智能立体仓储设备WCS系统研发

俞嘉炜+张凤登

摘 要：传统仓库主要依据人工装卸管理作业，特别是对于一些大型物资，不仅浪费大量的人力、物力，工作效率低，还具有较大的安全隐患。自动化立体仓库的研发制造和投入使用可以弥补传统仓库的不足。现以自动化立体仓库系统为研究对象，分析其工作原理，结合计算机、可编程控制器和通信技术，设计了一套基于西门子S7-300PLC的自动化立体仓库控制方案，利用PROFIBUS-DP总线实现立体仓库控制系统及上位机与下位控制系统间的通信。另外，为了监控和管理立体仓库的运行状态，通过在VB.NET环境下实现上位机监控程序设计，主要以手动和自动两种方式控制。最终达到立体仓库智能化信息管理的基本要求，不仅操作方便、节省空间，而且能有效降低成本、提高生产效率、增加经济效益。

关键词：自动化立体仓库；堆垛机；PROFIBUS-DP；PLC；VB.NET

DOIDOI：10.11907/rjdk.173089

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0143-04

0 引言

立体仓库一词起源于“高层货架”，通常是指采用几层、十几层高的货架存储单元货物，随着时代的发展，起重、装卸、运输机械和设备更广泛应用于物流运输行业[1]。到20世纪70年代末，“自动化孤岛”需要集成，促进了集成化系统、集成化仓库技术的发展[2]。自动化立体仓库是目前高水平物流生产系统的重要组成部分，具有节省空间、降低生产成本、提高生产效率等优点，广泛应用于各种大型仓储环境中。1959年，美国率先建成世界上第一个立体仓库，并于1963年结合计算机技术控制管理立体仓库。1970年后，发达国家在各大城市纷纷建立了大型自动化立体仓库[3]。中国自动化立体仓库的发展相对较晚和缓慢，1974年郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库，至1980年我国已经建成21座自动化立体仓库。本次设计通过了解自动化立体仓库研究现状，熟悉产品设计流程，根据自动化立体仓库出入库原则和特点，规划自动化立体仓库结构和WCS系统功能模块，设计一套基于西门子S7-300PLC的自动化立体仓库控制方案，并用VB.NET设计上位机WCS系统，与相关运输设备实时数据通信，实现立体仓库的智能化信息管理。

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 Retrieval 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[4]。如图1所示，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[5]。

堆垛机（见图2）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[6]。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[7]。

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DP从站之间进行循环数据交换[8]。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CP5613 A2通信板卡。

2 基于VB.NET的OPC应用程序开发

2.1 OPC技术

目前，大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。基于COM技术的OPC标准自动化接口，实现了OPC服务器与OPC应用程序之间的数据交换[9]。包括Siemens、GE、ABB等国外知名厂商已经支持OPC技术。OPC对象具有分层结构，OPC服务器对象由OPC组集合对象、OPC组对象、OPC项集合对象、OPC项对象组成，有的OPC服务器对象还包含OPC浏览器对象，如图3所示。

2.2 OPC应用程序开发

（1）OPC服务器对象OPCServer提供连接数据源以及数据的读写，所以在建立OPC服务器之后建立OPC组集合、OPC标签，然后使用OPC数据访问自动化接口的“Connect”方法与数据源连接。

（2）OPC组集合对象OPCGroups是OPC组的集合，可以添加、清除和管理OPC组。

（3）OPC组对象OPCGroup提供OPC应用程序要求的数据访问手段。

（4）OPC标签对象OPCItem表示与OPC服务器内某个数据连接。各个OPC标签包含数据值Value、质量标志Quality以及采样时间TimeStamp。

在本项目设计中需要使用OPC服務器、OPC组以及OPC标签，具体来说，如图4所示，先连接一个特定的OPC服务器，然后建立OPC组，最后添加OPC标签。endprint

3 VB.NET与数据库访问

3.1 ADO.NET组件

在整个自动化立体仓库系统运行过程中会产生大量数据，而数据库的作用就是对这些数据进行管理、存储和访问。利用VB.NET中的ADO.NET组件连接数据库和数据访问。

ADO.NET包含两个核心组件：DataSet和.NET Framework数据提供程序。其中.NET Framework数据提供程序包括的对象为Connection、Command、DataReader和DataAdapter。

DataSet包含有一个集合，集合中的每个对象为DataTable，表示一个数据表。DataTable对象内包含了数据行DataRow和数据列DataColumn对象。

3.2 VB.NET与数据库的连接及数据访问

实现与数据库服务器SQL sever连接和数据访问的步骤：①创建SqlConnection对象连接数据库；②创建SqlCommand对象执行SQL语句进行数据操作；③创建SqlAdapter对象更新数据库；④用Fill方法将数据填充到DataSet中[10]。

4 WCS系统的设计与实现

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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。

如图5所示，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。

如图6所示，在自动模式下，用户可以直接在表格控件上按Ctrl+鼠标左键选中想出入库的货位，当表格中的货位为黄色即为选中。按Alt+鼠标左键选中想转库的目标货位，当表格中的货位为橙色即为选中。

（3）出入库管理模块。如图6右下界面所示，出入库管理模块负责货物的出入库管理工作。根据货物出入库的几个原则，首先选中货位向OPC服务器中的控制字节标签写入值，再向堆垛机发送入库作业指令。同理，可以选中货位再向堆垛机发送出库作业指令。

（4）数据库管理模块。如图7所示，数据库管理模块主要负责用户信息数据表，系统参数信息数据表，货物库存信息表的管理。

5 结语

自动化立体仓库的管理和控制系统研究内容非常广泛。在本文的基础之上，未来可以在以下几个方面开展深入研究：

（1）精确性。为了提高在实际运行中堆垛机速度控制精度，采用变频器与激光测距传感器相结合的方式，并在闭环控制系统中加入模糊控制器，使堆垛机和叉车快速准确到达指定位置。应用模糊控制算法提高速度控制的精准性，保证系统稳定运行和较好的动态响应性能[11]。

（2）智能化。运用RFID识别技术构建商品信息采集管理系统。

（3）网络化。利用以太网实现远程计算机访问本地数据库，运用自动控制系统管理和控制自动化立体仓库系统的运行。

参考文献：

[1] 冯占营.基于PLC的自动化立体仓库运行系统设计[D].济南：山东大学，2008.

[2] 缪兴锋.浅析物流自动化立体仓储系统设计新技术[J].物流技术，2006（8）：47-49.

[3] 潘芸.基于现代物流的自动化立体仓库研究[D].苏州：苏州大学，2008.

[4] 黄金.自动化立体仓库管理与控制系统的研究与开发[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[5] 单振华.基于西门子可编程逻辑控制器立体仓库制系统的研究与实现[D].长沙：中南大学，2013.

[6] 李宏哲.立体仓库双轨式堆垛机电气控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[7] 孔令君.基于PROFIBUS的生产物流系统设计与实现[D].北京：北京工业大学，2008.

[8] 高峰.工业以太网与PROFIBUS的比较研究及其在物流系统中的应用[D].济南：山东大学，2005.

[9] 袁德平.OPC技术在PROFIBUS现场总线中的研究与应用[D].成都：西南交通大学，2004.

[10] 周维.基于数据仓库的管理信息系统的研究[D].昆明：昆明理工大学，2002.

[11] 陳欣.基于PLC的自动化立体仓库堆垛机运行及监控系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.endprint