自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、—233—自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)馬殷元12，蔣兆遠(yuǎn)2(1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730070；2.甘肅省物流及運(yùn)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(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與設(shè)備控制系統(tǒng)的功能需求，指出了它與過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的不同點(diǎn)，劃分了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)功能模塊。結(jié)合以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以交換式快速以太網(wǎng)為主干、以總線型現(xiàn)場(chǎng)總線為底層的系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)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(guò)介紹該設(shè)計(jì)在某企業(yè)生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)兼有物流功能的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)，闡明了倉(cāng)庫(kù)管理與監(jiān)控系統(tǒng)軟件的集成。該設(shè)計(jì)使用通用器件和通用技術(shù)以較低成本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)集成，具有易于擴(kuò)展和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)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(jì)算機(jī)工程ComputerEngineering第33卷第19期Vol.33No.192007年10月October2007工程應(yīng)用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)文章編號(hào)

4、：1000—3428(2007)19—0233—03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A中圖分類號(hào)：TP391為提高物流效率，各種新技術(shù)被迅速應(yīng)用到物流的各個(gè)環(huán)節(jié)。信息化的發(fā)展大致是自上而下向現(xiàn)場(chǎng)層擴(kuò)展?jié)B透。而自動(dòng)化則是自下而上，從底層局部自動(dòng)化向車間乃至整個(gè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策的自動(dòng)化的方向發(fā)展。使得自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)常成為信息化和自動(dòng)化的交匯點(diǎn)和迫切需要控制與信息集成的環(huán)節(jié)。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)是采用高層貨架存放貨物，使用自動(dòng)機(jī)械堆垛機(jī)并結(jié)合入庫(kù)出庫(kù)周邊設(shè)備來(lái)進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)的一種倉(cāng)

5、庫(kù)。物流的發(fā)展對(duì)倉(cāng)庫(kù)提出更廣泛的自動(dòng)化的需求，它包含倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化和倉(cāng)庫(kù)管理（信息）自動(dòng)化，要求把計(jì)算機(jī)與信息管理和設(shè)備控制集成起來(lái)，按照控制指令自動(dòng)完成貨物的存取作業(yè)，并對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行管理。倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化不是上述兩個(gè)環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)環(huán)的簡(jiǎn)單相加，不僅是網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)備的集成，更是信息與應(yīng)用的集成，最終實(shí)現(xiàn)功能集成。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式和需求不同于過(guò)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(xiàn)論述SCADA、SCC和一般監(jiān)控系統(tǒng)的較多，論述自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的較少。1系統(tǒng)需求與功能分析工業(yè)管理及自動(dòng)化的深入應(yīng)用，要求現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)在企業(yè)信息系統(tǒng)中處于車間級(jí)和設(shè)備級(jí)。從自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)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(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理與控制系

7、統(tǒng)。企業(yè)管理理層倉(cāng)庫(kù)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(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的設(shè)備包括堆垛機(jī)、貨物輸送機(jī)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(jì)要求每臺(tái)設(shè)備可以在“手動(dòng)”、“半自動(dòng)”、“聯(lián)機(jī)自動(dòng)”方式下運(yùn)行。聯(lián)機(jī)自動(dòng)方式下，操作命令由設(shè)備監(jiān)控層發(fā)出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC，PLC自動(dòng)執(zhí)行命令并把執(zhí)行結(jié)果反饋給監(jiān)控層。同時(shí)，根據(jù)功能自治原則，設(shè)備故障檢測(cè)和診斷功能也在PLC上實(shí)現(xiàn)，由于PLC的存儲(chǔ)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(dòng)方式下，設(shè)備故障代碼基金項(xiàng)目：甘肅省科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(甘肅省省長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目)“機(jī)電制造企業(yè)自動(dòng)化物流信息系統(tǒng)”(GS024A52005)作者簡(jiǎn)介：馬殷元(1973－)，男，講師、碩士，主研方向：電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，工業(yè)控制軟件，分布式系統(tǒng)；蔣兆遠(yuǎn)，教授、博士生導(dǎo)師收稿日期：20070125Email：Marlomayinyuan@.cn—235—控制層間傳輸。這樣實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信流量

9、的分流和分層管理?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)由智能設(shè)備或PLC作為主控端，它向下通過(guò)PLC廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線連接遠(yuǎn)端傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程IO以及觸摸屏HMI等?；谝蕴W(wǎng)集成的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的倉(cāng)庫(kù)管理與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參考結(jié)構(gòu)如圖4所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理工作站管理工作站數(shù)據(jù)服務(wù)器快速以太網(wǎng)交換機(jī)管理信息網(wǎng)網(wǎng)關(guān)PLC智能設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線傳感器現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)條碼掃描儀現(xiàn)場(chǎng)總線PLC遠(yuǎn)程IO觸摸屏HMI現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)設(shè)備無(wú)線鏈路現(xiàn)場(chǎng)條碼掃描儀RS232圖4網(wǎng)絡(luò)集成參考結(jié)構(gòu)3倉(cāng)庫(kù)管理與監(jiān)控軟件集成設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)管理與監(jiān)控軟件均在PC上實(shí)現(xiàn)，其軟件層次結(jié)構(gòu)劃分如圖5所示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)接口(ADO)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信驅(qū)動(dòng)程序與條碼儀通信驅(qū)動(dòng)程序企業(yè)管理系統(tǒng)與LED操作引導(dǎo)顯示屏通信及其他驅(qū)動(dòng)各種硬件設(shè)備控制器企業(yè)管理界面?zhèn)}庫(kù)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(guò)各種PLC通信驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)與其生產(chǎn)的PLC的通信軟件。如西門子的PRODAVES7軟件提供計(jì)算機(jī)與S7300或S7400系列PLC使用MPI方式通信的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)。三菱的MXComponentVersion3軟件提供了計(jì)算機(jī)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(shí)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(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立信息緩沖表，數(shù)據(jù)產(chǎn)生者向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者從數(shù)據(jù)庫(kù)取走數(shù)據(jù)，構(gòu)成生產(chǎn)者消費(fèi)者通信模式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、控制安全等方面進(jìn)行了考慮，不再詳述。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本文設(shè)計(jì)開發(fā)的“倉(cāng)庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)兼有物流功能的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中應(yīng)用實(shí)施。該立體倉(cāng)庫(kù)有3個(gè)巷道，每巷道2排貨架，每貨架10層47列，共2820貨位。有6個(gè)出

13、入口，設(shè)在1樓和2樓，可以在1樓和2樓進(jìn)行出入庫(kù)操作。系統(tǒng)配置3臺(tái)管理工作站和1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)監(jiān)控3臺(tái)堆垛機(jī)和6臺(tái)出入口輸送機(jī)，每3臺(tái)堆垛機(jī)由3套PLC控制，6臺(tái)出入口輸送機(jī)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(dòng)應(yīng)答服務(wù)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(guò)讀寫公用數(shù)據(jù)交換區(qū)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)交換。為了實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)交換以及考慮到故障后再啟動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行等情況，還基于UDP制定了上層協(xié)議。監(jiān)控計(jì)算機(jī)還同時(shí)監(jiān)控安裝在倉(cāng)庫(kù)出入口的6臺(tái)固定式條碼掃描儀、6臺(tái)手持式條碼掃描儀和6臺(tái)操作引導(dǎo)LED顯示屏。6臺(tái)RS232接口的手持式條碼掃描儀安裝在

15、倉(cāng)庫(kù)出入口，為與監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(yuǎn)端串口虛擬成本機(jī)端口，這樣對(duì)遠(yuǎn)端的串口操作就和本機(jī)串口一樣，可直接使用MSComm控件讀寫數(shù)據(jù)。6臺(tái)固定式條碼掃描器為德國(guó)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(hào)為BMH100411，它提供基于以太網(wǎng)的Tel服務(wù)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用MSWinsock控件以TCP方式與其通信。倉(cāng)庫(kù)出入口的6臺(tái)操作引導(dǎo)LED顯示屏為RS485接口，每個(gè)顯示屏有一個(gè)2B地址（使用撥碼開關(guān)設(shè)定）。硬件上用一個(gè)ADAM4570模塊接到交換機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用MSComm信控件向同一個(gè)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(yīng)的地址控制信息。倉(cāng)

17、庫(kù)管理工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、4臺(tái)PLC、12臺(tái)條碼儀和6個(gè)LED顯示屏（通過(guò)7個(gè)網(wǎng)關(guān)）連接到一臺(tái)24接口以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成星型網(wǎng)。監(jiān)控軟件用VisualC實(shí)現(xiàn)。為提高實(shí)時(shí)性，編寫了4個(gè)獨(dú)立于窗口界面的線程對(duì)4臺(tái)PLC進(jìn)行監(jiān)控。5應(yīng)用效果2004年8月“倉(cāng)庫(kù)管理及設(shè)備控制系統(tǒng)”在現(xiàn)場(chǎng)投入使用。操作高峰期間，每天出入庫(kù)達(dá)600多次（初次轉(zhuǎn)場(chǎng)入庫(kù)）。并通過(guò)了72h不關(guān)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的烤機(jī)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)使用證明該系統(tǒng)安全可靠、運(yùn)行效率高。由于

18、監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC通信的上層協(xié)議的保證，系統(tǒng)具有故障后再啟動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)執(zhí)行功能，可避免庫(kù)存混亂和庫(kù)管人員繁瑣的維護(hù)操作，深受用戶好評(píng)。系統(tǒng)至今已經(jīng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行2年多。6結(jié)束語(yǔ)系統(tǒng)采用了應(yīng)用廣泛的快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化倉(cāng)管理與監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成，通過(guò)軟件集成實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)管理與控制的高度自動(dòng)化，可提高自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的效率。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)和星型結(jié)構(gòu)以及功能分層的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)有較好的可擴(kuò)充性和易維護(hù)性。使用通用器件和通用技術(shù)