多孔錨具倉儲智能控制系統設計

劉彥磊，郭濤，劉天奇，張世輝，龐黨鋒

（1.天津中德應用技術大學機械工程學院，天津，300350；2.中國電子系統工程第四建設有限公司，河北石家莊，050004）

0 引言

隨著《中國制造2025》全面部署實施，智能制造已成為我國未來制造業重要的發展趨勢，而倉儲是智能制造生產線中非常重要的一部分，它的智能化程度也直接影響著整個智能制造生產線的智能化水平，其智能化控制系統研究發展也是智能制造發展重要方向[1-2]。

本研究結合了MES系統在智能制造生產線上的應用，利用MES系統與臺達PLC之間的MODBUS TCP通訊來實現對倉儲的下達訂單指令，出入庫指令，補料指令等調度指令。利用臺達AS228P-A型號的PLC設計了倉儲的應用設備層的控制系統。結合HMI監控組態界面來實現智能倉儲自動化，智能化的控制[3-4]。

1 系統結構設計

倉儲的機械機構分為：毛坯料庫、加工料庫、巷道機械手、毛坯桁架機械手、加工桁架機械手、毛坯中轉傳送帶、加工中轉傳送帶、PLC及伺服控制系統等構成。成品庫用于存放加工好的成品。其中在兩個倉庫之間設計了巷道機器人，可以實現左右取貨，前后送料和貨到桁架機械手下面的傳送帶上面，便于桁架機械手把毛坯送入產線，或把成品送給AGV，AVG把成品送給客戶，或者桁架機械手把AGV送來的毛坯，加工送到輸送帶上便于巷道機械人把毛坯補充到倉庫[5-6]，其結構圖如圖1所示。

圖1 倉儲結構圖

1.1 系統工藝分析

自動倉儲是生產線的開端和末端，在生產過程中擔負著產品原料的出庫及成品的入庫及外發。自動倉儲單元接收到來自MES的訂單，搬運機械手將客戶選擇的毛坯和加工，運送到傳輸帶上，并由AGV將出庫同型號的毛坯料備好運回庫中，完成原料出庫；自動倉儲單元接收到來自MES的控制信號，通過機械手將客戶通過MES選擇的產品從倉庫內取出，并放到AGV上，AGV運行將客戶定制的產品運輸到指定位置，客戶將成品取走后AGV運行到補料位置補好需要的成品后入庫；自動倉儲單元接收到來自MES的控制信號，通過機械手將加工完成的產品通過搬運機械手進行成品的存儲完成成品入庫。

2 控制系統設計

本控制系統主要包括應用層MES系統，設備控制層PLC控制系統，HMI監控組態界面，AVG控制系統等，所有系統都通過工業交換機連接，MES系統與PLC控制系統，傳送帶控制系統，HMI監控組態系統通過MODBUS TCP進行通訊控制[11-12]。MES系統與AGV控制系統通過WIFI進行通訊控制。HMI監控組態系統與PLC控制系統也是通過MODBUS TCP進行通訊控制。所有系統都要進行IP地址的設置，并設定好數據交換的存儲區，梳理好工藝流程調度指令的值。系統硬件結構如圖2所示，系統網絡拓撲結構如圖3所示。

圖2 系統硬件架構

圖3 系統網絡拓撲結構

2.1 PLC控制系統設計

本系統采用了臺達PLC，其型號為AS228P-A,專為自動化設備設計的高階泛用型控制器。采用臺達自行開發的32 bit SoC CPU，大幅提升效能（40k steps/ms），可擴充多達32臺模塊或1,024點I/O；強大定位控制功能，可同時支持多達8軸CANopen運動網絡／6軸200 kHz脈沖控制，適用于高階機械設備控制。巷道機器人共有三個軸分別為x,y,z。采用三個臺達專用伺服驅動器ASD-A3，其具有CANopen通訊功能。桁架采用了兩個R60步進控制器。PLC通過CANopen實現對伺服驅動器ASD-A3控制，達到速度控制，定位控制，倉儲主控制器PLC與環線控制器PLC S7-1214C，MES系統，電子看板之間通過Modbus TCP協議進行數據交換及控制，AGV通過WiFi與PLC進行通訊及控制，PLC與步進控制器通過脈沖串進行控制，控制系統硬件結構如圖4所示。

圖4 控制系統硬件

2.2 PLC與伺服驅動器通訊

其型號為AS228P-A的PLC與伺服驅動器ASD-A3具有CANopen通訊功能，對三個伺服電機的速度控制，定位控制都通過CANopen通訊功能來實現，只需要對臺達專用伺服進行參數以及臺達PLC進行相應設置，并進行PLC程序的編寫就能實現很好的控制功能，臺達PLC的CANopen通訊功能設置。

3 控制系統程序設計

根據工藝要求，智能倉儲要實現毛坯的出入庫，成品的出入庫，由PLC接受來自MES系統的調度指令來實現，MES系統通過MODBUS TCP讀PLC的D100,D101,D104,D105,D120等數據實現MES系統與PLC之間控制功能，PLC與伺服系統通過CANopen總線來實現通訊，需要編寫PLC對伺服控制器的啟動，初始化，伺服的點動，伺服的定位等程序，其程序控制流程如圖5所示。

圖5 程序控制流程

4 人機界面設計

4.1 MES系統界面設計

在應用控制層設計了MES系統的人機界面方便管理人員進行相應的操作，維護，調試以及良好的人機交互，其人機界面如圖6所示。

圖6 MES系統的人機界面

4.2 HMI監控組態界面設計

本監控組態主要實現MES系統與手動系統切換，手動操作，變量監控，參數調整，報警，倉儲模擬訂單等等功能，其中參數調整主要是進行巷道機器人，桁架機器人手的位置，伺服電機及步進電機等參數調整，其整個系統界面如圖7所示。

圖7 HMI監控組態界面

5 結語

為了滿足企業錨具智能產線的需求，設計了基于PLC的錨具倉儲控制系統，目前控制系統在企業已獲成功應用。并與企業MES系統進行了可靠對接，并實現了MES系統與立體倉庫調度系統，PLC控制系統，AGV調度系統的之間的通訊，開發了MES系統與各個控制系統之間的調度接口，使得各個系統之間的通訊更加可靠穩定。提高了錨具產線的調度效率，穩定性及其可靠性，進一步促進了錨具智能制造產線的智能化水平，具有很好的市場價值。