基于Profibus总线的立体仓库控制系统设计

梁庆杰

（广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

自动化立体仓库系统（AS/RS—Automated Storage and Retrieval System）是人工不直接进行处理的自动存储和取出货物的系统，是适应经济发展的需要，而在近代才崛起的新型仓储设施。其主要优点是：高层货架存储，节约用地，充分利用库房空间增大存储量；自动存取，收发准确迅速，提高入出库效率；机械自动化作业，解放人力，减小劳动强度；计算机控制，自动进行准确的信息存储和管理，自动打印各种报表。随着计算机技术和自动控制技术的发展和广泛应用，自动化立体仓库系统的发展将更加迅速。

该项目为某自动化立体仓库制造公司产品的改进项目。实施以前的系统也比较成熟，但是具有以下缺点：没有传送带，采用人驾驶搬运车把货物运到或者运离各个货架的暂存区。每个货物需要车子从出入口到库位位置，通过小车运输，效率低下、调度麻烦，能耗也比较大。系统之间通过人来协调，调度麻烦。

本次项目在原有某公司产品的基础上，对整个PLC控制器和网络进行重新设计，并增加自动的传送带和自动驾驶的分配车。通过无线Profibus连接所有的堆垛机、分配车，进行统一通信、协调工作。具有传送带，一个或多个分配车，大大提高效率，节省能源。最后的系统效果如图1所示。

图1 Profibus总线统一通信的立体仓库

1 系统设计

本项目的自动化立体仓库系统主要由货架、传送设备、存储设备、堆垛机、控制系统、通讯系统、计算管理监控系统等部分组成。

传送设备采用传送带，运输车采用PLC控制的无人驾驶车。设计包括20排货架，10个堆垛机，一条传送带。各个堆垛机都是PLC控制，而传送带也是PLC控制。而整个系统又连接到了中央控制室，进行数据库备份，远程控制和监控。整个系统的布局如图2所示。

图2 自动化立体仓库系统硬件结构

分配车是协调传送带和堆垛机的，起到一个中间搬运的作用。每个货架最后面的最下面有一个暂存区，可以放置要入库或者出库的货物。搬运车把货物从这个暂存区和传送带之间交换。分配车无人驾驶，采用轨道导向，沿传送带运行，不断进行货物交换。依据工作量的大小，可以提供多台分配车。

输送机系统是立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。

采用技术先进的现场控制总线直接通讯的方式，真正做到计算机只监不控，所有的决策、作业调度和现场信息等均由堆垛机、出入库输送机等现场设备，通过相互间的通讯来协调完成。

2 网络架构的组建

现场操作员区的PLC作为中央PLC，除了控制传送带之外，还和多个从PLC通信。具体的立体仓库逻辑框图如图3所示。

图3 通信网络结构

整个系统包括堆垛机PLC，传送带PLC控制，传送带Profibus变频器,分配车PLC控制。

采用德国schild knecht公司无线Profibus-DP产品DE3000，进行透明传输，但是速率为187.5 kbps。

检测信号来源于光电编码盘以及定位传感器，为分配车提供准确的货物位置。

提供管理软件，准确判断货物所存位置，保存的周期，以及货物的其他信息。通过管理软件，拓展了仓库功能，从单纯的保管型发展到综合流通型，是未来物流自动化的一个重要发展方向。

3 Profibus通信和软件系统

软件的逻辑布局UML描述（如图4所示）。

图4 软件的逻辑布局图

管理系统下发货物的入库出库信息。在管理系统缺失情况下。IO服务器对主PLC、传送带、分配车、堆垛机13个PLC进行协调算法，协调后的信息都是通过主PLC向其他PLC发布。由于协调算法复杂，速度要求在秒级别，所以不在主PLC上实现。主PLC同时直接控制传送带，并准确地停止，以便准确定位货物。

整个系统统一编程，在同一个网络下工作，实现多主机多从机的组网模式。建立Profibus站点如图5所示。

设置堆垛机1#到堆垛机10#站点的HW属性。站点地址从 11～20。

最后设置为：10个S7-300从站，和主站交互数据，每次交换10个字节。包括从站当前操作状态，0～20（最大255）个状态；从站当前操作的目标仓位0～65535。操作完成的估算时间0～65535 s。主站命令字：0～255，目标仓位 0～65535，命令字参数，0～65535。

图5 建立的Profibus站点

也就是说，每个从站有10个数据用于通讯。发送给主站5个字节，接收主站5个字节。

表1 主站和从站通信的地址分配

4 系统调试

针对主PLC的调试。包括功能基本调试，故障保护调试，以及各种可靠性调试。

（1）联合IO服务器，发出指令，要求主PLC响应命令，并提供正确的数据给IO服务器。

（2）控制传送带，特别是总线连接的变频器，包括运行，停止，等待分配车取货，等待分配车送货。

（3）联合从CPU，看相互之间的10个数据传送是否正确。

5 结束语

项目经过3个多月的硬件环境，又经过了2个月的编程和调试，系统基本满足设计需求。经过大量的测试，以前产品存库连续操作平均间隔时间52 s，而单件货物操作时间平均2 min 24 s，而改进后在连续操作下，流水操作每件货物12 s，单件货物完成平均时间1min 40 s。从而可见，在大量货物的情况下大大提高了效率。即使单件货物，由于使用了协调通信，也节省了中转时间。

改进设计后效率的提高的主要原因在于协调通信技术和优化路由算法的使用。设计完成后，大大提供系统物流的速度，提高近三倍的效率，并大大节省能源。

[1]刘昌祺，董 良.自动化立体仓库设计[M].机械工业出版社，2004.

[2]吴焱明，丁正，张栋，赵韩.基于Web的自动化立体仓库控制与管理系统的设计[C].物流技术,2007，26（5）.96-98.

[3]徐香玲.基于专家系统的自动化立体仓库出入库调度策略研究[D].西安：西安理工大学，2004.

[4]周奇才.基于现代物流的自动化立体仓库系统（AS/RS）管理及控制技术研究[D].西南交通大学，2003，82-93.