自动化立体仓库信息管理与监控系统

自动化立体仓库信息管理与监控系统

翁贻方，廉小亲，段振刚，张晓力，杨文英

北京工商大学信息工程学院，北京 100037

摘要：以自动化立体仓库实验装置为平台，应用西门子组态软件WinCC，PROFIBUS-DP 网、DDE通信、堆垛机自动认址等多项技术，实现了自动化立体仓库的信息管理与监控、以及三级分层之间的数据通讯。系统运行正常，具有实用价值。

关键词：立体仓库；WinCC；DDE通信；PROFIBUS-DP网；监控

分类号：TP273 文献标识码 A

1.引言

以自动化立体仓库实验装置为平台，构建了如图1所示仓储信息管理和实时监控系统。在管理层与监控层之间采用DDE通信方式，监控层与执行层三个S7-200系列PLC构成PROFIBUS- DP现场总线控制网。堆垛机、机械手和辊道输送机分别用3个PLC控制，通过EM277（扩展从站模块）连接到PROFIBUS-DP。

图1 系统整体框架图

2. 仓储信息管理系统

采用VB6.0和SQL Server2000作为开发工具。

仓储信息管理系统接受上级生产系统发布的生产任务，在出入库货品单下达以后，管理系统自动选择相应的货位进行出入库操作，并生成报表统计结果。同时，管理系统根据入库、出库的生产任务，发出命令触发监控系统，实现与监控系统的通讯，发布入库、出库操作任务单，并接收监控系统返回的完成报告。

本仓储信息管理系统包括用户管理模块、出入库管理模块、库存管理模块、报表生成模块及综合查询模块。其中有特色的是出入库管理模块，可以分为入库、出库以及命令执行三部分。其中的入库与出库管理都设计了货位优化原则。命令执行部分则用于把入出库命令以最优的顺序下达到监控系统，并与监控系统实时交换任务完成信息。

3. 监控系统的WinCC组态设计

系统的基本过程控制单元是PLC，包括供电单元、中央控制单元（CPU）、数字输入/输出模块、模拟输入输出模块、PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）。使用三个西门子公司S7-200系列PLC（CPU226）分别控制巷道堆垛机、机械手、辊道输送机。下位PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令。

监控系统的主要功能是提供仓储物流系统中的自动化设备运行的动画形式的彩色模拟显示界面；实时监视整个立体仓库中各部分的运行情况；动态显示堆垛机和出入库传输设备以及各货物的运行位置；查看高层货架的货位占用情况；显示所有任务的当前运行状态、出

错报警情况；根据上位管理系统发来的命令自动执行出入库操作并实时监控动作情况、并把动作执行结果反馈给管理系统，并能直接独立地控制仓库中所有设备的运行。

所采用的开发工具是西门子的组态软件WinCC V5.0。WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，它是视窗控制中心（Windows Control Center）的简称，它提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块，具有高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据管理管理功能。WinCC中的ANSI-C语言脚本（Script）增加了其应用功能。

上位机通过通讯网卡CP5611按PROFIBUS方式与下位机通讯，实现WinCC与下位PLC的通讯组态。

被监控的设备是辊道输送机、机械手、堆垛机。立体仓库为4层6列，在同一端有两个出货台，机械手为四个自由度，有5个不同的位置。系统的主要操作流程（入库）是：接收上位管理层发送的入库操作命令→进库辊道上的入库继电器动作→进库辊道动作→机械手动作→堆垛机动作，将货物送到指定仓位。运行完成后，堆垛机和机械手均回到源位。并将PLC动作完成信号反馈给管理层，以进行下一次入库操作。出库操作流程类似。

本系统监控画面中主要组态的变量如表1～3所示。

表1 WinCC中辊道输送机的变量组态

表2 WinCC中机械手的变量组态

表3 WinCC中堆垛机的变量组态

时设堆垛机源层为1，源列为0，目的层与目的列从管理系统获取；出库时设目的层为1，目的列为0，源层与源列从管理系统获取。

在WinCC组态完每个PLC的对应控制变量后，即与PLC完成了数据交换之后，就可以在

图形编辑器（Graphics Editor）中，用基本元件或图形库中的对象制作物流控制系统的流程监控画面，将变量与每个对象连接，即相对于画面中各对象与现场设备相连，从而实现在画面上监视和控制现场设备，以图形和表格形式显示系统运行状态，发出控制命令并完成报警、归档和报表打印等消息处理。

4. 通信子系统的设计与实现

4.1 管理层与监控层的通信及其实现方法

物流仓储系统的管理系统与监控系统运行在同一计算机上，采用DDE（动态数据交换）实现管理系统与监控系统的数据交换。VB6.0作为DDE通信的服务器、WinCC作为DDE通信的客户机。

1. VB6.0作为服务器的DDE组态

在VB中使用10个Text控件代表10个DDE变量连接，用于实时显示各项数据。自动入库时的DDE变量连接主要有入库指令（RKZL）、PLC入库动作完成标志位（RKWCW）、当前入库货物的货位号（排，列，层）用三维坐标表示（P1，L1，C1）。自动出库时的DDE变量连接与入库时类似，主要有出库指令（CKZL）、PLC出库动作完成标志位（CKWCW）、当前出库货物的货位号（排，列，层）用三维坐标表示（P2，L2，C2）。

当VB中应用程序编好后，将与Wincc进行通讯的窗体的 Link Mode的属性设为1-source，亦即允许DDE通信；其Link Topic属性设置与WinCC中所做的DDE连接相对应。在VB中不需要编写任何的代码。

2. WinCC作为客户的DDE组态

在当前项目的变量管理器的新建驱动程序中添加Windows DDE驱动，其名称为：“Windows DDE.CHN”，并建立一个新的驱动程序的连接，打开连接属性的窗口，进行DDE通讯通道的属性设置。在应用程序对话框中输入作为DDE服务器的应用程序的名称；在主题对话框中输入应用程序的窗体的Link Topic属性；在读变量的方式中选择一旦改变自动读取并选中读取起始值，最后点击确定按钮，到此一个新的DDE通讯通道建立完成。

在新建好的DDE通道中建立变量，用它来接收从服务器传送过来的数据。在VB的窗口中有多少个用于数据显示的Text控件，就要在WinCC中建立多少个变量与之对应。在仓储信息管理系统中已经用10个Text控件分别显示入出库时的各项数据，所以在WinCC中也要建立10个变量与之对应；在每一个变量的建立过程中，点击地址对话框后面的选择按钮，将打开DDE 变量对话框，进行相应的DDE连接。特别要注意变量的数据类型要匹配。

4.2 监控层与执行层的通信及实现方法

为了使WinCC与S7-200 系列PLC进行通讯，需要使用通讯驱动程序。WinCC驱动程序连接数据管理器和PLC。WinCC和PLC之间的过程通讯结构如图2所示。

WinCC的应用程序主要由图形运行系统、变量记录运行系统和报表记录运行系统从数据管理器中请求数据。数据管理器处理WinCC产生的数据和存储在SQL Anywhere系统数据库中的数据，在运行期间，它管理WinCC变量，任务是从过程中取出请求的变量值。根据连接的PLC，通讯驱动程序包含一个或多个通道单元，通讯驱动程序利用其通道单元构成WinCC和过程处理之间的接口，它使用通讯处理器来向PLC发送请求消息。然后，通讯处理器将相应回答消息中请求的过程值返回给WinCC。通过操作系统接口和硬件驱动程序，通道单元可以支持通讯所需要的硬件组件（通讯端口或PC模块）。

WinCC与S7-200 PLC之间的通讯组态具体实现方法如下：

首先，建立一个WinCC项目，根据PROFIBUS通讯协议在变量管理器中（Tag Management）选择“PROFIBUS DP.CHN”，并选择通道单元CP5412（A2）Board 1，为该通道单元组态逻辑连接。将SOFTNET-DP作为主站，其地址设为1，三个PLC（辊道输送机、机械手、堆垛机）作为EM277 DP从站，其地址分别为：3、4、5。即在通道单元下组态了三个逻辑连接。在设