鹿有杰 任有志 胡涛

(河北科技大学机械工程学院 河北石家庄 050018)

第四次工业革命之后，智能化成为各个领域努力的方向和追求的目标，工业领域尤为明显，智能化制造车间的建造就是重要体现之一。智能化车间不仅可以避免因人为因素带来的误差，还是现代装备制造业提高产品质量和生产效率的重要途径，而自动化立体仓库是智能化制造车间任务连接的重要的组成部分和关键环节。

自动化立体仓库管理系统是体现立体仓库“智能化”的重要环节之一。在传统的立体仓库中每当有货物存入或者取出时，需要库管员手动记录货物以及仓位的相关信息，然后再进行出入库操作，这极大地增加了因人为因素导致的失误，同时也增加工人的工作量；在同类的立体仓库管理系统中，大部分采用C#作为开发平台，这导致系统的研发周期长、开发过程复杂同时对开发人员有较高的要求[1]。基于这种情况，研究选用三维力控组态软件结合微软自带的Access数据库并以PLC 为控制器的方式，设计开发全新的自动化立体仓库信息管理系统，经过模拟仿真证明，该系统可以实现出入库货物信息的输入、查询、监控等功能，减少了工人劳动强度，有效提高了货物运输效率。

1 自动化立体仓库系统的构成

1.1 立体仓库的硬件结构

根据图1 可知，实验用的立体仓库模型由左右两排货架组成，每排货架是10列8行，货架之间是堆垛机的巷道，堆垛机在巷道上可在X、Y、Z这3 个方向上自由移动，实现对货架上任意仓位的存取操作。货物的输入端和输出端由AGV无人自动导引小车实现，机械臂作为连接无人小车和堆垛机的桥梁，将待出库的货物送到AGV小车上，同时将待入库的货物从小车上运输到堆垛机上。

图1 立体仓库结构示意图

1.2 管理系统的组织结构

仓库信息管理系统作为系统的核心部分，应该具备以下基本功能，即系统信息、出入库操作、查询管理、信息统计、帮助。系统信息功能主要是对整个管理系统基本信息的管理，包括登录系统人员的信息管理以及在货物进行入库操作之前，提前输入货物的名称、重量、材料等相关信息的管理等；出入库操作主要的功能是为货物选择最优的存储方案，实现该功能需配合PLC完成，系统收到入库申请时，作为控制器的PLC进行快速运算，规划出最佳的路线方案，堆垛机依据方案对货物进行出入库操作；查询功能主要是为库管员提供查询工具，可以实现对每个仓位的存储状态的监控，也可以查询具体某个货仓已存储货物的所有信息；信息统计功能主要是将货物的出入库的信息自动生成日志信息供库管员随时调用查看，同时作为管理系统自学习的数据资料；帮助的功能主要是关于该管理系统的基本介绍[2]。主要的组织结构图如图2所示。

图2 组织结构图

1.3 管理系统总体设计

北京三维力控公司开发的Force control v7.1 组态软件操作简单、功能强大，内置很多组件、控件，可实现与外部数据的连接和交换，还有很多模型可供选择，所以信息管理系统拟采用该软件开发人机交互界面，要求界面既可以作为控制器的上位机又可以实现立体仓库信息的管理。

自动化立体仓库的仓位多，每个需要被存储的货物又有若干属性信息，还需要对登录信息、货物信息、出入库记录等信息进行汇总、统计[3]。这就要求管理系统需要快速处理成千上万条信息，如果单使用组态软件存储这些信息，需要占用大量的中间变量，导致信息存储和查询的速度变慢。微软办公软件自带的Access 数据库作为专业的数据处理软件，可以实现对数量庞大货物信息的快速处理工作，通过在组态软件中编写程序的方法，可以实现对Access数据库的访问、修改，满足使用要求。

立体仓库信息管理系统还需要与控制器配合实现对堆垛机的运动控制。PLC最为工业中最常用的控制器，具有功能丰富的集中、通信能力极强、成本较低的特点，并且可按照用户编写的逻辑程序执行相应的动作，所以选择使用西门子200SmartPLC作为控制器。

2 管理系统实现的关键问题

2.1 管理系统监控组态设计

系统监控部分主要实现的功能是首次运行系统对数据库的创建、打开，并将数据库的状态反馈给系统；提供给用户待入库货物信息的输入对话框以及对已入库货物信息检索的输出显示框；在手动模式下，设置了供管理人员对数据库内信息进行插入、删除等操作以及手动对货物进行入库、出库操作的按钮；可以实时监控每一个货位的存储状态；接收管理系统发送的命令和反馈信息并直接控制下位机完成动作[4]。

采用Force control v7.1 组态软件开发监控系统。软件提供了丰富的组件，可以与多种数据库进行链接访问，支持多种通信协议，可与西门子、欧姆龙等多种控制器进行数据交换，并且软件中也提供了C 语言脚本编辑器，供开发人员完成复杂控制要求。

选择西门子200smartPLC 作为系统的控制单元。其中需要控制的设备主要有堆垛机、机械臂、AGV小车。

具体工作流程程是：AGV小车载货到位→入库申请→系统的管理层发出入库指令→启动机械臂→堆垛机载货到空仓位→堆垛机返回原点。出库与入库的过程相似。

2.2 编程完成数据库链接

Microsoft Office Access 是微软公司开发设计的一套关系数据库管理系统，具有强大的数据处理、统计分析的能力，同时access 数据库还为用户提供便于查询的工具，可以方便快捷实现各种汇总、平均等统计操作，也可以用数据库开发各种数据管理类软件[5]。

人机交互界面需要配合Access数据库才能实现信息的快速存储。首先按照要求创建一个空的Access数据库，选择使用组态软件中后台组件中的ADO 组件，按照提示对组件进行相关配置，完成后实现与数据库的链接，完成连接后，点击“测试”按钮后会提示“测试连接成功”。

完成组态软件与外部数据库的连接后，需通过编写程序实现人机界面对外部数据库的访问。如图3左上角所示，这些程序主要实现的功能是用鼠标点击该按钮时，将输入对话框中的信息存储到数据库中。图3右上角所示的程序主要实现通过点击鼠标删除一条已经查询到的信息，需配合出库功能使用。图3 左下角所示的程序可以实现查找某货位号的货位里存在的货物信息并显示在输出框当中，图3 右下角所示的程序可以实现当某一货位中存入货物时右边矩形框内对应货位会显示红色否则显示黄色。

图3 程序控制

2.3 最优路径规划

在仓库管理系统中，当管理员发出入库指令时，堆垛机需要用最短的时间把货物放到合适的仓位中，这就要求管理系统在收到入库申请的时候为每一个货物规划一条最优的路径，同时系统应该具有自处理功能，如果出现货物在仓库中长时间放置没有使用的情况，系统会自动将货物放置到距堆垛机较远的货仓中，可极大的提高货物运输效率，按照要求对PLC 控制器编写逻辑程序可以实现[6]。

根据系统需要，货物需要入库时，控制器首先需要是判断某仓位是否有货，进而决定是否将货物放到该货位中。使用PLC 中的位操作表示仓位的存储状态，若某一货位存入货物则将表示该货位状态位置位，若取出货物则对状态位复位操作，当系统收到入库申请时，控制器需要对货位的状态位进行逐一扫描，直到找到空位为止。系统还会自动记录每一个货仓的使用次数、货物的储存时间，如果有货物超过设定时间没有使用，控制器会将货物移动到仓库的的最远端，提高了距离仓库入口较近货位的使用率，也提高系统的运输效率。

3 运行与仿真

采用虚实结合的技术对管理系统进行模拟仿真。用组态软件结合虚拟仿真软件以及西门子编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9，可以模拟真实立体仓库的动作。其中使用虚拟仿真软件按照真实仓库结构建模型并设置接口，用西门子smart200 PLC 编写自动化立体仓库控制梯形图，下载到真实PLC中，实现对虚拟模型的运动控制，使用力控组态软件既作为控制器的上位机又可以实现对立体仓信息的管理。联合模拟仿真过程如图4所示。

图4 运行与仿真

4 结语

基于组态软件开发的自动化立体仓库管理系统可以实现预期功能，符合工厂“智能化”理念，相比于传统人工登记的立体仓库，该系统可以大大提高工作效率，也节省了大量人力、物力成本。相比于同类产品，该系统具有程序响应速度较快、存储空间可无限拓展、开发周期较短、功能强大并且开发成本较低等一系列优点，但是仍有可改进的地方，下一步可以将二维码技术应用在该存储系统中，可进一步解放人工，提高效率。