仓储机电设备运行状态监测系统的设计与实现
第一章 绪论
自 19 世纪 60 年代美国出现了第一个立体仓库以来，立体仓库表现出能实现货物自动存储、提高空间利用率、提高生产效率、提高物料管理水平、为企业生产调度和决策提供依据等优点。随后，集物流技术、电气控制技术、计算机应用技术、通讯技术、设备及货位优化管理等先进技术于一体的智能仓储系统——自动化立体仓库系统也应运而生。自动化立体仓库系统以高层货架为标志，以成套先进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，高效率地利用仓储货位、货物资源，因此在现代化制造工厂的物流环节中扮演着极其重要的角色。
自动化立体仓库系统(AS&RS, Automated Storage and Retrieval System)是指利用高层货架进行物资存储，运用计算机进行管理控制运输设备进行能自动地存取货作业的仓库，具备分拣理货，库存管理，在无人工干预的情况下自动存取记录货物等特点，而更为先进的系统则可以与企业的 ERP 和 MES 系统有机集成。典型的成套先机电设备有堆垛机、柔性物流输送线，而计算机控制技术则体现在 PLC、智能传感器和仓储综合监控系统等应用。
自动化立体仓库系统(AS&RS, Automated Storage and Retrieval System)是指利用高层货架进行物资存储，运用计算机进行管理控制运输设备进行能自动地存取货作业的仓库，具备分拣理货，库存管理，在无人工干预的情况下自动存取记录货物等特点，而更为先进的系统则可以与企业的 ERP 和 MES 系统有机集成。典型的成套先机电设备有堆垛机、柔性物流输送线，而计算机控制技术则体现在 PLC、智能传感器和仓储综合监控系统等应用。
以先进技术的应用来提高仓储机电设备的自动化程度，一直是仓储机电设备生产方在产品设计中的追求目标，也是需求方在选择供应商时所考虑的主要因素之一。尤其在利润高、产品标准化程度高、产能要求大和需求广为特点的生物、制药、电子、烟草、机械制造等行业应用中。
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目前，国内外设计、研发和生产仓储机电设备实力较强的单位有：北京起重运输研究所、北京机械工业自动化研究所、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、德马泰克物流系统有限公司、昆明船舶设备集团有限公司、台塑集团和日本大福株式会社等。综合来看，较先进的仓储机电设备包括：巷道式堆垛机、输送机、物流小车、辊道机、皮带机、垂直提升机、智能分拣设备、码垛机器人、输送设备、穿梭车(RGV)、自动引导小车(AGV)、EMS 系统等。
整体来看，先进的仓储机电设备所具备的新的技术特点包括：堆垛机的高速/重载能力、柔性输送线配备的高速自动分拣系统、无轨可移动设备的智能定位和引导系统、引入铁路道岔等技术来拓展可转轨堆垛机系统的活动范围。同时，新的无线/有线智能数字式传感器也广泛地替代低精度、慢速的传感器。无线通信设备（如采用 Wi-Fi 技术或红外光通讯技术的设备）价格的相对降低，也是他们在仓储领域得到普及。
从仓储机电设备控制软件的角度来看，仓储机电设备由可集成或可被集成的控制系统组成冗余设计（如 iWMS 和 WCS）。采用故障诊断及异常处理专家系统、货物库存地址优化分配技术和优化处理存取任务等，也加速了仓储系统的智能化。具体表现为：信息管理、任务调度、设备监控、动画仿真、被企业资源计划系统(ERP)集成等。在功能创新方面，仓储设备监控系统与仓储管理系统(WMS)组成配置物流配送指挥功能。某公司开发的产品（如 LOG++）可与 ERP 和生产执行系统(MES)集成，实现实时信息物理管理系统(Cyber-Physical Systems)、动态任务调度、实时设备监控、实时动画仿真表示、智能接口管理等拓展功能。而在仓储系统未建成时，也可以采用仓储系统仿真软件和图像处理软件来逼真显示、仿真出规划中的存储系统所具备的吞吐、仓储能力。
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第二章 仓储机电设备控制层运行状态监测的设计与实现
关于 PLC 的控制程序设计有多种方法，如著者宋伯生总结：解析法、图解法、经验法、计算机辅助设计法等，具体表现为：应用在逻辑量控制程序设计的通电表法、标志值法、状态图分析法、时序图设计法、流程图设计法等；应用在模拟量控制程序设计的开环控制程序设计、闭环控制程序设计、PID 控制程序设计（包括自行实现、PID 指令实现、PID 函数块实现、PID 硬件单元实现）、模拟量模糊控制程序设计、高级控制程序设计（包括最优控制、自适应控制、预测控制等）等方法；应用在脉冲量程序设计的高速技术比较器控制、脉冲量开环控制设计、脉冲量闭环控制设计、脉冲量特殊控制单元设计（包括运动控制单元和位置控制单元等）等方法。Martin Obermeier 将模型驱动应用于 PLC 控制程序设计。因为现在流行的 PLC 均能通过 RS232、RS485、以太网等使现场 PLC 能与监控网络互连，也有 PLC 被用于数据采集领域来实现设备的远程监控。
分析上述方法及应用，不难发现在以一定模式设计的硬件、操作系统、指令系统等组成的 PLC 中，各种设计方法均是建立在 PLC 原有的软硬件资源如：输入/输出继电器、定时器、计数器、数据存储区及保持继电器、特殊功能继电器、索引寄存器、数据寄存器等；而程序的实现以状态转换、定时控制、动作控制、步进控制和 PLC 操作系统自带的特殊功能指令为基础。故通过研究这些基础软硬件资源，在配合相应的程序可以实现对以 PLC 为控制器的仓储机电设备的设备控制层运行状态监测。
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2.2 堆垛机的正常工作流程及常见问题分析
第 1 章所述立体仓库的巷道式单立柱堆垛机在中小型立体仓库中被广泛应用，是典型的存储仓储机电设备，它的电气配置、程序中逻辑层代码量、业务层有限状态机量见如表 2.1 所示。电气硬件接口层中传感器输入点有 35 点。其中可使堆垛机停机的信号占有 31 点，主要包括超限异常检查、供电驱动异常监测等信号，而其余输入点为堆垛机动作步进控制信号和动作许可信号。由于基于现场总线的 HMI(Human Machine Interface)人机交互设备的应用，使得人机操作输入的信息流出来原来“人→按键→PLC→指示灯”拓展到现在“用户→HMI→PLC→HMI→用户”的路径，使硬件的输入点的数量降低到只有 4 个点，（包括：供电启动、逻辑急停、断电急停、安全超限动作许可等）。模拟量输入通道为 2 路（水平移动变频器速度反馈信号和货架/货叉驱动变频器速度反馈信号（水平位置信号和垂直位置信号为 Profibus-DP 总线的数字信号模块）。执行机构输出点为 13 点（包括：变频器的正反转、停车信号、参数转换信号、行走驱动、制动等信号；人机交互输出信号为 4 点（主要为运行正常、等待、急停、故障信号）。模拟量输出控制通道为 5 路（两路变频器速度控制信号）。
表中逻辑控制层和任务调度层的数量为根据程序代码估算的统计结果。逻辑层和任务层的使用的逻辑变量的用途主要分为 3 大类：硬件接口映射变量、用作逻辑转换的中间变换、流程控制变量。对于状态监控而言，应用测点于电气硬件接口层可以用于对传感器、执行器动作的跟踪，作用在逻辑控制层的测点用于监视逻辑变换的正确性和逻辑的逐层抽象省略化简跟踪，对于业务层的测点则用于对堆垛机 PLC 任务跟踪等作用。
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3.1 状态监测平台功能需求分析...................................................26
3.2 状态采集平台整体结构设计.............................................27
3.3 数据存储部分的硬件设计..................................................32
3.4 智能节点部分的硬件设计....................................................36
3.5 网络信息综合模块的硬件设计 ..............................................38
3.6 本章小结.......................................................................43
第四章 机电设备状态监测平台的相关软件设计与实现........................................44
4.1 数据存储部分的软件设计.......................................................44
4.2 智能节点的软件设计............................................................47
4.3 网络信息综合平台的 FPGA 逻辑设计............................................50
4.4 网络信息综合平台的 NIOS II 软核的软件设计 ...........................57
4.4.1 串行通信管理软核的软件设计..............................................57
4.4.2 数据缓存管理软核的软件设计............................................59
4.5 上位机监控软件相关部分设计 .................................................61
4.5.1 相关技术介绍.........................................................62
4.5.2 具备监测功能的上位机软件整体框架..........................................63
4.5.3 状态监测相关模块的详细设计...............................................63
4.5 本章小结....................................................................66
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第四章 机电设备状态监测平台的相关软件设计与实现
在 3.3 节所述该模块的需求及硬件电路设计的基础上，实现模块功能必须具备的主要软件部分包括：① 涉及 SD 操作的 SDIO 读写驱动；② 在 SD 卡上构件 FATS 文件系统；③ STM32 的 FSMC 初始化及在此基础上的 Nor-FLASH 读写操作；④ 在 FSMC基础上操作数据采集板卡；⑤ 数据存储部分的模式操作管理；⑥ USART 的调试信息接口；⑦ 平台数据存储部分与数据采集部分的对时处理。
使用 STM32CubeMX 生成了第 3.2 节所述部分硬件的库函数，并在 MDK 5.14 环境下修改了相应设置则可以得到硬件所需的基本操作函数。采用至上而下的设计方法，分析模块的软件的工作模式有：M0-初始化状态；M1-待机模式；M2-正常工作数据存储模式；M3-NOR-Flash 缓存模式；M4-自身状态维护模式等。
模式间的转换关系是：① 当完成 M0 内的初始化任务后自动进入 M1，然后定时进入 M4 模式；② 在 M4 模式下监测到有 IO 按键操作、对时操作等时对相应全局模式置位，执行完这些操作后变换为前一个操作模式；③ 在 M1 模式时，如监测到全局模式中有操作使能进入M2模式或达到延时上限后则自动进入M2模式；④ 当在 M2模式下，如监测到全局模式中 SD 卡有取出请求时则完成该模式的操作后进去 M3 模式；⑤在M3 模式下，模块如发现 SD 卡则开始开始拷贝 NOR-Flash 中缓存的数据至 SD 卡中，完成该操作及其他操作后则进入 M2 模式；⑥ 在 M2 和 M3 模式下，如监测到有待机请求时，则完成文件转存、关闭等其他操作后则进入 M1 模式。
结合状态转换关系及 uC/OS II 实时操作系统分析，将上述 M4 模式内的操作定义为中断为中断事件，如高速 USB 数据请求、全速 USB 状态请求、以太网数据状态请求及其他板级中断事件则以相应中断处理函数。
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结论
在分析了机电设备运行状态监测的其他需求的基础上，分析了并行传感器网络平台需求后给出了平台的总体结构；然后依次完成了状态数据存储及人机接口模块、可总线拓扑的智能节点及基于 FPGA 的传感器网络数据汇总模块。然后，通过实验和仿真验证了该部分的合理性。
最后分析了现有 WMS-ECS 监控软件的构成，给出了考虑到运行状态监测的监控软件整体设计，并对其中设计检测功能的核心功能模块进行了详细设计。通过实验及现场应用，，表明其中的通信管理及软件运行状态监测模块和 ECS 监控模块的设计和实现符合现实需求。可以对仓储机电设备的运行状态信息的进行集中存储和表示、对其中可疑状态的简单分析，然后提示现场操作人员及时处理，并生产可反馈给设备生产方使用的设备运行状态信息。
参考文献（略）
本文编号：43669
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/43669.html
