专利名称：基于plc控制的自动物料搬送系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及自动化生产设备及控制方法，尤其是指一种基于PLC控制的自动物料搬送系统及其控制方法。
背景技术：
现有的自动物料搬送系统(AMHS-AutomaticMaterial Handling System)的各生产商大部分是用工控机对各级设备和机台(Cluster-tool)分系统以及制造执行系统(MES-Manufacturing Execution System)进行架构,控制网络采用以太网联通各级设备。制造执行系统(MES-Manufacturing Execution System)系统及各机台(Cluster-tool)分系统控制软件需要从底层开发，因此开发和调试时间长，影响加工厂投产时间。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种基于PLC控制的自动物料搬送系统及其控制方法。本发明的目的是这样实现的:一种基于PLC控制的自动物料搬送系统，它包括制造执行分系统、总控PLC、高架天车分系统、天车分系统、仓储分系统及、加工单元分系统、及加工单元分系统内的机台分系统；所述高架天车分系统包括多个高架天车及一一对应的高架天车PLC控制器；所述天车分系统包括多个天车及一一对应的天车PLC控制器；所述仓储分系统包括多个仓储PLC控制器；所述机台分系统包括多个机台PLC控制器；所述总控PLC分别连接高架天车分系统的高架天车PLC控制器、天车分系统的天车PLC控制器、仓储分系统的仓储PLC控制器及机台分系统的机台PLC控制器；所述制造执行分系统连接总控PLC，通过总控PLC控制高架天车分系统、天车分系统、仓储分系统及机台分系统。一种基于PLC控制的自动物料搬送控制方法，它包括步骤，A)、判断工作模式，操作触发后总控PLC通过梯形图程序采集制造执行分系统的工作模式；B)、判断安全回路，总控PLC采集高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器的安全状态；C)、获取高架天车数量，总控PLC通过计算该高架天车所在区域，获取加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车数量；D)、高架天车车型指定，总控PLC对加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车车型指定；E)、高架天车需求解析，总控PLC对高架天车的需求进行解析，根据机台分系统发送过来的某一取晶圆传送盒处理完毕信号，接下来需要进行哪个加工单元的工艺处理信息，总控PLC收到信号后进行路径规划，把机台分系统发送过来的需要求进行起始位置目的位置与原先存储的路径位置进行比对，选择从取晶圆传送盒位置到下一工艺处理单元的机台分系统放取晶圆传送盒位置路径程序，解析后根据情况执行下述步骤，El)、天车任务调度，总控PLC读取天车在轨道上的位置并计算哪个天车离有需求的机台分系统距离最近，然后判断车型，而后根据其车型调度天车；E2)、加工单元内部、加工单元之间的高架天车的调度，总控PLC计算加工单元内部距离需要搬运的晶圆传送盒距离最近的车，找到该型车后，计算剩下的高架天车的数量，对其按类型调度；E3)、仓储任务调度，总控PLC在掉电保存数据块中保存仓储所有位置坐标值，每个坐标值对应一个标志位，在执行调度任务时，总控PLC把需要到的位置的标志位直接发给仓储PLC控制器，然后把走到该目标位置的速度和位置值的参数通道发送给仓储PLC控制器，完成后仓储PLC控制器给总控PLC回发到位信号；F)、是否退出自动，否则回到步骤E，是则返回步骤A。本发明的有益效果在于在现有的AMHS控制结构基础上，把原来自动物料搬送系统的各级控制器由可编程逻辑控制器(PLC-Programmable Logic Controller)控制系统替代，同时结合WinCC开发的制造执行系统(MES-Manufacturing Execution System),高架天车(OHT-Over Head Hoist Transports)分系统的调度算法上采用对高架天车(OHT-OverHead Hoist Transports)分系统按功能类别定型,对加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)中的高架天车(OHT-Over Head Hoist Transports)分系统的数量分别按照上限法进行数量限制，调度按适型适用和类型更替法进行。对每个高架天车(OHT-OverHead Hoist Transports)分系统的类型分成四种类型从而在调度中对该四种类型采用轮转方式定型，以满足对机台(Cluster-tool)分系统的及时响应。
下面结合附图详述本发明的具体结构图1为本发明的系统整体架构示意图。图2为本发明的控制方法流程图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。请参阅图1，本发明涉及一种基于可编程逻辑控制器(PLC-Programmable LogicController)控制的自动物料搬送系统，它包括制造执行分系统(MES-ManufacturingExecution System)、总控PLC、高架天车(OHT-Over Head Hoist Transports)分系统、天车(OHS-Over Head Shuttles)分系统、仓储(Stocker)分系统、加工单元分系统、及加工单元分系统内的机台(Cluster-tools)分系统，其中，高架天车(OHT-Over Head Hoist Transports)分系统:包括多个高架天车(OHT)及一一对应的高架天车(OHT) PLC控制器；
天车(OHS-Over Head Shuttles)分系统:包括多个天车(OHS)及——对应的天车(OHS)PLC控制器；仓储(Stocker)分系统:包括多个仓储(Stocker) PLC控制器；机台(Cluster-tools)分系统包括多个机台(Cluster-tool)分系统(Cluster-tools) PLC 控制器；总控PLC分别连接高架天车(OHT)分系统的高架天车(OHT)PLC控制器、天车(OHS)分系统的天车(OHS)PLC控制器、仓储(Stocker)分系统的仓储(Stocker) PLC控制器及机台(Cluster-tools)分系统的机台(Cluster-tools)PLC控制器；所述制造执行分系统(MES)连接总控PLC，通过总控PLC控制高架天车(OHT)分系统、天车(OHS)分系统、仓储(Stocker)分系统及机台(Cluster-tools)分系统。与传统技术对比起来，使用PLC作为控制器比采用工控机作为控制器具有体积更小，占用洁净室洁净空间更小。PLC作为通用工业级控制器具有更高的可靠性，抗干扰性。对各种工业通信协议具有很好的支持，可以针对不同工业通信协议进行相应的通信模块扩展。PLC的梯形图程序结构，可以实时执行多任务监控，调度，结构明确便于开发人员进行程序二次开发和维护。PLC的结构化文本编程功能可以实现复杂度较高的算法和逻辑控制功倉泛。作为一实施例，上述总控PLC为西门子400系列PLC;所述高架天车(OHT)PLC控制器、天车(OHS)PLC控制器、仓储(Stocker)PLC控制器及机台(Cluster-tools)PLC控制器为西门子300系列PLC。进而制造执行分系统(MES)可通过Profinet总线与总控PLC进行数据通讯；所述总控PLC与天车(OHS)PLC控制器、仓储(Stocker)PLC控制器及机台(Cluster-tools)PLC控制器通过Profibus-DP方式进行数据通讯。此处采用西门子300、400系列PLC具有实时处理能力强，可靠性高，支持通信标准多的优势，且其支持结构化文本编程语言。所以在系统初始运行时，先检测加工单元(bay)内和加工单元(bay)间的高架天车(OHT)位置和状态，然后对高架天车(OHT)进行定型，然后按照机台(Cluster-tools)分系统的需求对分好类的高架天车(OHT)和天车(OHS)、无人搬运车(AGV-Automated Guided Vehicle)进行调度。本系统有效利用了工业网络的实时性好和可靠性高的优点，同时西门子400系列PLC具有强大的逻辑处理能力，保证了对高架天车(OHT)工作状态处理的实时性。而采用Profinet和Profibus-DP这两种成熟的现场总线通信技术，可以保证通信网络的高可靠性。利用PLC系统的架构形式方便的优点，可根据不同需求选择不同的模块配置。因此，作为另一实施例，上述总控PLC、高架天车(OHT)PLC控制器、天车(OHS)PLC控制器、仓储(Stocker)PLC控制器及机台(Cluster-tools) PLC控制器也可采用三菱系列PLC。对应的总控PLC、高架天车(OHT) PLC控制器、天车(OHS) PLC控制器、仓储(Stocker) PLC控制器及机台(Cluster-tools)PLC控制器间通过CC-LINK网络进行数据通讯。上述中所述制造执行分系统(MES)采用WinCC软件平台。采用WinCC和西门子400系列PLC配合可为制造执行分系统(MES)有利于减少开发和调试时间。综上所述，本专利由于使用PLC作为自动物料搬送系统(AMHS)的各级控制系统，所以在控制网络上结构比较清晰。扁平化的结构，有助于制造执行分系统(MES)命定的快速下达和现场级设备及时的上传工作状态。PLC本身的高可靠性、易维护性对于现场人员的工作及培训的工作量有很大的减小，使得加工厂的投产速度更加快。本发明还涉及一种专用于上述系统的控制方法，它包括步骤:A)、判断工作模式，由操作员触发后总控PLC通过梯形图程序采集制造执行分系统(MES)的工作模式，保证系统的实时性。B)、判断安全回路，总控PLC通过Profibus-DP总线采集高架天车(OHT)PLC控制器、天车(OHS)PLC控制器、仓储(Stocker)PLC控制器及机台(Cluster-tools)PLC控制器的安全状态。C)、获取高架天车数量，高架天车(OHT)上的一维条码阅读器读取该车当前所处位置的轨道条码信息后通过Profibus-DP发送给该车的高架天车(OHT)PLC控制器与该天车定义的通信数据块中，发送完毕后给该车的高架天车(OHT)PLC控制器发送完成信号，该车的高架天车(OHT)PLC控制器通过梯形图方法捕捉该信号后，开始读取该数据块中的条码信息，把数据块中各个通信字与预先存储的所有轨道的条码值进行比较，遇到相同值时给相同值的标志位置1，触发该值所在区域的加计数模块，总控PLC通过计算该高架天车(OHT)所在区域,最终获取加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车数量。D)、高架天车车型指定，总控PLC首先计算加工单元内部(Intrabay)高架天车(OHT)的数量，例如，若数量是3，则从最接近仓储(Stocker)的位置的高架天车(OHT)开始依次分为A、C、D三种类型，完成分类后把A型车的Profibus-DP地址转到A型车调度子程序的通信通道模块14、通信通道模块15的地址值中，按照此方法，把剩下三类车的地址分别转入C、D调度子程序中，把加工单元之间(Interbay)的所有车均指定为B型车。从而完成对加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车车型指定。E)、高架天车需求解析，总控PLC对每个高架天车分系统的类型分成A、B、C、D四种类型，A是对应加工单元内机台(Cluster-tools)分系统间的搬运；B是加工单元间仓储分系统到仓储分系统间的搬运；C是跨加工单元的机台(Cluster-tools)分系统到仓储分系统间的搬运；D是跨加工单元的机台(Cluster-tools)分系统到机台(Cluster-tools)分系统间的搬运；所述调度内容包括对高架天车分系统的类型轮转的改变之A\B\C\D方式，以满足对机台(Cluster-tools)分系统的及时响应。总控PLC对高架天车(OHT)的需求进行解析,根据机台(Cluster-tools)分系统发送过来的某一取晶圆传送盒(FOUP)处理完毕信号，接下来需要进行哪个加工单元(bay)的工艺处理信息。总控PLC收到信号后进行路径规划，把机台(Cluster-tools)分系统发送过来的需要求进行起始位置目的位置与原先存储的路径位置进行比对，选择从取晶圆传送盒(FOUP)位置到下一工艺处理单元(bay)的机台(Cluster-tools)分系统放取晶圆传送盒(FOUP)位置路径程序。El)、高架天车任务调度，总控PLC通过读取高架天车(OHT)在轨道上的位置，计算出哪个高架天车(OHT)离有需求的机台(Cluster-tools)分系统距离最近,然后根据其Profibus-DP地址判断车型，如果是A型车距离最近，则启动A型车调度程序，让A型车运行到取取晶圆传送盒(FOUP)点，取到取晶圆传送盒(FOUP)后进行握手信号交互，保证动作完成。让A型车把取晶圆传送盒(FOUP)运到仓储(Stocker)中，然后关闭A型车调度程序，启动B型车调度程序；待B型车完成任务后，关闭B型车调度程序，打开下一个工艺加工单元的A型车调度子程序，然后在下一加工单元中寻找最近的天车完成把取晶圆传送盒(FOUP)运送到机台(Cluster-tools)分系统的任务。该调度方法可以保证以最快的速度最短的时间保证高架天车到达需要取FOUP的机台；不同类型的调度程序根据实际需要运行，暂时不需要运行的调度程序进行关闭处理，这样尽可能的节省总控PLC的内存，保证PLC程序在扫描周期内的实时性响应足够快。E2)、加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车(OHT)的调度，总控PLC计算加工单元内部(Intrabay)距离需要搬运的晶圆传送盒(FOUP)距离最近的车，找到该型车后，计算剩下的高架天车(OHT)的数量，如果剩下2台车，且需进行下一步加工的产品不能等待时间过长则把该型车无论是哪种型号都改为D型车，然后执行D型车调度任务，按照预先的轨迹规划程序运行。然后把剩下的两台高架天车(OHT)型依次改为A、C并且把车辆少于正常值标志位置为I。对于加工单元之间(Interbay)运行的B型车进行任务分析，无任务的高架天车(OHT)直接调入车辆少于正常值指标的加工单元(bay)，型号根据该加工单元(bay)中缺少的型号进行修改，把该加工单元(bay)车辆少于正常值标志位复位，把所有车型及地址均存入总控PLC相应的掉电保存的数据块中，防止系统掉电后任务及地址丢失。该调度方法可以保证加工单元内部高架天车数量最少值可以满足正常生产需要，防止出现加工单元内部高架天车数降为零，机台上有FOUP运输要求时无高架天车可用；与E1的调度程序紧密联系，互相补充。E3)、仓储任务调度，总控PLC在掉电保存数据块中保存仓储(Stocker)所有位置坐标值，每个坐标值对应一个标志位，在执行调度任务时，总控PLC把需要到的位置的标志位直接发给仓储(Stocker)PLC控制器，然后把走到该目标位置的速度和位置值通过Profibus-DP的参数通道发送给仓储(Stocker) PLC控制器,完成后仓储(Stocker) PLC控制器给总控PLC回发到位信号；该结构中仓储(Stocker)PLC只负责底层信号中转和回发，所有调度由总控PLC完成，这样可以保证仓储(Stocker) PLC控制器和驱动器直接执行需要到达的位置而不需要再进行复杂的计算，另外需要修改每个位置值时，直接在总控PLC上进行参数修改就可以，这样可以更好的实现控制调度的集中性。F)、是否退出自动，否则回到步骤E，是则返回步骤A。上述控制方法在结构上采用多分支，从程序入口进入主程序后，对每个子设备都对应专属的子程序，且这些程序都是可以并行执行的，这在工控机中是无法实现的，工控机是采用进程的方式来处理任务，一个进程不退出无法进入别的进程，而PLC的程序结构的优点就是可以并行执行很多子程序，有效的解决了子设备多却需要同时进行调度的问题，此外对每个高架天车的地址和类型用单独的数据块进行存储，对A、B、C、D四种类型的高架天车分为四种调度程序，实时更新各个天车的类型，防止出现类型错误。扁平化程序结构由程序入口进入程序开始，直接进入对各个子设备的控制子程序，总控PLC和各个子设备之间进行信号交互可以直接在子程序中进行，而无需在回到子程序的上一层程序进行交互，具体体现在对每个加工单元中的机台(Cluster-tools)分系统采用专属的程序进行垂直调度，省去了加工单元再单独配有逻辑控制设备采集各个机台(Cluster-tools)分系统信号的任务处理的繁琐性，在物理实现上总调度PLC的CPU下达命令后通信数据经过打包处理后从DP-耦合器上转换为差分信号通过2芯Profibus-DP电缆连接到从设备PLC的DP-耦合器上，经过解包把数据送入从设备PLC的CPU，从设备CPU根据数据内容可以直接进行动作，动作完成后经过相同的链路和通信模式回发完成信号给总控PLC。这种的通信是总控PLC对从设备PLC之间的直接通信，不需要通过其他设备进行中转，有效减少命令下达时间，提高了设备工作节拍。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种基于PLC控制的自动物料搬送系统，其特征在于:它包括制造执行分系统、总控PLC、高架天车分系统、天车分系统、仓储分系统及、加工单元分系统、及加工单元分系统内的机台分系统； 所述高架天车分系统包括多个高架天车及一一对应的高架天车PLC控制器； 所述天车分系统包括多个天车及一一对应的天车PLC控制器； 所述仓储分系统包括多个仓储PLC控制器； 所述机台分系统包括多个机台PLC控制器； 所述总控PLC分别连接高架天车分系统的高架天车PLC控制器、天车分系统的天车PLC控制器、仓储分系统的仓储PLC控制器及机台分系统的机台PLC控制器；所述制造执行分系统连接总控PLC，通过总控PLC控制高架天车分系统、天车分系统、仓储分系统及机台分系统。
2.如权利要求1所述的基于PLC控制的自动物料搬送系统，其特征在于:所述总控PLC为西门子400系列PLC ;所述高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器为西门子300系列PLC。
3.如权利要求2所述的基于PLC控制的自动物料搬送系统，其特征在于:所述制造执行分系统通过Profinet总线与总控PLC进行数据通讯；所述总控PLC与高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器 通过Profibus-DP方式进行数据通讯。
4.如权利要求1所述的基 于PLC控制的自动物料搬送系统，其特征在于:所述总控PLC、高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器为三菱系列PLC。
5.如权利要求4所述的基于PLC控制的自动物料搬送系统，其特征在于:所述总控PLC、高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器间通过CC-LINK网络进行数据通讯。
6.如权利要求1-5任意一项所述的基于PLC控制的自动物料搬送系统,其特征在于:所述制造执行分系统采用WinCC软件平台。
7.一种基于PLC控制的自动物料搬送控制方法，其特征在于:它包括步骤， A)、判断工作模式，操作触发后总控PLC通过梯形图程序采集制造执行分系统的工作模式； B)、判断安全回路，总控PLC采集高架天车PLC控制器、天车PLC控制器、仓储PLC控制器及机台PLC控制器的安全状态； C)、获取高架天车数量，总控PLC通过计算该高架天车所在区域，获取加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车数量； D)、高架天车车型指定，总控PLC对加工单元内部(Intrabay)、加工单元之间(Interbay)的高架天车车型指定； E)、高架天车需求解析，总控PLC对高架天车的需求进行解析，根据机台分系统发送过来的某一取晶圆传送盒处理完毕信号，接下来需要进行哪个加工单元的工艺处理信息，总控PLC收到信号后进行路径规划，把机台分系统发送过来的需要求进行起始位置目的位置与原先存储的路径位置进行比对，选择从取晶圆传送盒位置到下一工艺处理单元的机台分系统放取晶圆传送盒位置路径程序，解析后根据情况执行下述步骤， El)、天车任务调度，总控PLC读取天车在轨道上的位置并计算哪个天车离有需求的机台分系统距离最近，然后判断车型，而后根据其车型调度天车； E2)、加工单元内部、加工单元之间的高架天车的调度，总控PLC计算加工单元内部距离需要搬运的晶圆传送盒距离最近的车，找到该型车后，计算剩下的高架天车的数量，对其按类型调度； E3)、仓储任务调度，总控PLC在掉电保存数据块中保存仓储所有位置坐标值，每个坐标值对应一个标志位，在执行调度任务时，总控PLC把需要到的位置的标志位直接发给仓储PLC控制器，然后把走到该目标位置的速度和位置值的参数通道发送给仓储PLC控制器，完成后仓储PLC控制器给总控PLC回发到位信号； F)、是否退出自动，否则回到步骤E，是则返回步骤A。
8.如权利要求7所述的基于PLC控制的自动物料搬送控制方法，其特征在于:所述步骤E包括，总控PLC对每个高架天车分系统的类型分成A、B、C、D四种类型， A是对应加工单元内机台分系统间的搬运； B是加工单元间仓储分系统到仓储分系统间的搬运； C是跨加工单元的机台分系统到仓储分系统间的搬运； D是跨加工单元的机台分系统到机台分系统间的搬运； 所述调度内容包括对高架天车 分系统的类型轮转的改变之A\B\C\D方式，以满足对机台分系统的及时响应。
9.如权利要求8所述的基于PLC控制的自动物料搬送控制方法，其特征在于:所述步骤El包括，总控PLC判断车型，如果是A型车距离最近，则启动A型车调度程序，让A型车运行到取晶圆传送盒点，取到取晶圆传送盒后进行握手信号交互，保证动作完成；让々型车把取晶圆传送盒运到仓储中，然后关闭A型车调度程序，启动B型车调度程序；待B型车完成任务后，关闭B型车调度程序，打开下一个工艺加工单元的A型车调度子程序，然后在下一加工单元中寻找最近的天车完成把取晶圆传送盒运送到机台分系统的任务。
10.如权利要求8或9所述的基于PLC控制的自动物料搬送控制方法，其特征在于:所述步骤E2包括，总控PLC找到距离最近的车后，计算剩下的高架天车的数量，如果剩下2台车，且需进行下一步加工的产品不能等待时间过长则把该型车无论是哪种型号都改为D型车，然后执行D型车调度任务，按照预先的轨迹规划程序运行；然后把剩下的两台高架天车型依次改为A、C并且把车辆少于正常值标志位置为I，对于加工单元之间运行的B型车进行任务分析，无任务的高架天车直接调入车辆少于正常值指标的加工单元，型号根据该加工单元中缺少的型号进行修改，把该加工单元车辆少于正常值标志位复位，把所有车型及地址均存入总控PLC相应的掉电保存的数据块中，防止系统掉电后任务及地址丢失。
全文摘要
本发明提供了一种基于PLC控制的自动物料搬送系统及其控制方法，在现有的AMHS控制结构基础上，把原来自动物料搬送系统的各级控制器由PLC控制系统替代，同时结合WinCC开发的MES，OHT分系统的调度算法上采用对OHT分系统按功能类别定型，对Intrabay、Interbay中的OHT分系统的数量分别按照上限法进行数量限制，调度按适型适用和类型更替法进行。对每个OHT分系统的类型分成四种类型从而在调度中对该四种类型采用轮转方式定型，以满足对tool的及时响应。
文档编号G05B19/418GK103197614SQ20121000596
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者褚明杰, 曲道奎, 徐方, 贾凯, 刘一恒, 杨奇峰, 刘世昌, 陈廷辉 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司