(yè)版），點(diǎn)擊項(xiàng)目→新建，輸入工程名稱后創(chuàng)建。

選擇網(wǎng)絡(luò)視圖，在右側(cè)硬件目錄中選擇對(duì)應(yīng)的CPU 型號(hào)雙擊，加入工程。

在選項(xiàng)菜單列選擇“安裝設(shè)備描述文件”。

在網(wǎng)關(guān)的官網(wǎng)上下載GSD 文件后選中對(duì)應(yīng)SGD文件。確定文件名、版本沒有問題后點(diǎn)擊安裝，如圖2案例所示。

在右側(cè)的硬件目錄中選擇其他現(xiàn)場設(shè)備→ProfinetIO→Gataway→DS CO，Ltd→DS PN Gataway→PNG2-RS232/485，雙擊加入工程。

2.1.3 添加PROFINET 網(wǎng)絡(luò)

選中CPU 以太網(wǎng)接口，點(diǎn)擊右鍵添加子網(wǎng)，然后選中PN-G2-RS232“未分配”三個(gè)藍(lán)色字，選擇PLC_1.PROFINET 接口。

2.1.4 配置可編程控制器側(cè)的PROFINET 通信網(wǎng)絡(luò)地址

選中PLC，在軟件右側(cè)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備視圖，在視圖內(nèi)可以看到設(shè)備的通信指示，單擊選中CPU PROFINET接口，在接口常規(guī)里設(shè)置以太網(wǎng)地址。

2.1.5 設(shè)置PROFINET 通信網(wǎng)絡(luò)地址

點(diǎn)擊設(shè)備進(jìn)入設(shè)備視圖，單擊選PROFINET 接口，在此處進(jìn)行通信設(shè)置即設(shè)置，以太網(wǎng)地址（此地址必須與CPU 地址在同一網(wǎng)段內(nèi)，一般PLC 會(huì)自動(dòng)分配）。

2.1.6 設(shè)置RS232/485 接口

點(diǎn)擊模塊進(jìn)行屬性設(shè)置，針對(duì)模塊參數(shù)項(xiàng)，設(shè)置RS232/485 波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位及停止位，如圖3所示。

數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位：8 數(shù)據(jù)位無校驗(yàn)1 停止位，8 數(shù)據(jù)位偶校驗(yàn)1 停止位，8 數(shù)據(jù)位奇校驗(yàn)1 停止位等。

模式（Mode）：設(shè)置成Slave 時(shí)，網(wǎng)關(guān)上電進(jìn)入準(zhǔn)備接收狀態(tài)，適用于網(wǎng)關(guān)232/485 接口，接收到請(qǐng)求后響應(yīng)或網(wǎng)關(guān)只接收請(qǐng)求的場景（收發(fā)、收收），接掃描槍時(shí)需配置成Slave 模式。

PN Offline：設(shè)置成RUN 時(shí)，當(dāng)PN 掉線串口232/485 輸出仍發(fā)送；設(shè)置成STOP 時(shí)，當(dāng)PN 掉線串口232/485 輸出停止發(fā)送。

發(fā)送時(shí)間間隔：可選100 ms 、200 ms、 400 ms 、600 ms、800 ms 和1s 等。

2.1.7 IO 配置

選中相應(yīng)的插槽，在右側(cè)的硬件配置選擇模塊→D→in16 Bytes，雙擊加入到配置中，同理加入Out16 Bytes。

為PN-G2-RS232 網(wǎng)關(guān)分配設(shè)備名。PN-G2-RS232/485 網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)PROFINET 從站，在使用時(shí)需要給每個(gè)從站分配設(shè)備名，PROFINET主站以此來對(duì)從站進(jìn)行區(qū)分。硬件組態(tài)中的設(shè)備名必須與PROFINET 從站的名稱相同，否則無法正常通信［3］。方法如下所示：首先在PN-G2-RS232/485 的設(shè)備視圖中，為該模塊設(shè)置設(shè)備名稱，也可保持默認(rèn)名稱，這里將該模塊命名為pnrs232-gateway（需使用小寫字母、數(shù)字格式設(shè)備名），將設(shè)備名下載到網(wǎng)關(guān)中，將PC 機(jī)通過網(wǎng)線與PN-G2-RS232 網(wǎng)關(guān)連接好，并為PC 機(jī)分配一個(gè)IP 地址。在設(shè)備視圖中選中網(wǎng)關(guān)圖標(biāo)，點(diǎn)擊在線/分配設(shè)備名稱，如圖4所示。

在網(wǎng)關(guān)設(shè)備視圖添加輸入字節(jié)用來接收來自掃描槍的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度配置按照掃描槍支持的字節(jié)長度自主調(diào)整。添加一條16wod，即32Byte 長度的輸入。

2.1.8 工程調(diào)試

將工程下載到PLC 中，模塊的SYS、CFG、RUN 燈均為綠色長亮，代表PN 通信正常。每當(dāng)掃描槍掃描一次條形碼，掃描槍232 口就會(huì)向網(wǎng)關(guān)232 接口發(fā)送一次條形碼數(shù)據(jù)。通過博途軟件的監(jiān)控表監(jiān)測條形碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型需要設(shè)置成字符顯示，具體如圖5 所示。

2.2 單點(diǎn)通信RS232 與多點(diǎn)通信RS485選擇

PLC 與遠(yuǎn)程IO 通信主要是通過串口通信線實(shí)現(xiàn)PLC 與遠(yuǎn)程IO 模塊串口功能。因PLC 通信模塊可以連接的數(shù)量有限，利用串口通信資源最大化實(shí)現(xiàn)通信是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。在串口通信協(xié)議中包含RS232和RS485。

二者通信方式的區(qū)別是：在通信距離方面，RS232通信協(xié)議最大傳輸距離為15 m 左右，適用于短距離通信，它的信號(hào)強(qiáng)度較大，通信相對(duì)較穩(wěn)定；而RS485 通信協(xié)議傳輸距離可以達(dá)到1 200 m，適用于長距離通信。由于采用差分信號(hào)傳輸，RS485 通信能夠有效抵抗電磁干擾，具有較好的抗干擾性能。

在連接數(shù)量方面，RS232 是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的，通常只支持兩個(gè)設(shè)備連接。RS485 由于是多點(diǎn)通信，所以RS485 通信可以支持同一總線上多個(gè)設(shè)備進(jìn)行連接，且最大可連接32 個(gè)設(shè)備。

通過上述對(duì)通信距離、通信連接數(shù)量兩個(gè)重要參數(shù)分析，考慮遠(yuǎn)程IO 模塊通信距離長及最大化串口資源利用率，RS485 總線通信非常適合本系統(tǒng)的使用，能實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，解決距離長、連接數(shù)量多等問題。

3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)舍去了傳感器系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完全依靠PLC 算法，且系統(tǒng)非常緊湊，維護(hù)成本極低。

分析整個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)作業(yè)位置有兩種數(shù)據(jù)，分別為是否有貨物和貨物二維碼。在PLC程序內(nèi)建立一個(gè)FC塊，用來存放每個(gè)作業(yè)位置的數(shù)據(jù)，每16個(gè)字節(jié)的地址長度作為一個(gè)作業(yè)位置的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存地址。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化（清空所有作業(yè)位置內(nèi)數(shù)據(jù)，所有燈帶紅燈閃爍）的時(shí)候，釋放整個(gè)FC塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，所有作業(yè)位置為空狀態(tài)。存放物品的時(shí)候經(jīng)過掃碼槍讀取二維碼數(shù)據(jù)，從底地址依次向高地址尋找數(shù)據(jù)為空的地址，然后將讀取的二維碼數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，將該地址數(shù)據(jù)改為滿，并將對(duì)應(yīng)編號(hào)的貨位燈帶點(diǎn)亮10 s，指引作業(yè)人員存放［4-5］。

當(dāng)使用者要取出指定物品時(shí)，掃描二維碼，而系統(tǒng)讀取掃描到的二維碼后將存放數(shù)據(jù)的FC 塊中所有地址進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比成功后，將對(duì)比找到的地址數(shù)據(jù)清空，對(duì)應(yīng)的貨位存放格燈帶點(diǎn)亮10 s，聲音系統(tǒng)啟動(dòng)，指引作業(yè)人員取出。

4 倉庫燈光指引系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能

（1）客戶通過人機(jī)交互界面或掃碼槍進(jìn)行取、存操作，通過現(xiàn)場總線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC 邏輯控制模塊組成的數(shù)據(jù)處理模塊。（2）PLC 邏輯控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將物品存放在空閑位置，而取出物品時(shí)鎖定選擇物品的位置，將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線通信發(fā)送到執(zhí)行模塊，并清除該位置的數(shù)據(jù)信息。（3）執(zhí)行模塊用來驅(qū)動(dòng)指示燈的變化，通過接收總線數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)燈帶，實(shí)現(xiàn)指示燈顏色變化、點(diǎn)亮、閃爍和熄滅。（4）根據(jù)現(xiàn)場需求設(shè)置指示燈的工作模式，例如：可以對(duì)指示燈定義為紅色指示燈時(shí)代表入庫功能，綠色燈帶對(duì)應(yīng)出庫功能等，也可以指流水燈對(duì)工作人員進(jìn)行更精準(zhǔn)的指引。

PLC 的倉庫燈光指引系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能主要是貨物定位指引。這能夠提高倉庫的作業(yè)效率和準(zhǔn)確性，降低錯(cuò)誤發(fā)生概率，從而提升整體的倉庫管理水平［6］。

5 結(jié)語

本文采用西門子PLC 結(jié)合倉儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用需求，通過模塊化設(shè)計(jì)，初步開發(fā)出了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的倉庫燈光引導(dǎo)系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)倉庫的燈光模式，讓倉庫更加智能化。通過指示燈的顏色、點(diǎn)亮、熄滅和閃爍等變化，精準(zhǔn)可靠的貨位燈光指引功能讓工作人員能快速定位并找到貨位。這大大提高了工作效率，改善了工作環(huán)境。