智能倉儲控制系統的設計與實現

盧 堯, 任曉明, 吳勇志, 李繼先

(1.上海電機學院電氣學院,上海 201100;2.南京菲尼克斯電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

智能倉儲控制系統的設計與實現

盧 堯1, 任曉明1, 吳勇志2, 李繼先2

(1.上海電機學院電氣學院,上海 201100;2.南京菲尼克斯電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

智能倉儲是自動化技術在智能工廠中的一個重要應用。機械手是智能倉儲的重要組成之一，可以代替人工自動搬運，將產品送到指定的倉位并完成產品出庫。針對傳統氣動機械手在定位運動中移動速度難以控制、定位精度和穩定性不高的問題，將電動伺服精準定位和氣動技術快速抓取的特點相結合，利用 PLC、氣缸、伺服電機及驅動器，搭建了智能倉儲控制系統。對倉儲機械手的功能和實現方式進行了設計，對系統硬件選型、軟件編程設計進行了詳細說明；重點介紹了采用組態軟件Visu+開發的觸摸屏監控系統，該系統可實現倉儲出料過程可視化。現場的調試運行表明，該智能倉儲控制系統的使用提高了倉儲單元的工作效率，使自動運行過程穩定、可靠，具有較好的交互性與靈活性。

工業4.0； 自動化； 智能工廠； 倉儲； 控制； PLC； PROFINET； 伺服驅動

0 引言

隨著工業4.0的到來，智能工廠和智能生產將成為工業自動化領域的研究熱點。隨著現場設備智能程度不斷提高、自動化控制系統越來越分散，PI組織推出了新一代基于工業以太網技術的自動化總線PROFINET[1]，從而將分散的自動化控制系統連接起來。

機械手作為一種自動化裝備，可以在工業生產領域替代人工完成繁重勞動，是智能生產的重要組成部分。傳統的氣動機械手在定位運動中難以控制移動速度，定位精度和穩定性均有待提高[2-3]。本文將電動伺服精準定位和氣動技術快速抓取的特點相結合，利用 PLC、氣缸、伺服電機及驅動器，搭建倉儲機械手的控制系統。

1 倉儲機械手功能設計及實現

倉儲單元的機械手功能分為2個部分：抓取成品并放置在倉儲的指定庫存區域；根據控制系統提供的需求信息(客戶訂單)將指定的成品盒從倉儲區抓出并放置在成品輸出區域。

定位模塊采用伺服驅動，抓取模塊由氣動夾爪實現。伺服驅動器、伺服電機、編碼器等組成一個X-Y二維伺服直線運動平臺。機械手的前后左右移動由伺服電機帶動導軌上的傳送帶實現。氣動夾爪由氣爪和吸盤構成，兩者同時動作保證了抓取的穩定性和成功率。Z軸氣缸的升降以及氣爪和吸盤的動作，均由氣動信號驅動[4]。

2 控制系統

2.1 系統硬件選型

PROFINET現場總線支持星型、樹型、總線型等拓撲結構，而PROFIBUS只支持總線型。為避免PROFIBUS總線后期擴展不便的問題，控制系統選用PROFINET現場總線。

控制器選用菲尼克斯AXC 3050型PLC，全面支持PROFINET工業實時以太網，傳輸速度高達100 Mbit/s。伺服單元選用費斯托CMMP-AS-C5-3A-M3型伺服驅動器和EMMS-AS-70-S-LS-RS型伺服電機。氣動單元選用費斯托MPA-FB-EMG型閥島，不僅便于電控閥布線，而且也大大簡化了復雜系統的調試。

控制系統中各單元通過菲尼克斯SMCS-8TX-PN型交換機，集成到PROFINET 實時工業以太網。PLC作為控制系統的中樞，可以與伺服驅動器、閥島通信，從而控制伺服電機和電磁換向閥動作。在控制系統中， PLC AXC3050為主站，PN交換機、 費斯托X-Y伺服驅動器、FESTO閥島、分布式I/O模塊等為從站。

整個控制系統的輸入輸出信號主要有5大部分：①閥島電磁換向閥的控制信號；②I/O模塊上光電傳感器信號和氣缸位置傳感器的反饋信號；③伺服驅動器的控制信號；④觸摸屏人機交互信號；⑤系統的故障信號[5-6]。控制系統電氣拓撲圖如圖1所示。

圖1 控制系統電氣拓撲圖

2.2 伺服單元

機械手在X軸和Y軸方向上采用電動伺服方式運動，PLC將坐標信息發送給伺服驅動器，從而控制伺服電機轉動。

①參數設置。

現場伺服驅動器的參數設置采用費斯托自帶的費斯托配置工具(festo configuration tool，FCT)軟件，可對PROFINET 接口進行配置，并設置速度和加速度等參數[7]。

主站PLC與從站伺服驅動器建立通信后，主從站以報文的形式交換8 B的輸入輸出數據。輸出數據為控制字節，輸入數據是狀態字節，狀態字節是控制字節的反饋。在直接任務模式下，報文的前兩個字節是固定的，字節3～字節8由用戶定義。字節3中有3種控制模式可選，分別為位置控制、動力控制(扭矩、電流)、速度控制(轉矩)。輸入輸出報文解析如表1所示。

表1 輸入輸出報文解析

②定位控制。

定位控制模式是驅動器指定某一個伺服電機的移動目標位置，而當前位置是通過伺服電機內部傳感器評估得出的[8]。

在首次定位調試時，必須確定測量參考系統并進行一次參考運行。目標位置是指與項目零點有關的一個固定(絕對)位置，為了能夠尋找到定位范圍內的固定位置，必須在一個測量參考系統上對驅動器進行參考運行[8]。

以X軸為例，用索引脈沖的負限位開關來尋找參考點。當負限位開關處于未觸發狀態時，以搜索速度沿負方向行駛至負限位開關；緊接著以爬行速度沿正方向移動，直至限位開關變為未激活；然后繼續移向第一個索引脈沖，該位置即為參考點。采用相同的方法，可以得到Y軸的參考點。參考點是軸零點的基準點，而在出廠設置中，默認軸零點為項目零點。確定了X軸和Y軸的參考點以后，就可以得到項目的零點，記為P0。以伺服的參考點P0為坐標原點，P1為成品到達位置，P6為輸出區域，P2、P3、P4、P5、P7為存儲點位置，將各點二維坐標建立為一個數據組。詳細的目標位置坐標信息如表2所示。

表2 目標位置的坐標信息表

2.3 氣動單元

閥島可分解為2個子模塊，每個子模塊上都有4個電磁換向閥。電磁換向閥有2種狀態，則本項目中閥島共有16個數字量輸出信號。PLC經PROFINET現場總線與閥島相互交換數據，氣動回路間的轉化依靠PLC控制電磁換向閥來實現。PLC技術和氣動技術相結合，使得控制系統更為合理方便。

3 軟件設計

3.1 系統動作流程

系統動作流程圖如圖2所示。

圖2 系統動作流程圖

當物料到達指定位置，光電傳感器便會向PLC發送信號，機械手開始抓取動作。Z軸氣缸下降到達抓取放位，真空吸盤動作，氣動手爪夾緊，Z軸氣缸上升。X軸、Y軸伺服聯動，伺服驅動器控制伺服電機運行到目標位置。Z軸氣缸下降到達存放位，真空吸盤松開，氣爪打開。

3.2 PLC編程

菲尼克斯PLC的編程軟件為PC WORK，支持結構文本(sturcture text,ST)、梯形圖(ladder digram,LD)、指令表(instruction list,IL)、功能塊圖(function block diagram,FBD)等多種編程語言。本項目中編程主要采用ST和FBD。

根據系統運動過程進行功能分解，將每一個功能都編譯成FBD，供主程序調用。在本項目中新生成的FBD有伺服控制、爪手控制等。

3.3 觸摸屏軟件設計

為了實現倉儲出料過程的可視化，系統采用了多功能觸摸面板TP5150，并用組態軟件Visu+開發了觸摸屏的監控系統[9-10]。在OPC的輔助下，Visu+可與控制系統連接，實現觸摸屏和PLC之間的數據交換。確定出料的訂單后，機械手會抓取該產品到達產品輸出區域。

觸摸屏倉儲單元物料輸出模式由存儲點位置、訂單號示意、物料訂單號、輸出物料使能組成。在該模式下，觸摸屏可以直觀地顯示各個存儲點的訂單信息，便于操作人員進行篩選。

3.4 軟件調試

經調試發現，X軸和Y軸在啟停的瞬間會出現輕微抖動。其解決辦法是延長運動的加(減)速時間，使運動更加平緩。在機器斷電狀態下，貨物的倉儲位置可能會被人為改變，此時上電后仍存儲到該位置則可能發生撞擊。因此，上電后需要機械手運動到每個存儲位置判斷該位置的狀態，再進行主程序控制。

4 結束語

經過現場的調試運行，智能倉儲控制系統實現了機械手智能抓取和在上位機控制產品出庫的功能，具有控制靈活、性能穩定、人機界面友好的特點。控制系統選用PROFINET現場總線，具有很強的擴展能力，可為后續倉儲系統的完善與改造提供較大的空間。隨著工業4.0、智能制造技術的進一步發展，基于PLC與PROFINET的智能倉儲控制系統將有廣闊的應用前景。

[1] 胡國傳,沈杰,劉彬,等.基于PROFINET I/O的延遲和抖動研究[J].儀器儀表學報,2011,32(9):2153-2160.

[2] 孫蓉,蘇麗,呂淑平,等.PROFINET控制系統設計研究[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):103-107.

[3] 汪歡歡,胡國清,周青輝.基于PLC的氣動機械手控制系統設計與研究[J].液壓與氣動,2012(9):38-40.

[4] 汪幫富,宋娟.基于PLC技術的液控分揀機械手的設計[J].機床與液壓,2016,44(3):19-23.

[5] 張桂香,耿長清.基于PLC的升降橫移式立體車庫自動控制[J].自動化儀表,2013,34(7):35-37.

[6] 強明輝,張彥龍,馬永煒,等.基于CAN總線多軸伺服控制系統的研究與應用[J].電氣傳動,2016,46(2):60-64.

[7] 李文強.智能立體存儲控制系統的設計與開發[J].自動化儀表,2016,37(2):37-40.

[8] 魏艷紅,韓麗潔,許昌.基于PLC的電動缸伺服控制系統設計[J].電氣傳動,2014,44(10):60-63.

[9] 姜澤苗,孔慶奎,范瑜.OPC UA技術在冶金設備監測系統中的應用[J].自動化儀表,2014,35(10):56-58.

[10]劉水平,楊壽智.基于PLC與步進電機的教學型機械手系統設計[J].自動化技術與應用,2014,33(4):103-106.

Design and Implementation of the Intelligent Warehousing Control System

LU Yao1, REN Xiaoming1, WU Yongzhi2, LI Jixian2

(1.School of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201100,China; 2.Phoenix Contact Co., Ltd.,Nanjing 211100,China)

Intelligent warehousing is an important application of automation technology for smart factory.Manipulator is one of the important components of intelligent warehousing;instead of manual handling,it can automatically send products to the designated position,to complete procedures of discharging products out of warehouse.To overcome the disadvantages of traditional pneumatic manipulators,e.g.,the moving speed is hard to be controlled and poor positioning accuracy and stability,the features of electric servo precise positioning and pneumatic fast speed grasping are combined,the intelligent warehousing control system has been designed by adopting PLC,cylinder,servo motor and driver.The functional design and implementation of manipulator,hardware selection and software design of the system are described in detail;and the touch screen monitoring system developed with Visu+ configuration software is emphasized;visualization of the product discharge process is realized.The field test and operation show that the system improves the efficiency of the warehousing,and offers good flexibility and interaction;the operation is stably and reliably.

Industry 4.0; Automation; Smart factory; Warehousing; Control; PLC; PROFINET; Servo drive

盧堯(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事電氣工程方向的研究。E-mail：ncepuluyao@163.com。 任曉明(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事雷電防護與高電壓測試技術研究。E-mail：renxm@sdju.edu.cn。

TH6;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702008

修改稿收到日期：2016-08-13