基于无线网络技术的自动化仓储系统

张 鹏，张 腾

（齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院，济南 250353）

基于无线网络技术的自动化仓储系统

张 鹏，张 腾

（齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院，济南 250353）

传统自动化仓储系统往往采用有线通讯或红外通讯的方式，存在传输距离短、灵活性差、应用范围窄、易被遮挡而造成通讯中断等缺点。为克服上述问题，建立了基于无线网络技术的自动仓储系统，介绍了自动化仓储系统设计以及监控软件接口程序，分析了该系统工作过程中无线数据传输的实时性。经实验测试，无线数据传输响应时间保持在15ms以内，系统运行稳定。

无线网络；响应时间；自动化仓储系统；PLC

0 引言

近年来，随着劳动力成本的不断提高，生产和销售业纷纷加大了自动仓储系统的建设力度。堆垛机[1]是自动仓储系统中的重要设备，其功能是实现对仓储系统中货物的自动存取作业。目前国内在用的堆垛机，其与外部设备之间的通讯主要采用红外通信[2]与现场总线[3]结合的方式。这种方式虽然已经很成熟，但存在以下问题：1）传输距离受限；可靠性低，易被遮挡而造成通信中断；2）因采用点对点通信而扩展性差，不适合于弯曲巷道的场合（如U型巷道、S型巷道、环型巷道）。

无线网络技术[4]采用点对面之间的空间立体通信，适合弯道传输，且具有传输速率快、数据传输量大、调试和使用方便等优点，非常适合应用于自动化仓储系统，解决堆垛机与外部设备的通讯问题[5]。

本文结合某高校的需求，研发了基于无线网络技术的自动化仓储系统，对该系统工作过程中无线数据传输的实时性进行了实验测试与分析。

1 自动化仓储系统

1.1 系统设备布局

结合某高校物流实验室大小（长×宽×高）：1140×720×330（cm），采用CAD软件对自动仓储系统内部设备布局进行设计，立体货架作为存储设备占用面积较大，因此应按照实验室长度方向布局两排货架，货架两端分别为出库口和入库口，通过传送带和移栽机以及提升机和穿梭车分别连接出库口和入库口，以构成自动仓储循环控制系统，突出系统运行效果；同时在出库口和入库口附近分别布置监控计算机和管理计算机，使得操作员不仅能够在入库出进行任务处理，还能在出口处对系统运行状态进行实时监控；由于现场设备PLC控制柜带有强电，故摆放在实验室内部人员较少走动不易触碰位置，保证了系统整体安全性。图1为自动化仓储系统内部设备布局图，仓储系统现场设备主要包括堆垛机、输送机、提升机、移栽机、立体存储货架、管理与监控计算机及辅助设备。该系统包括一个入库口和三个出库口；两排立体货架，长×宽×高为820×90×270(cm)；共228个货位，每个货物单元的长×宽×高：30×20×15(cm)，其额定载荷为10kg。

1.2 控制网络

该系统的管理计算机、监控计算机、地面主站PLC、堆垛机PLC之间采用无线通讯方式，其中监控计算机通过配置OPC服务器与地面主站PLC通讯连接，堆垛机PLC通过配置的无线通讯模块与地面主站PLC之间进行数据直接传输，条码扫描仪、激光测距仪、HMI触摸屏通过Profibus现场总线与PLC控制器连接。图2为自动化仓储系统网络拓补图。

系统中采用工业级NETGEAR WG103无线AP，能够提供更广的无线信号覆盖区域和稳定的无线网络通讯。控制主站与堆垛机（控制从站）PLC均采用西门子S7-300系列的CPU313C-2 DP中央处理模块、SM321数字量输入输出信号模块、CP 343-1通讯模块、USR-WIFI232-610无线信号转换模块等。触摸屏和变频器模块通过现场总线PROFIBUS与CPU中央处理器连接。堆垛机水平定位系统采用德国SICK公司的DL100系列激光测距仪，其定位精度达到±0.5mm。垂直定位系统采用德国劳易测公司BPS348iSM10条码定位仪，其定位精度达到±1mm。

图1 自动化仓储系统布局图

图2 自动化仓储系统网络拓补图

2 无线网络在系统中的应用

堆垛机PLC、地面主站PLC、管理计算机、监控计算机需要正确配置的IP地址，应保证每台设备的网络地址不冲突，如图3所示。

为验证系统无线数据传输的实时性，各通讯站点配置正确的IP地址后，进行了相应的通讯测试。表1和表2分别为系统无任务和有任务两种情况下对数据传输时间进行采样统计。

图3 IP通讯地址配置示意图

系统上电初始化等待5s后，待各通讯站点内部系统部署完毕，通过管理计算机分别向监控计算机站点、地面主站PLC控制柜站点和堆垛机PLC控制柜站点发送两种数据包，用来测试各站点之间传输不同大小数据的传输时间。

在无任务情况下，以发送每个大小为32byte和64 byte的10个数据包进行测试。从表1看出管理计算机到监控计算机站点的数据传输平均时间分别为4ms和4 ms，到地面主站控制站点的数据传输平均时间分别为3 ms和4ms，到堆垛机控制站点的数据传输平均时间分别为5ms和2ms。有任务情况下，系统工作过程中数据传输时间进行测试，同样发送数据包进行测试。从表2看出管理计算机到监控计算机站点的数据传输平均时间分别为2ms和4ms，到地面主站控制站点的数据传输平均时间分别为6ms和4ms，到堆垛机控制站点的数据传输平均时间分别为5ms和2ms。

通过以上数据说明，采用无线网络通讯方式，各站点间数据传输响应时间保持在15ms以内，完全能够满足系统通讯要求。

表2 有任务情况下

为了进行对比分析，我们同时通过实验得到，若系统采用有线以太网通讯方式，其数据传输响应时间均小于1ms。无线网络通讯虽然其响应时间明显超过有线以太网通讯，但仍完全能够满足系统通讯要求，并且极大的增强了系统的灵活性和可扩展性。

值得注意的是，无线通讯系统与有线通讯系统相比较，数据传输信道较容易受到干扰，特别在规模较大、传输距离较长的系统中，为保证无线网络通讯系统的传输质量，可以通过加大无线电系统功率，即提高信噪比，或在通讯软件上进行改进，例如通过改进通讯系统中单字节信息校验方式为双字节校验方式、通讯协议及通讯管理的改进均可提高无线网络通讯的可靠性。

3 监控系统

该系统采用C#语言开发，主要用来实现系统调试与设备状态监视，通过监控计算机自带无线网卡与PLC无线信号转换模块进行无线通讯。监控软件操作界面如图4所示。

图4 监控软件主界面

计算机硬件配置列表如表3所示。

表3 监控计算机硬件配置

监控计算机需要安装Simatic Net软件和STEP7 PLC编程软件，配置OPC服务器，通过开发OPC的接口程序，实现与PLC控制器的无线通讯，堆垛机PLC与地面主站PLC通过通讯模块通讯，进而实现监控软件控制堆垛机、输送机等设备作业。OPC服务器配置方法主要步骤如下：

1）通过Simatic Net软件组态一个PC站点，并将该站点配置成OPC服务器，同时配置Ethernet通讯网络，其IP地址设置为192.168.1.105，并编译与保存。

2）通过STEP7 PLC编程软件在地面主站PLC控制器中新建一个工程，同样采用Ethernet通讯网络，通过网络组态，将地面主站的PLC控制器IP地址设置为192.168.1.101，并下载到PLC控制器中。

3）打开Simatic Net软件中Station Configuration Editor后，并点击Import Station，找到第一步创建的XDBs文件夹下的XDB文件，将其导入，即OPC服务器的相关配置完成。

监控软件与OPC服务器接口程序主代码如下：

而堆垛机与地面主站PLC间采用无线信号转换模块，通过主站PLC程序调用内部数据收发模块实现通讯，调用结构如图5所示。

图5 通讯程序调用结构

4 结论

本文建立了基于无线网络技术的自动化仓储系统，介绍了自动化仓储系统组成以及监控软件接口程序。通过实验分析，无线网络技术提高了系统的灵活性与可扩充性的同时，较好的满足了系统实时性的要求，可对我国传统自动化仓储系统的升级改造提供借鉴。

[1] 张晓东,曹毅,李秀娟.立体仓库巷道堆垛机控制系统设计[J].自动化仪表,2013,34(5):46-48.

[2] 王志成,于东,等.数控系统现场总线可靠通信机制的研究[J].机械工程学报,2011,47(3):152-158.

[3] 傅韬,黄本雄.无线网络系统建模综述[J].计算机科学,2010,37(8):40-46.

[4] 于小强,杨晖,杨海马,等.基于红外通信的无线传感节点在漏缆检测中的应用[J].传感技术学报,2014,27(1):149-153.

[5] 冯勇军,李宁,童光华,等.立体仓库用堆垛机的设计与选用[J].制造业自动化,2013,35(12):77-79.

Automated storage system based on wireless network technology

ZHANG Peng, ZHANG Teng

TP271

A

1009-0134(2017)04-0117-04

2016-11-26

济南市高校院所自主创新计划（201202079）

张鹏（1977 -），男，山东济南人，副教授，博士，研究方向为智能控制与检测技术。