基于Profibus總線的立體倉庫控制系統設計

梁慶杰

（廣西機電職業技術學院，廣西南寧530007）

自動化立體倉庫系統（AS/RS—Automated Storage and Retrieval System）是人工不直接進行處理的自動存儲和取出貨物的系統，是適應經濟發展的需要，而在近代才崛起的新型倉儲設施。其主要優點是：高層貨架存儲，節約用地，充分利用庫房空間增大存儲量；自動存取，收發準確迅速，提高入出庫效率；機械自動化作業，解放人力，減小勞動強度；計算機控制，自動進行準確的信息存儲和管理，自動打印各種報表。隨著計算機技術和自動控制技術的發展和廣泛應用，自動化立體倉庫系統的發展將更加迅速。

該項目為某自動化立體倉庫制造公司產品的改進項目。實施以前的系統也比較成熟，但是具有以下缺點：沒有傳送帶，采用人駕駛搬運車把貨物運到或者運離各個貨架的暫存區。每個貨物需要車子從出入口到庫位位置，通過小車運輸，效率低下、調度麻煩，能耗也比較大。系統之間通過人來協調，調度麻煩。

本次項目在原有某公司產品的基礎上，對整個PLC控制器和網絡進行重新設計，并增加自動的傳送帶和自動駕駛的分配車。通過無線Profibus連接所有的堆垛機、分配車，進行統一通信、協調工作。具有傳送帶，一個或多個分配車，大大提高效率，節省能源。最后的系統效果如圖1所示。

圖1 Profibus總線統一通信的立體倉庫

1 系統設計

本項目的自動化立體倉庫系統主要由貨架、傳送設備、存儲設備、堆垛機、控制系統、通訊系統、計算管理監控系統等部分組成。

傳送設備采用傳送帶，運輸車采用PLC控制的無人駕駛車。設計包括20排貨架，10個堆垛機，一條傳送帶。各個堆垛機都是PLC控制，而傳送帶也是PLC控制。而整個系統又連接到了中央控制室，進行數據庫備份，遠程控制和監控。整個系統的布局如圖2所示。

圖2 自動化立體倉庫系統硬件結構

分配車是協調傳送帶和堆垛機的，起到一個中間搬運的作用。每個貨架最后面的最下面有一個暫存區，可以放置要入庫或者出庫的貨物。搬運車把貨物從這個暫存區和傳送帶之間交換。分配車無人駕駛，采用軌道導向，沿傳送帶運行，不斷進行貨物交換。依據工作量的大小，可以提供多臺分配車。

輸送機系統是立體庫的主要外圍設備，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。

采用技術先進的現場控制總線直接通訊的方式，真正做到計算機只監不控，所有的決策、作業調度和現場信息等均由堆垛機、出入庫輸送機等現場設備，通過相互間的通訊來協調完成。

2 網絡架構的組建

現場操作員區的PLC作為中央PLC，除了控制傳送帶之外，還和多個從PLC通信。具體的立體倉庫邏輯框圖如圖3所示。

圖3 通信網絡結構

整個系統包括堆垛機PLC，傳送帶PLC控制，傳送帶Profibus變頻器,分配車PLC控制。

采用德國schild knecht公司無線Profibus-DP產品DE3000，進行透明傳輸，但是速率為187.5 kbps。

檢測信號來源于光電編碼盤以及定位傳感器，為分配車提供準確的貨物位置。

提供管理軟件，準確判斷貨物所存位置，保存的周期，以及貨物的其他信息。通過管理軟件，拓展了倉庫功能，從單純的保管型發展到綜合流通型，是未來物流自動化的一個重要發展方向。

3 Profibus通信和軟件系統

軟件的邏輯布局UML描述（如圖4所示）。

圖4 軟件的邏輯布局圖

管理系統下發貨物的入庫出庫信息。在管理系統缺失情況下。IO服務器對主PLC、傳送帶、分配車、堆垛機13個PLC進行協調算法，協調后的信息都是通過主PLC向其他PLC發布。由于協調算法復雜，速度要求在秒級別，所以不在主PLC上實現。主PLC同時直接控制傳送帶，并準確地停止，以便準確定位貨物。

整個系統統一編程，在同一個網絡下工作，實現多主機多從機的組網模式。建立Profibus站點如圖5所示。

設置堆垛機1#到堆垛機10#站點的HW屬性。站點地址從 11～20。

最后設置為：10個S7-300從站，和主站交互數據，每次交換10個字節。包括從站當前操作狀態，0～20（最大255）個狀態；從站當前操作的目標倉位0～65535。操作完成的估算時間0～65535 s。主站命令字：0～255，目標倉位 0～65535，命令字參數，0～65535。

圖5 建立的Profibus站點

也就是說，每個從站有10個數據用于通訊。發送給主站5個字節，接收主站5個字節。

表1 主站和從站通信的地址分配

4 系統調試

針對主PLC的調試。包括功能基本調試，故障保護調試，以及各種可靠性調試。

（1）聯合IO服務器，發出指令，要求主PLC響應命令，并提供正確的數據給IO服務器。

（2）控制傳送帶，特別是總線連接的變頻器，包括運行，停止，等待分配車取貨，等待分配車送貨。

（3）聯合從CPU，看相互之間的10個數據傳送是否正確。

5 結束語

項目經過3個多月的硬件環境，又經過了2個月的編程和調試，系統基本滿足設計需求。經過大量的測試，以前產品存庫連續操作平均間隔時間52 s，而單件貨物操作時間平均2 min 24 s，而改進后在連續操作下，流水操作每件貨物12 s，單件貨物完成平均時間1min 40 s。從而可見，在大量貨物的情況下大大提高了效率。即使單件貨物，由于使用了協調通信，也節省了中轉時間。

改進設計后效率的提高的主要原因在于協調通信技術和優化路由算法的使用。設計完成后，大大提供系統物流的速度，提高近三倍的效率，并大大節省能源。

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