堆垛机拖动系统人机界面设计

本文作者徐荣华先生，广东工业大学罗克韦尔自动化实验室研究生；区锐相先生，研究生；吴乃优先生，研究员。
关键词：堆垛机　人机界面　RSView32　DeviceNet　

自动化立体仓库的出现是物流技术的一个划时代的革新。它不仅彻底改变了仓储行业劳动密集、效率低下的落后面貌，而且大大拓展了仓库功能，使之从单纯的保管型向综合的流通型方向发展。堆垛机是自动化立体仓库中的一种自动装运设备，是实现自动化立体仓库高效、安全、可靠运行的关键设备，本文就其拖动系统人机界面的设计与实现，讲述了罗克韦尔自动化RSView32组态软件以及DeviceNet控制网络在堆垛机拖动系统中的应用。

一   基于DeviceNet的堆垛机拖动系统

堆垛机是自动化立体仓库的主要搬运设备。它在高层货架的巷道内来回穿梭运行，负责货物的存取。目前应用最广的是巷道式堆垛机，它由运行机构、升降机构、装有存取货机构的载货台、机架和电气设备5部分组成。目前，堆垛机运行速度高达320m/min，提升速度高达60m/min，其定位精确度优于±5mm。

DeviceNet是Rockwell Automation公司于1994年提出的一种开放的现场总线网络，目前已成为国际工业自动化网络标准。DeviceNet为简单的工业设备(传感器、变频器等)和高端设备(PLC、计算机)提供确定、可靠的网络连接和数据通信。DeviceNet提供主/从与对等网络通信能力和生产者/客户(Producer/Consumer)服务模式，可以不用任何编程工具在线移除或替换DeviceNet网络上的设备。来自ControlNet、DH+或Ethernet链路上的报文可以通过ControlLogix网关发送到DeviceNet链路上的所有节点。采用DeviceNet，可减少设备通信的电缆硬件接线，降低组建系统的人力及线路成本，同时，可为用户提供完整的设备级诊断功能，方便网络的维护。

过去，变频器的通信能力不强，需要对异步电动机按照一定的数学模型和最优条件进行离线优化控制。当电动机参数及工况发生变化后，还继续使用原来的变频器参数就无法获得理想的优化效果，通过DeviceNet可将变频器接入控制网络，对变频器实现在线监控和优化，提高堆垛机的定位精确度，并节省大量的能源。

二   控制系统硬件设计

控制系统主要采用了SLC500和PLC5控制器、1747-SDN扫描器、1771-SDN扫描器、1203-GK5通信接口，将其组态成DeviceNet控制网络以实现对1336PULS II变频器的控制，并通过1770-KFD接口模块将DeviceNet网络与上位计算机相连。其中扫描器作为PLC和DeviceNet之间的接口，它的主要功能是进行设备数据的采样和格式转换，PLC与设备之间的数据交换全部通过扫描器来实现。SLC500和PLC5可分别通过1747-SDN扫描器和1771-SDN扫描器连接到DeviceNet。1336PULS II 变频器则通过其SCANport接口与DeviceNet通信模块1203-GK5的SCANport接口相连。由此可建成DeviceNet电动机控制网络，其网络结构如图1所示。


三   控制系统的人机界面设计

1.RSView32软件
RSView32是一套综合的、基于组件的人机界面开发软件，可用于对自动化设备和生产过程进行实时监测和控制。它是第一个具有以下特性的人机界面软件：(1)将图形界面开放为ActiveX控件的容器，通过可以直接集成到用户图形界面上的可重用、可定制的ActiveX控件，实现对RSView32工程的方便扩展；(2)可利用对象模型方便地与其他基于组件的软件产品协同工作；(3)集成了微软的Visual Basic for Applications(VBA)为内置的编程语言；(4)支持OPC(用于过程控制的OLE)，可实现与其他自动化厂商的产品进行快速、可靠的通信；(5)使用附件体系结构(Add-On Architecture)技术扩展RSView32的功能，可将新特性直接集成到RSView32的内核；(6)可利用活动显示系统(Active Display System)实现远程监控。

2.人机界面的总体功能结构
人机界面的总体功能结构如图2所示。


其中主界面可完成日常的系统监控任务和对各个子界面的调用；手动控制面板子界面有6个电动机控制按钮，可结合主界面的状态显示区完成对变频器和电动机的手动控制；线路诊断图子界面可模拟和实时监测系统硬件线路的连接和工作状况；1336PLUS II变频器组态子界面可完成变频器所有相关参数的组态任务。

3.主界面设计
软件主界面分为实时动画显示区、实时速度表、功能按钮区、速度输入框、电动机状态显示区、速度曲线图和速度拖动条。其中实时动画显示区用于实时动态显示升降台的速度和位置。实时速度表用于实时显示速度值、速度单位(r/min)。功能按钮区有4个按钮，分别为自动[Auto]、手动[Manual]、诊断[Diagnostic]、1336PLUS II变频器[Config 1336II]组态，其中自动按钮控制升降台自动上下运行一次，按下手动按钮会显示手动控制面板[Manual Control]，按下诊断按钮会出现线路诊断图，按下1336PLUS II变频器组态按钮会出现变频器参数调整表。在速度输入框中可以精确地调整电动机的速度，可调速度范围是0~1430r/min(仅在手动模式下可用)。电动机状态显示区共有9个指示灯，分别为自动(Auto)、手动(Manual)、报警(AlARM)、运行(Run)、正向(Forward)、点动(Jog)、停止(Stop)、反向(Reverse)、错误(Fault)，指示灯为绿色表示电动机正处于该状态，灰色则相反。速度曲线图用于实时显示电动机运行过程中速度的变化，在手动模式下可用速度拖动条比较粗略地改变电动机速度，并具有最小频率(8Hz)设置保护。系统主界面如图3所示。


在主界面开发过程中发现S曲线的数据源为变频器[测量组(Metering)]中的[Freq Command]，需要通过M文件进行读取，采样的周期太长，无法满足S曲线的实时采样要求，趋势图中的S曲线不平滑，呈折线状。后来经过分析得知这主要是由于采样频率太低，数据不连贯造成的。要获得平滑的S曲线就必须提高数据的采样频率，故我们利用I/O映射自动刷新、实时性好的特点，采用输入映射的[word1频率反馈值]作为S曲线的数据源，并且数据的采样频率还与Tag的扫描时间及趋势图中的扫描时间有关，只要将Tag Scan Class的扫描周期及趋势图中的Rate设置为0，RSView32就会以最快的速度实时地扫描频率反馈值，获得十分平滑的S曲线。

4.手动控制面板子界面设计
手动控制面板共有7个按钮。它们分别为运行[Run]、停止[Stop]、点动[Jog]、除错[Clear Faults]、反向[Reverse]、正向[Forward]、关闭窗口[Close]。在电动机运行过程中，运行、点动、反向、正向按钮将会被屏蔽，此时按下这4个按钮将得不到响应。

5.线路诊断图子界面设计
线路诊断图是在硬件线路图的基础上，用红线连接在线设备，用黑线连接可能发生故障或者已经从网络移除的设备。该界面有两个按钮，一个是模拟[Virtual]按钮，用于模拟本系统的硬件连接情况，用户可通过它对线路连接状态进行模拟操作，用于检查线路连接逻辑是否正确；另一个是监控[Monitor]按钮，用于实时监控系统硬件的连接状态，可大大提高系统故障诊断和硬件维护的效率。
6.1336PLUS II变频器参数组态子界面设计
在主界面按下[Config 1336II]按钮，将会出现上载参数进度条。当参数上载完毕后，变频器参数调整表将会出现[1336 PlusII Parameter Settings]的参数设置对话框。此时，可以按组对所有的变频器参数分别进行设置。在参数调整表的下方有5个按钮，分别是刷新指定的参数[Refresh Specified Parameter]、刷新所有的参数[Refresh All Data]、刷新参数组[Refresh Group]、下载参数[Download Parameters]、返回主界面[Return to Main Window]。

四   结束语

凭借RSView32软件的强大功能，设计完成了这个操作自由、简单且在功能上分计算机自动、手动操作等多种控制方式的人机操作界面，能够清晰显示操作步骤、设备运行状况，即使是新手也可轻松操作，且系统保养维护方便、快捷。