發(fā)布時(shí)間：2016-05-10 15:23

第一章  緒論 

1.1  課題的研究背景及意義 
自 19 世紀(jì) 60 年代美國出現(xiàn)了第一個(gè)立體倉庫以來，立體倉庫表現(xiàn)出能實(shí)現(xiàn)貨物自動存儲、提高空間利用率、提高生產(chǎn)效率、提高物料管理水平、為企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度和決策提供依據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。隨后，集物流技術(shù)、電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)、設(shè)備及貨位優(yōu)化管理等先進(jìn)技術(shù)于一體的智能倉儲系統(tǒng)——自動化立體倉庫系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。自動化立體倉庫系統(tǒng)以高層貨架為標(biāo)志，以成套先進(jìn)的搬運(yùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為主要手段，高效率地利用倉儲貨位、貨物資源，因此在現(xiàn)代化制造工廠的物流環(huán)節(jié)中扮演著極其重要的角色。 
自動化立體倉庫系統(tǒng)(AS&RS, Automated Storage and Retrieval System)是指利用高層貨架進(jìn)行物資存儲，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理控制運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行能自動地存取貨作業(yè)的倉庫，具備分揀理貨，庫存管理，在無人工干預(yù)的情況下自動存取記錄貨物等特點(diǎn)，而更為先進(jìn)的系統(tǒng)則可以與企業(yè)的 ERP 和 MES 系統(tǒng)有機(jī)集成。典型的成套先機(jī)電設(shè)備有堆垛機(jī)、柔性物流輸送線，而計(jì)算機(jī)控制技術(shù)則體現(xiàn)在 PLC、智能傳感器和倉儲綜合監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用。 
自動化立體倉庫系統(tǒng)(AS&RS, Automated Storage and Retrieval System)是指利用高層貨架進(jìn)行物資存儲，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理控制運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行能自動地存取貨作業(yè)的倉庫，具備分揀理貨，庫存管理，在無人工干預(yù)的情況下自動存取記錄貨物等特點(diǎn)，而更為先進(jìn)的系統(tǒng)則可以與企業(yè)的 ERP 和 MES 系統(tǒng)有機(jī)集成。典型的成套先機(jī)電設(shè)備有堆垛機(jī)、柔性物流輸送線，而計(jì)算機(jī)控制技術(shù)則體現(xiàn)在 PLC、智能傳感器和倉儲綜合監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用。 

以先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來提高倉儲機(jī)電設(shè)備的自動化程度，一直是倉儲機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)方在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的追求目標(biāo)，也是需求方在選擇供應(yīng)商時(shí)所考慮的主要因素之一。尤其在利潤高、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高、產(chǎn)能要求大和需求廣為特點(diǎn)的生物、制藥、電子、煙草、機(jī)械制造等行業(yè)應(yīng)用中。 

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1.2  自動化立體倉庫的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
目前，國內(nèi)外設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)倉儲機(jī)電設(shè)備實(shí)力較強(qiáng)的單位有：北京起重運(yùn)輸研究所、北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所、沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司、德馬泰克物流系統(tǒng)有限公司、昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司、臺塑集團(tuán)和日本大福株式會社等。綜合來看，較先進(jìn)的倉儲機(jī)電設(shè)備包括：巷道式堆垛機(jī)、輸送機(jī)、物流小車、輥道機(jī)、皮帶機(jī)、垂直提升機(jī)、智能分揀設(shè)備、碼垛機(jī)器人、輸送設(shè)備、穿梭車(RGV)、自動引導(dǎo)小車(AGV)、EMS 系統(tǒng)等。 
整體來看，先進(jìn)的倉儲機(jī)電設(shè)備所具備的新的技術(shù)特點(diǎn)包括：堆垛機(jī)的高速/重載能力、柔性輸送線配備的高速自動分揀系統(tǒng)、無軌可移動設(shè)備的智能定位和引導(dǎo)系統(tǒng)、引入鐵路道岔等技術(shù)來拓展可轉(zhuǎn)軌堆垛機(jī)系統(tǒng)的活動范圍。同時(shí)，新的無線/有線智能數(shù)字式傳感器也廣泛地替代低精度、慢速的傳感器。無線通信設(shè)備（如采用 Wi-Fi 技術(shù)或紅外光通訊技術(shù)的設(shè)備）價(jià)格的相對降低，也是他們在倉儲領(lǐng)域得到普及。 

從倉儲機(jī)電設(shè)備控制軟件的角度來看，倉儲機(jī)電設(shè)備由可集成或可被集成的控制系統(tǒng)組成冗余設(shè)計(jì)（如 iWMS 和 WCS）。采用故障診斷及異常處理專家系統(tǒng)、貨物庫存地址優(yōu)化分配技術(shù)和優(yōu)化處理存取任務(wù)等，也加速了倉儲系統(tǒng)的智能化。具體表現(xiàn)為：信息管理、任務(wù)調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、動畫仿真、被企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)集成等。在功能創(chuàng)新方面，倉儲設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與倉儲管理系統(tǒng)(WMS)組成配置物流配送指揮功能。某公司開發(fā)的產(chǎn)品（如 LOG++）可與 ERP 和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息物理管理系統(tǒng)(Cyber-Physical  Systems)、動態(tài)任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)控、實(shí)時(shí)動畫仿真表示、智能接口管理等拓展功能。而在倉儲系統(tǒng)未建成時(shí)，也可以采用倉儲系統(tǒng)仿真軟件和圖像處理軟件來逼真顯示、仿真出規(guī)劃中的存儲系統(tǒng)所具備的吞吐、倉儲能力。

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第二章  倉儲機(jī)電設(shè)備控制層運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

2.1 PLC 程序的典型設(shè)計(jì)方法 
關(guān)于 PLC 的控制程序設(shè)計(jì)有多種方法，如著者宋伯生總結(jié)：解析法、圖解法、經(jīng)驗(yàn)法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法等，具體表現(xiàn)為：應(yīng)用在邏輯量控制程序設(shè)計(jì)的通電表法、標(biāo)志值法、狀態(tài)圖分析法、時(shí)序圖設(shè)計(jì)法、流程圖設(shè)計(jì)法等；應(yīng)用在模擬量控制程序設(shè)計(jì)的開環(huán)控制程序設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制程序設(shè)計(jì)、PID 控制程序設(shè)計(jì)（包括自行實(shí)現(xiàn)、PID 指令實(shí)現(xiàn)、PID 函數(shù)塊實(shí)現(xiàn)、PID 硬件單元實(shí)現(xiàn)）、模擬量模糊控制程序設(shè)計(jì)、高級控制程序設(shè)計(jì)（包括最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等）等方法；應(yīng)用在脈沖量程序設(shè)計(jì)的高速技術(shù)比較器控制、脈沖量開環(huán)控制設(shè)計(jì)、脈沖量閉環(huán)控制設(shè)計(jì)、脈沖量特殊控制單元設(shè)計(jì)（包括運(yùn)動控制單元和位置控制單元等）等方法。Martin Obermeier 將模型驅(qū)動應(yīng)用于 PLC 控制程序設(shè)計(jì)。因?yàn)楝F(xiàn)在流行的 PLC 均能通過 RS232、RS485、以太網(wǎng)等使現(xiàn)場 PLC 能與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)互連，也有 PLC 被用于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 

分析上述方法及應(yīng)用，不難發(fā)現(xiàn)在以一定模式設(shè)計(jì)的硬件、操作系統(tǒng)、指令系統(tǒng)等組成的 PLC 中，各種設(shè)計(jì)方法均是建立在 PLC 原有的軟硬件資源如：輸入/輸出繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲區(qū)及保持繼電器、特殊功能繼電器、索引寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等；而程序的實(shí)現(xiàn)以狀態(tài)轉(zhuǎn)換、定時(shí)控制、動作控制、步進(jìn)控制和 PLC 操作系統(tǒng)自帶的特殊功能指令為基礎(chǔ)。故通過研究這些基礎(chǔ)軟硬件資源，在配合相應(yīng)的程序可以實(shí)現(xiàn)對以 PLC 為控制器的倉儲機(jī)電設(shè)備的設(shè)備控制層運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

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2.2  堆垛機(jī)的正常工作流程及常見問題分析 

第 1 章所述立體倉庫的巷道式單立柱堆垛機(jī)在中小型立體倉庫中被廣泛應(yīng)用，是典型的存儲倉儲機(jī)電設(shè)備，它的電氣配置、程序中邏輯層代碼量、業(yè)務(wù)層有限狀態(tài)機(jī)量見如表 2.1 所示。 
電氣硬件接口層中傳感器輸入點(diǎn)有 35 點(diǎn)。其中可使堆垛機(jī)停機(jī)的信號占有 31 點(diǎn)，主要包括超限異常檢查、供電驅(qū)動異常監(jiān)測等信號，而其余輸入點(diǎn)為堆垛機(jī)動作步進(jìn)控制信號和動作許可信號。由于基于現(xiàn)場總線的 HMI(Human  Machine  Interface)人機(jī)交互設(shè)備的應(yīng)用，使得人機(jī)操作輸入的信息流出來原來“人→按鍵→PLC→指示燈”拓展到現(xiàn)在“用戶→HMI→PLC→HMI→用戶”的路徑，使硬件的輸入點(diǎn)的數(shù)量降低到只有 4 個(gè)點(diǎn)，（包括：供電啟動、邏輯急停、斷電急停、安全超限動作許可等）。模擬量輸入通道為 2 路（水平移動變頻器速度反饋信號和貨架/貨叉驅(qū)動變頻器速度反饋信號（水平位置信號和垂直位置信號為 Profibus-DP 總線的數(shù)字信號模塊）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出點(diǎn)為 13 點(diǎn)（包括：變頻器的正反轉(zhuǎn)、停車信號、參數(shù)轉(zhuǎn)換信號、行走驅(qū)動、制動等信號；人機(jī)交互輸出信號為 4 點(diǎn)（主要為運(yùn)行正常、等待、急停、故障信號）。模擬量輸出控制通道為 5 路（兩路變頻器速度控制信號）。

表中邏輯控制層和任務(wù)調(diào)度層的數(shù)量為根據(jù)程序代碼估算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。邏輯層和任務(wù)層的使用的邏輯變量的用途主要分為 3 大類：硬件接口映射變量、用作邏輯轉(zhuǎn)換的中間變換、流程控制變量。對于狀態(tài)監(jiān)控而言，應(yīng)用測點(diǎn)于電氣硬件接口層可以用于對傳感器、執(zhí)行器動作的跟蹤，作用在邏輯控制層的測點(diǎn)用于監(jiān)視邏輯變換的正確性和邏輯的逐層抽象省略化簡跟蹤，對于業(yè)務(wù)層的測點(diǎn)則用于對堆垛機(jī) PLC 任務(wù)跟蹤等作用。 

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第三章  機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測平臺的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..................................26 
3.1  狀態(tài)監(jiān)測平臺功能需求分析...................................................26 
3.2  狀態(tài)采集平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).............................................27 
3.3  數(shù)據(jù)存儲部分的硬件設(shè)計(jì)..................................................32 
3.4  智能節(jié)點(diǎn)部分的硬件設(shè)計(jì)....................................................36 
3.5  網(wǎng)絡(luò)信息綜合模塊的硬件設(shè)計(jì) ..............................................38 
3.6  本章小結(jié).......................................................................43 
第四章  機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測平臺的相關(guān)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)........................................44 
4.1  數(shù)據(jù)存儲部分的軟件設(shè)計(jì).......................................................44 
4.2  智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)............................................................47 
4.3  網(wǎng)絡(luò)信息綜合平臺的 FPGA 邏輯設(shè)計(jì)............................................50 
4.4  網(wǎng)絡(luò)信息綜合平臺的 NIOS II 軟核的軟件設(shè)計(jì) ...........................57 
4.4.1  串行通信管理軟核的軟件設(shè)計(jì)..............................................57 
4.4.2  數(shù)據(jù)緩存管理軟核的軟件設(shè)計(jì)............................................59 
4.5  上位機(jī)監(jiān)控軟件相關(guān)部分設(shè)計(jì) .................................................61 
4.5.1 相關(guān)技術(shù)介紹.........................................................62 
4.5.2  具備監(jiān)測功能的上位機(jī)軟件整體框架..........................................63 
4.5.3  狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)...............................................63 

4.5  本章小結(jié)....................................................................66 

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第四章  機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測平臺的相關(guān)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1  數(shù)據(jù)存儲部分的軟件設(shè)計(jì)
在 3.3 節(jié)所述該模塊的需求及硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)模塊功能必須具備的主要軟件部分包括：①  涉及 SD 操作的 SDIO 讀寫驅(qū)動；② 在 SD 卡上構(gòu)件 FATS 文件系統(tǒng)；③ STM32 的 FSMC 初始化及在此基礎(chǔ)上的 Nor-FLASH 讀寫操作；④ 在 FSMC基礎(chǔ)上操作數(shù)據(jù)采集板卡；⑤ 數(shù)據(jù)存儲部分的模式操作管理；⑥ USART 的調(diào)試信息接口；⑦ 平臺數(shù)據(jù)存儲部分與數(shù)據(jù)采集部分的對時(shí)處理。 
使用 STM32CubeMX 生成了第 3.2 節(jié)所述部分硬件的庫函數(shù)，并在 MDK 5.14 環(huán)境下修改了相應(yīng)設(shè)置則可以得到硬件所需的基本操作函數(shù)。采用至上而下的設(shè)計(jì)方法，分析模塊的軟件的工作模式有：M0-初始化狀態(tài)；M1-待機(jī)模式；M2-正常工作數(shù)據(jù)存儲模式；M3-NOR-Flash 緩存模式；M4-自身狀態(tài)維護(hù)模式等。
模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是：① 當(dāng)完成 M0 內(nèi)的初始化任務(wù)后自動進(jìn)入 M1，然后定時(shí)進(jìn)入 M4 模式；② 在 M4 模式下監(jiān)測到有 IO 按鍵操作、對時(shí)操作等時(shí)對相應(yīng)全局模式置位，執(zhí)行完這些操作后變換為前一個(gè)操作模式；③ 在 M1 模式時(shí)，如監(jiān)測到全局模式中有操作使能進(jìn)入M2模式或達(dá)到延時(shí)上限后則自動進(jìn)入M2模式；④ 當(dāng)在 M2模式下，如監(jiān)測到全局模式中 SD 卡有取出請求時(shí)則完成該模式的操作后進(jìn)去 M3 模式；⑤在M3 模式下，模塊如發(fā)現(xiàn) SD 卡則開始開始拷貝 NOR-Flash 中緩存的數(shù)據(jù)至 SD 卡中，完成該操作及其他操作后則進(jìn)入 M2 模式；⑥ 在 M2 和 M3 模式下，如監(jiān)測到有待機(jī)請求時(shí)，則完成文件轉(zhuǎn)存、關(guān)閉等其他操作后則進(jìn)入 M1 模式。 

結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系及 uC/OS II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分析，將上述 M4 模式內(nèi)的操作定義為中斷為中斷事件，如高速 USB 數(shù)據(jù)請求、全速 USB 狀態(tài)請求、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)狀態(tài)請求及其他板級中斷事件則以相應(yīng)中斷處理函數(shù)。

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結(jié)論

本文以倉儲機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控為研究內(nèi)容，在課題的背景及某公司自動化立體倉庫中堆垛機(jī)為研究對象，分析了自動化立體倉庫的典型工作流程及堆垛機(jī)的基礎(chǔ)工作流程，并用故障樹匯總了堆垛機(jī)的常見問題。在現(xiàn)有 PLC 程序的典型設(shè)計(jì)方法上，分析了狀態(tài)監(jiān)測可用的三種方法及三種常見問題的應(yīng)用，然后設(shè)計(jì)了狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)的通信流程。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場應(yīng)用表明三種方法的混合使用可以有效提高堆垛機(jī)的穩(wěn)定性。 
在分析了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的其他需求的基礎(chǔ)上，分析了并行傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺需求后給出了平臺的總體結(jié)構(gòu)；然后依次完成了狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲及人機(jī)接口模塊、可總線拓?fù)涞闹悄芄?jié)點(diǎn)及基于 FPGA 的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯總模塊。然后，通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了該部分的合理性。 

最后分析了現(xiàn)有 WMS-ECS 監(jiān)控軟件的構(gòu)成，給出了考慮到運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的監(jiān)控軟件整體設(shè)計(jì)，并對其中設(shè)計(jì)檢測功能的核心功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用，，表明其中的通信管理及軟件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模塊和 ECS 監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)符合現(xiàn)實(shí)需求�？梢詫�倉儲機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息的進(jìn)行集中存儲和表示、對其中可疑狀態(tài)的簡單分析，然后提示現(xiàn)場操作人員及時(shí)處理，并生產(chǎn)可反饋給設(shè)備生產(chǎn)方使用的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：43669