智能立体仓储设备WCS系统研发

目前,我国的自动化立体仓库技术有着突飞猛进的发展,但是自动化立体仓库无论是从数量,设备品种以及技术水平上与国际发达国家都还存在着明显大的差距。本文深入研究自动化立体仓储系统的智能监控技术,实现自动化立体仓库的在线监测和本地控制,为仓储物流系统提供重要的参考数据并实现物流系统的远程控制功能提供技术支撑。
1 自动化立体仓库系统
1.1 自动化立体仓库的组成自 动 化 立 体 仓 库 系 统(Automated Storage and Re-trieval SyStem,AS/RS)指的是利用计算机进行管理和控制,完成出入库作业任务的仓库。基本构成包括货架、巷道式堆垛机、出入库台、输送系统、管理和控制系统等。整个系统采用分层结构,分为管理层、监控层和现场执行层。由本地计算机、远程计算机、数据库服务器通过以太网的形式组合构成了 WCS 的计算机网络。网络中各个计算机可以通过操作本系统数据库相互交换信息。本地计算机(工控机)通过 PROFIBUS - DP 通讯接口实现对堆垛机、输送系统等现场执行设备的控制。堆垛机是自动化立体仓库硬件组成的核心部分,它负责完成货物的出入库作业任务。通常包括水平运动机构、垂直升降机构、货叉伸缩机构、安全报警系统和 PLC 控制系统,连接上位机监控管理堆垛机状态。堆垛机采用模块化结构 S7 - 300PLC 作为控制系统,并通过 DDLS200 光学数据传输系统与输送系统红外数据通讯,实现两者的协同工作。
1.2 PROFIBUS - DP 网络数据通讯作为国际性、开放式的现场总线标准 PROFBUS 一般用于对时间要求苛求的高速数据传输与大范围复杂数据通讯。PROFIBUS分为 3 种通信协议:DP、PA 和 FMS。PROFIBUS - DP 系统中的 PLC(DP 主站)与分布式 I/O(DP 从站)之间采用轮循通讯方式,可在 DP 主站与堆垛机 DP 从站之间进行循环数据交换。主站在 PROFIBUS 协议中被指定为主动节点,负责管理总线上的数据传送。只要主站拥有访问总线权限的令牌,则无需被请求即可发送消息。DP 从站是 I/O 设备,如执行器、传感器、变频器等。从站在 PROFIBUS 协议中被指定为被动节点,它们不接受令牌,只将收到的消息向主站应答或根据要求向主站发送消息或数据。本设计中为保证 PC 与 PLC 之间 PROFIBUS - DP 数据通信的稳定性,使用性能较高的 CP5613A2 通信板卡。
2 立体仓储系统总体设计
2.1 硬件设计本文所设计立体仓库共设有一个 10 列、6 层货架,共计 60个仓位。整个控制系统由工业控制计算机、西门子 S7-1200PLC等组成,以西门子 S7-1200PLC 为核心,以触摸屏作为人机界面的显示单元,完成货物管理与统计、仓位检测、入库和出库等命令发送与信息反馈工作。上位机通过以太网卡接入以太网,与主站组成工业以太网进行通信,通过触摸屏完成在自动或手动状态下对物料的入科、出库码垛机的运行情况实时监控。
2.2 软件结构设计
(1)手、自动及联机控制。本文所设计立体仓储系统共有自动模式、手动模式以及联机模式等三种运行模式。在自动模式运行下,操作者需要触摸屏上选定仓位号并设定运行速度等参数,按启动按钮系统会完成相应的自动出入库过程。在手动模式运行下,货叉在允许范围内可实现独立伸缩动作和抓物放物动作,同样可实现码垛机在 X 或 Y 轴上的运动,每个独立动作都有相应的按键控制。在联机运行模式下,S7-1200 根据上位机发来的命令确定最终仓位号和运行速度,系统自动完成物料的出入库动作,并时时反馈位置信息给上位机。码垛机在 X 轴、Y 轴上行走采用西门子 M420 变频器驱动交流电机实现调速与制动动作,确保码垛机高效平稳运行。
(2)数据采集。实时采集立体仓储系统的数据并将其保存到本地 PLC 的数据块中。触摸屏通过工业以太网交换机访问 S7-1200,时时读取采集到的数据显示在触摸屏上。
(3)故障诊断。是指监控系统利用采集到的实时数据判定当前立体仓储系统的运行状况。例如行程是否超限、货仓是否有料、运行速度是否合理等。以及通过本地控制器与通讯伙伴的握手信号判定设备当前的通信状态
(4)历史信息查询。主要指历史操作信息、故障预警信息以及历史故障信息,主要内容包括故障或者动作发生的时间、内容以及故障离开的时间等。立体仓储系统会在监控画面中详细地显示并自动保存历史信息。
2.3 通讯接口设计本文立体仓储的智能监控系统采用西门子 S7 通讯服务下的TCP/IP 协议和 RS485 协议。系统的输入 / 输出信号、物理传感器采样值、立体仓储系统的故障预警和故障信号等信息采用实时自动交换的方式完成。
3 WCS 系统的设计与实现
3.1 基本作业流程自动化立体仓库的基本作业分为入库作业、出库作业和转库作业。
(1)入库作业流程。当货物单元入库时,由 1# 进料电机和1# 输送带正转将货物送到巷道入口,堆垛机收到上位机 WCS 发送的入库指令和目标货位坐标,通过自动寻址,将货物存放到指定货格。在完成入库作业后,堆垛机立即向 WCS 反馈作业完成信息。
(2)出库作业流程。当目标货物单元将要出库时,堆垛机收到上位机 WCS 发送的出库指令和目标货位坐标,通过自动寻址,先到指定货格取货至巷道出口,若该货格为空则发出警报。再由 1# 出料电机和2# 输送带反转将货物送到出库台,在完成出库作业后,堆垛机立即向 WCS 反馈作业完成信息。
(3)转库作业流程。堆垛机到指定地址将货物取出,根据上位机 WCS 发送的转库指令和目标货位坐标,通过自动寻址,将货物存放到目标货格。在完成转库作业后,堆垛机立即向 WCS 反馈作业完成信息。
3.2 功能模块根据需求分析,立体仓库控制管理系统 WCS 应由以下几个模块组成:用户管理模块、数据库模块、系统运行模块、出 / 入库管理模块、综合查询模块。
3.3 界面与程序设计
(1)用户登录模块。主要负责用户名和密码的认证,获得系统的使用权限。在用户获得使用权限以后读取系统参数,完成数据库连接和 OPC 服务器的初始化。
(2)系统运行模块。自动化立体仓库系统运行分为两种模式:手动模式和自动模式。,在手动模式下,用户可以实时观察自动化立体仓库输送系统的各个传感检测情况,通过直接点击界面上的按钮控件就可以实现 1# 进料电机、1# 出料电机、1# 输送带、
2# 输送带的正转、反转和停止,1# 气缸2# 气缸的上升和下压,以及货物的出入库管理。结语本文基于 PLC 控制的立体仓储智能监控系统的设计采用了逻辑处理能力强、自动化立体仓储系统通过网络化控制和数据存储中形成了自动的物流系统,该控制方式集成度高、故障率低,使用效果良好。与传统的仓库相比,存储效率和空间利用率均有大幅提升,节省人力成本,降低物料成本。
来源:网络

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