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智能倉(cāng)儲(chǔ)是在不直接進(jìn)行人工參與的情況下，能夠全自動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)和提取物料[1]。智能倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以教學(xué)為主要目的，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)，綜合運(yùn)用各項(xiàng)知識(shí)，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、PLC編程技術(shù)、上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)技術(shù)、貨位優(yōu)化、機(jī)械設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，且涉及自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通信、機(jī)器人、傳動(dòng)與監(jiān)控、模式識(shí)別等諸多先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化運(yùn)行，使學(xué)生從控制、傳動(dòng)、檢測(cè)等各個(gè)方面對(duì)機(jī)電系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解[2]。而相對(duì)較為專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，是學(xué)生提高綜合能力的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生掌握相關(guān)技能，走向社會(huì)的重要路徑[3,4,5]。

目前，國(guó)內(nèi)許多高校已經(jīng)自主設(shè)計(jì)了智能倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)采用的是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，雙排組合貨架共72個(gè)貨位，堆垛機(jī)X、Z軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配備額定載荷為30kg的AGV小車(chē)進(jìn)行貨物搬運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程管理自動(dòng)化。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于三菱PLC控制步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具備一個(gè)獨(dú)立的立體式倉(cāng)庫(kù)，分為左右兩個(gè)垂直布置，其中庫(kù)位有6個(gè)，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)下料，系統(tǒng)呈模塊化，方便拆分與組裝，學(xué)生可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，或擴(kuò)展系統(tǒng)功能。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的物流自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，貨架規(guī)格為1排5層6列，共計(jì)30個(gè)貨位，PLC控制采用西門(mén)子公司S7系列，以此為中心添加自動(dòng)分揀生產(chǎn)線、專(zhuān)用起重機(jī)、條碼和射頻識(shí)別系統(tǒng)，監(jiān)控組態(tài)軟件采用西門(mén)子公司的SIMATIC Win CC 6.0，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。文獻(xiàn)[7]基于實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以此設(shè)計(jì)了一種智能倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，立體貨架設(shè)計(jì)巷道數(shù)1個(gè)，9個(gè)貨位。碼垛機(jī)X、Z和Y三軸分別采用2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)，主控制器采用S7-300PLC，上位機(jī)采用威綸觸摸屏和Wincc組態(tài)，設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)踐教學(xué)的目的和要求。文獻(xiàn)[8]基于西門(mén)子S7-200PLC及MCGS觸摸屏構(gòu)建了自動(dòng)化生產(chǎn)線立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)，立體倉(cāng)庫(kù)模塊實(shí)際上是一個(gè)“4×4”共16個(gè)小倉(cāng)庫(kù)組成的金屬艙體，X-Y平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，推料模塊采用氣缸驅(qū)動(dòng)，作為實(shí)驗(yàn)裝置，起到了輔助教學(xué)的作用。文獻(xiàn)[9]將原立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)模型控制器西門(mén)子S7-200升級(jí)為S7-1200PLC，設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由2排4列5層的貨架組成，通過(guò)確定貨位優(yōu)化模型與貨位優(yōu)化目標(biāo)，最終采用遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)貨位優(yōu)化管理。文獻(xiàn)[10]針對(duì)單層9個(gè)貨位的立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)裝置，以S7-200PLC為主控制器，以直流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)滾軸絲杠進(jìn)行X/Y/Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)人機(jī)界面的設(shè)定來(lái)達(dá)到較好的控制效果，出入庫(kù)操作能夠自動(dòng)進(jìn)行。文獻(xiàn)[11]介紹了一種基于現(xiàn)代企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理下的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，此類(lèi)平臺(tái)有微縮化的特點(diǎn)，且能夠組合，其設(shè)計(jì)為2排3層共24個(gè)貨位，控制系統(tǒng)采用S7-200PLC和MCGS觸摸屏，該實(shí)訓(xùn)裝置可根據(jù)學(xué)生自己的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)出不同的監(jiān)控畫(huà)面及優(yōu)化調(diào)度方案。文獻(xiàn)[12]開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)貨位一共有24個(gè)，貨架規(guī)格為2排3層4列，主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)CAN總線技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行研究，堆垛機(jī)控制采用以PIC18F458為核心芯片的單片機(jī)，并研究了基于遺傳禁忌混合算法的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一個(gè)單巷道立體倉(cāng)庫(kù)，分為5行7列和5行9列的前后兩排，設(shè)計(jì)B/S軟件架構(gòu)模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行操作，從而提高作業(yè)效率。文獻(xiàn)[14]中以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置為對(duì)象，采用SIMATIC S7-300PLC做為主控制器，設(shè)計(jì)了2排4層24倉(cāng)位庫(kù)體，在水平方向通過(guò)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，垂直方向通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)?shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行較為準(zhǔn)確的監(jiān)控和控制。文獻(xiàn)[15]中設(shè)計(jì)了一種基于RFID的立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)系裝置，使用三菱PLC (FX2N-48MT）作為主控制器，添加RS-232模塊保證主控制器與RFID之間正常串行通信，能夠更好地培訓(xùn)學(xué)生的綜合應(yīng)用技能。

綜上所述，上述自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等實(shí)訓(xùn)裝置主控制系統(tǒng)大部分采用PLC控制，上位機(jī)采用觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，堆垛機(jī)以X/Y/Z三軸為主，配以步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在物流及自動(dòng)化的機(jī)電一體化實(shí)踐教學(xué)中起到了積極作用，為學(xué)生提升自我知識(shí)水平提供了空間與實(shí)踐平臺(tái)。采購(gòu)或引進(jìn)的大部分倉(cāng)儲(chǔ)物流實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能齊全，設(shè)備完整，但一般成本較高，只停留在給學(xué)生展示的階段，開(kāi)放性差；一些小型的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，存在貨位數(shù)量小、功能單一，不利于物流優(yōu)化調(diào)度與貨位優(yōu)化算法的應(yīng)用、驗(yàn)證與分析等不足。

本文開(kāi)發(fā)的一種實(shí)用智能倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，主控制器使用西門(mén)子公司S7-1200系列的1214C PLC，采用威綸MT8102IE作為觸摸屏；取貨機(jī)機(jī)構(gòu)采用X/Y/Z三軸平臺(tái)，三臺(tái)2相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；立體倉(cāng)儲(chǔ)的貨架為10層6列60個(gè)貨格共180個(gè)貨位。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)除具有進(jìn)行常規(guī)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)功能外，還可進(jìn)行物流管理、物流調(diào)度、貨位優(yōu)化等算法的應(yīng)用、驗(yàn)證與分析。該裝置已通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)所需的功能，裝置硬件系統(tǒng)和軟件代碼是開(kāi)放的，從而為學(xué)生提供了技術(shù)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新實(shí)踐的空間。

本立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)物模型為單元貨格式的小型立體倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)尺寸為59cm×15cm×46cm。貨物類(lèi)型為各種阻值的電阻，以及各種電子元器件，例如電位器、三極管、電容和發(fā)光二極管等。自動(dòng)三維倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)模擬平臺(tái)通過(guò)鐵架固定在長(zhǎng)、寬、高分別為1.2m、0.6m和0.78m的專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)桌上，保證實(shí)訓(xùn)裝置有足夠的穩(wěn)定性。立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模型如圖1所示。

(1）控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分組成：實(shí)體自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的物理模型設(shè)計(jì)，取貨機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主控制器為西門(mén)子S7-1200系列1214C PLC，具有14路輸入、10路集電極開(kāi)路輸出，并集成2路模擬量輸入。PLC輸出單元主要負(fù)責(zé)控制取貨機(jī)的三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)推拉式電磁鐵，輸入單元負(fù)責(zé)檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)及相關(guān)按鈕，通訊單元負(fù)責(zé)與上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行通訊。上位機(jī)采用威綸觸摸屏MT8102IE，觸摸屏的功能是實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與組態(tài)。

圖1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)物模型   下載原圖

圖2 實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖   下載原圖

(2）立體貨架。貨架是用于存儲(chǔ)物品的固體倉(cāng)庫(kù)物理模型的貨架，它是實(shí)物模型中最基礎(chǔ)的設(shè)備。貨架層數(shù)越多，貨架每層的貨位數(shù)量越多，對(duì)貨架的穩(wěn)定性、抗拉強(qiáng)度要求也越高。本文立體倉(cāng)儲(chǔ)的貨架為10層6列60個(gè)貨格，貨格尺寸的長(zhǎng)、寬、高分別為13.1cm、7.5cm和3.5cm，每個(gè)貨格又分為3個(gè)貨位，故共有180個(gè)貨位。

(3）取貨機(jī)。取貨機(jī)的主要作用是在立體倉(cāng)庫(kù)的通道間運(yùn)行，取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到I/O口，或者將原本位于I/O口的庫(kù)存物品取出，再存入到貨格中。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的取貨機(jī)為單柱軌道直線型取貨機(jī)，由水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，垂直升降機(jī)構(gòu)，雙向伸展機(jī)構(gòu)，機(jī)架和機(jī)械保護(hù)裝置組成，X/Y/Z有效行程為700×500×150。因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)精度要求較高，所以三軸均采用滾珠絲杠傳動(dòng)。

(4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)。執(zhí)行部分通用的電機(jī)包括伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)電機(jī)控制將電信號(hào)變化為軸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，從而可以根據(jù)預(yù)定程序操作控制對(duì)象。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中選用兩相混合式42BYGH128步進(jìn)電機(jī)控制絲杠動(dòng)作。

(5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)電轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中選用的是AKS-320兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其主要功能如下：最大細(xì)分?jǐn)?shù)128，輸出電流和衰減分4步，在過(guò)熱情況下自動(dòng)保護(hù)，具備使能、脫機(jī)、鎖定功能與內(nèi)外部控制。

(6）接近開(kāi)關(guān)。接近開(kāi)關(guān)作為一種位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)被測(cè)物體與開(kāi)關(guān)之間的距離接近感應(yīng)表面測(cè)量精度時(shí)，就會(huì)通過(guò)電信號(hào)給PLC提供控制指令或驅(qū)動(dòng)直流電器。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中接近開(kāi)關(guān)的型號(hào)為L(zhǎng)J30A3-10-Z/AY，此接近開(kāi)關(guān)為電感式，共陰極三極管，測(cè)量距離為10mm。作用為系統(tǒng)坐標(biāo)軸原點(diǎn)，是取貨機(jī)運(yùn)動(dòng)的參照對(duì)象，并在每次完成存取貨任務(wù)后都會(huì)返回原點(diǎn)位置，接近開(kāi)關(guān)會(huì)檢測(cè)金屬材質(zhì)，并發(fā)送信號(hào)給PLC，使取貨機(jī)停止運(yùn)行。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的是取貨機(jī)，其水平運(yùn)動(dòng)、垂直升降和伸縮機(jī)構(gòu)的雙向控制順利完成需要PLC的控制，但在系統(tǒng)的自動(dòng)控制部分最關(guān)鍵的是平穩(wěn)的速度控制和精確的定位控制。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行分自動(dòng)和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的商品類(lèi)型，可以自動(dòng)找到最合適的位置來(lái)完成命令任務(wù)，任務(wù)完成后，它們將返回原始點(diǎn)并等待下一個(gè)命令；手動(dòng)模式下，可以點(diǎn)動(dòng)精確調(diào)整，操作員可以點(diǎn)擊上位機(jī)調(diào)試界面中的按鈕來(lái)控制行走、升降和伸縮等。取貨機(jī)在三軸上的動(dòng)作是獨(dú)立的，手動(dòng)模式需要確認(rèn)才會(huì)開(kāi)啟，手動(dòng)操作一般用于系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，例如失位，檢測(cè)裝置失靈等。

可編程控制器外部接線圖可將PLC的輸入輸出端與控制系統(tǒng)中的按鈕、指示燈等設(shè)備連接起來(lái)，以達(dá)到控制目的，本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中西門(mén)子1200PLC與威綸觸摸屏、14路檢測(cè)開(kāi)關(guān)和3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外部接線如圖3所示。

圖3 S7-1200PLC外部接線圖   下載原圖

在取貨機(jī)運(yùn)行之前，取貨機(jī)必須就位。也就是說(shuō)，必須執(zhí)行初始化操作，來(lái)使取貨機(jī)處于其原始位置，才能進(jìn)行貨位選擇。貨位選擇后，先由水平與垂直機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，定位完成后再由雙向伸縮機(jī)構(gòu)通過(guò)磁力將貨位拉出；任務(wù)完成后將貨位歸位，水平與垂直機(jī)構(gòu)返回原點(diǎn)，等待下一次貨位選擇。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選擇的組態(tài)軟件為Utility Manager，這款組態(tài)軟件可集成多種自動(dòng)化設(shè)備，功能齊全，特點(diǎn)完善。此軟件可通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)線的需要進(jìn)行屏幕的搭建與調(diào)試，監(jiān)控主屏幕，錯(cuò)誤警報(bào)，參數(shù)設(shè)置屏幕，實(shí)時(shí)記錄曲線和報(bào)告。在屏幕上可詳細(xì)觀察系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的工作狀態(tài)，系統(tǒng)有以下幾種功能：（1）對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)部中各部分工作狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，可實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。（2）通過(guò)授予權(quán)限，可以通過(guò)控制下位機(jī)的所有操作來(lái)控制設(shè)備，例如系統(tǒng)調(diào)試屏幕和參數(shù)設(shè)置屏幕。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需要檢修，可以進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試界面來(lái)操作系統(tǒng)。（3）錯(cuò)誤報(bào)警狀態(tài)和報(bào)警記錄。

采用以太網(wǎng)進(jìn)行觸摸屏與主控系統(tǒng)的通訊，易于實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)二者通訊，設(shè)備必須連接，需要設(shè)備屬性配置，寫(xiě)入設(shè)備類(lèi)型為Siemens S7-1200，設(shè)置IP地址為192.168.1.100，設(shè)置端口號(hào)為102。除此之外，在TIA Portal V14中需允許遠(yuǎn)程伙伴使用PUT/GET通信訪問(wèn)，才能使設(shè)備成功連接。其中人機(jī)界面選擇為威綸觸摸屏，型號(hào)為MT8102IE。

要在項(xiàng)目建立后監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)的操作并控制倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，就需要將TIA Portal V14中定義的變量導(dǎo)入到繪制的屏幕中。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中點(diǎn)擊導(dǎo)入標(biāo)簽，將TIA Portal V14中導(dǎo)出的PLC變量文件放入，點(diǎn)擊導(dǎo)入，變量即成功引用，在人機(jī)界面中可以進(jìn)行調(diào)用。

根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制要求，設(shè)計(jì)了電機(jī)啟動(dòng)控制界面、手動(dòng)調(diào)試界面、選定貨物界面等。

(1）登陸界面。系統(tǒng)登錄就是設(shè)計(jì)一個(gè)歡迎界面，可以顯示時(shí)間，說(shuō)明該系統(tǒng)的作用，點(diǎn)擊后方能進(jìn)入系統(tǒng)畫(huà)面。

(2）選定貨物界面。選定貨物界面主要是按照貨位優(yōu)化研究中貨物的種類(lèi)來(lái)設(shè)計(jì)的。其中包括多種類(lèi)的電子元器件，例如電容、電阻、電位器、三極管等，如圖5所示。在每一類(lèi)別的子屏上進(jìn)行分類(lèi)，分開(kāi)擺放，如圖6所示。按下按鈕后，取貨機(jī)將會(huì)向拉出此貨位的方向運(yùn)動(dòng)，直至拉出。此外在每個(gè)子屏上都有對(duì)應(yīng)回原點(diǎn)的按鈕，以使系統(tǒng)快速進(jìn)行下一次工作。

取貨機(jī)在等待工作狀態(tài)時(shí)在原點(diǎn)待命，當(dāng)收到取貨指令時(shí)，取貨機(jī)水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)與垂直升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始向?qū)?yīng)貨位方向運(yùn)動(dòng)。在取貨機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置后，電磁鐵得電，雙向伸展機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將根據(jù)取貨要求將元器件盒拉出相應(yīng)的盒位，取貨機(jī)將元器件盒拉出至第三盒位如圖7所示。

隨著自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的普遍采用，國(guó)內(nèi)的中小企業(yè)已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到配送中心縮短響應(yīng)時(shí)間和降低倉(cāng)儲(chǔ)成本是提高物流服務(wù)水平的關(guān)鍵，因此貨位優(yōu)化是不容忽視的重點(diǎn)之一。貨位優(yōu)化是用作規(guī)定每一個(gè)貨物的合適的儲(chǔ)藏方法，在合適的儲(chǔ)藏方法下儲(chǔ)存位置的設(shè)置。在貨位優(yōu)化問(wèn)題解決的過(guò)程中，除了遺傳算法外，常見(jiàn)的還包括粒子群算法、蟻群算法、窮舉法，除此之外還有嵌套分區(qū)算法、入侵雜草算法、植物繁殖算法等[16,17]。本文以上面設(shè)計(jì)的智能倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為應(yīng)用對(duì)象，采用遺傳算法進(jìn)行貨位優(yōu)化應(yīng)用分析[18]。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的單排貨架取9層6列，總共54個(gè)貨位，不同貨位長(zhǎng)度是90mm，高度是40mm。使用取貨機(jī)，設(shè)施在水平方向上的移動(dòng)速度是20mm/s，垂直移動(dòng)速度是10mm/s。假如不考慮設(shè)施的加速、減速時(shí)間，不考慮設(shè)施的開(kāi)啟以及制動(dòng)時(shí)間，僅把從第j層第i列轉(zhuǎn)移到I/O口花費(fèi)的時(shí)間由短到長(zhǎng)進(jìn)行貨位編號(hào)，得到編號(hào)如表1所示，設(shè)I/O臺(tái)位于左下角。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模型兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)條件分別為取貨機(jī)運(yùn)行時(shí)間和貨品的周轉(zhuǎn)率乘積之和最小與每個(gè)貨品的質(zhì)量與其所在層的乘積之和最小，再通過(guò)權(quán)重系數(shù)法將其合并，轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化前先進(jìn)行初始分配，假設(shè)貨架滿貨，給貨品隨機(jī)賦給一個(gè)貨位，優(yōu)化前貨物分布狀態(tài)如圖8所示。I/O臺(tái)位于左上角，貨架的層和列分別代表矩陣的縱向與橫向。

在求解過(guò)程中運(yùn)用遺傳算法，運(yùn)算過(guò)程需依次經(jīng)過(guò)三個(gè)操作。選擇操作用fitness表示適應(yīng)度，交叉操作求解采用單點(diǎn)交叉，設(shè)定其可能性為0.7。確定0.01是概率，完成求解。將原始數(shù)據(jù)代入MATLAB中進(jìn)行仿真計(jì)算為得到更接近最優(yōu)解的數(shù)據(jù)，對(duì)其迭代60次，得出優(yōu)化后貨物分布狀態(tài)，如圖9所示。

圖5 貨物類(lèi)別界面   下載原圖

圖6 選定貨物界面   下載原圖

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖   下載原圖

圖7 取貨機(jī)將元器件盒拉出至第三盒位   下載原圖

表1 貨架貨位編號(hào)     下載原表

圖8 優(yōu)化前貨位分布狀態(tài)   下載原圖

圖9 遺傳算法優(yōu)化后貨物分布狀態(tài)   下載原圖

經(jīng)優(yōu)化后，貨物與貨位的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生調(diào)整，此時(shí)貨物的周轉(zhuǎn)率分布發(fā)生調(diào)整，周轉(zhuǎn)率大的貨物普遍靠近I/O臺(tái)，貨物的重量分布狀態(tài)發(fā)生調(diào)整，重量較大的貨物普遍存放于低層貨位。

取周轉(zhuǎn)率較高、質(zhì)量較大的貨物進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果正確性，本文中取貨品編號(hào)為4,6,9,10,13的貨物進(jìn)行驗(yàn)證。將選擇的貨位通過(guò)取貨機(jī)實(shí)際運(yùn)行，用秒表得出實(shí)際用時(shí)，與優(yōu)化后理論用時(shí)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 貨位優(yōu)化理論分析與實(shí)際操作時(shí)間對(duì)比表     下載原表

可看出優(yōu)化后所用時(shí)間遠(yuǎn)小于優(yōu)化前所用時(shí)間，理論操作時(shí)間與實(shí)際操作時(shí)間并無(wú)太大區(qū)別，所以理論分析正確。在實(shí)際貨位優(yōu)化應(yīng)用中根據(jù)目標(biāo)要求設(shè)定不一樣的權(quán)重，以使優(yōu)化效果更符合現(xiàn)場(chǎng)需要，因?yàn)檫x取不同的權(quán)重系數(shù)，得到的優(yōu)化效果也不同。

針對(duì)實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中的貨位優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的智能倉(cāng)儲(chǔ)物流實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)除具有進(jìn)行常規(guī)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)功能外，還可進(jìn)行物流管理、物流調(diào)度、貨位優(yōu)化等算法的應(yīng)用、驗(yàn)證與分析。通過(guò)采用遺傳算法進(jìn)行貨位優(yōu)化應(yīng)用分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)用性和貨位優(yōu)化算法驗(yàn)證的可行性，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決貨位優(yōu)化等問(wèn)題提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。