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智能倉儲是在不直接進行人工參與的情況下，能夠全自動進行存儲和提取物料[1]。智能倉儲實訓系統(tǒng)以教學為主要目的，實驗對象是倉儲物流系統(tǒng)，綜合運用各項知識，例如電機驅動控制技術、PLC編程技術、上位機監(jiān)控組態(tài)技術、貨位優(yōu)化、機械設計等先進技術，且涉及自動化、計算機、通信、機器人、傳動與監(jiān)控、模式識別等諸多先進技術領域。它可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化運行，使學生從控制、傳動、檢測等各個方面對機電系統(tǒng)有一個全面的了解[2]。而相對較為專業(yè)的實訓環(huán)節(jié)可以提高學生的實踐能力，是學生提高綜合能力的重要環(huán)節(jié)，是學生掌握相關技能，走向社會的重要路徑[3,4,5]。

目前，國內許多高校已經(jīng)自主設計了智能倉儲實訓平臺。文獻[1]設計的智能倉儲系統(tǒng)采用的是自動化立體倉庫，雙排組合貨架共72個貨位，堆垛機X、Z軸由伺服電機驅動，并配備額定載荷為30kg的AGV小車進行貨物搬運，可實現(xiàn)生產過程管理自動化。文獻[2]設計了一種基于三菱PLC控制步進電機傳動的實訓系統(tǒng)，實訓系統(tǒng)具備一個獨立的立體式倉庫，分為左右兩個垂直布置，其中庫位有6個，通過氣缸驅動下料，系統(tǒng)呈模塊化，方便拆分與組裝，學生可以以此為基礎進行研究，或擴展系統(tǒng)功能。文獻[6]設計的物流自動化實驗教學平臺，貨架規(guī)格為1排5層6列，共計30個貨位，PLC控制采用西門子公司S7系列，以此為中心添加自動分揀生產線、專用起重機、條碼和射頻識別系統(tǒng)，監(jiān)控組態(tài)軟件采用西門子公司的SIMATIC Win CC 6.0，以培養(yǎng)學生的實踐動手能力。文獻[7]基于實際生產進行開發(fā)，以此設計了一種智能倉儲實訓平臺，立體貨架設計巷道數(shù)1個，9個貨位。碼垛機X、Z和Y三軸分別采用2臺步進電機和一臺直流電機，主控制器采用S7-300PLC，上位機采用威綸觸摸屏和Wincc組態(tài)，設計的實訓系統(tǒng)達到了實踐教學的目的和要求。文獻[8]基于西門子S7-200PLC及MCGS觸摸屏構建了自動化生產線立體倉庫實訓控制系統(tǒng)，立體倉庫模塊實際上是一個“4×4”共16個小倉庫組成的金屬艙體，X-Y平面內的運動系統(tǒng)采用兩臺步進電機驅動，推料模塊采用氣缸驅動，作為實驗裝置，起到了輔助教學的作用。文獻[9]將原立體倉庫實訓模型控制器西門子S7-200升級為S7-1200PLC，設計的立體倉庫實訓平臺由2排4列5層的貨架組成，通過確定貨位優(yōu)化模型與貨位優(yōu)化目標，最終采用遺傳算法來實現(xiàn)貨位優(yōu)化管理。文獻[10]針對單層9個貨位的立體倉庫實訓裝置，以S7-200PLC為主控制器，以直流電機來帶動滾軸絲杠進行X/Y/Z三個方向的運動，通過人機界面的設定來達到較好的控制效果，出入庫操作能夠自動進行。文獻[11]介紹了一種基于現(xiàn)代企業(yè)經(jīng)營管理下的實訓平臺，此類平臺有微縮化的特點，且能夠組合，其設計為2排3層共24個貨位，控制系統(tǒng)采用S7-200PLC和MCGS觸摸屏，該實訓裝置可根據(jù)學生自己的設計思路設計出不同的監(jiān)控畫面及優(yōu)化調度方案。文獻[12]開發(fā)的試驗平臺貨位一共有24個，貨架規(guī)格為2排3層4列，主控系統(tǒng)設計通過CAN總線技術、嵌入式技術以及無線通信技術進行研究，堆垛機控制采用以PIC18F458為核心芯片的單片機，并研究了基于遺傳禁忌混合算法的優(yōu)化調度問題。文獻[13]中設計開發(fā)的實訓平臺是一個單巷道立體倉庫，分為5行7列和5行9列的前后兩排，設計B/S軟件架構模式，通過計算機管理系統(tǒng)對自動化立體倉庫進行操作，從而提高作業(yè)效率。文獻[14]中以自動化立體倉庫教學實驗裝置為對象，采用SIMATIC S7-300PLC做為主控制器，設計了2排4層24倉位庫體，在水平方向通過直流電機進行驅動，垂直方向通過步進電機進行驅動，設計的實訓系統(tǒng)能夠對實訓裝置進行較為準確的監(jiān)控和控制。文獻[15]中設計了一種基于RFID的立體倉庫實訓系裝置，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，能夠更好地培訓學生的綜合應用技能。

綜上所述，上述自動化立體倉庫等實訓裝置主控制系統(tǒng)大部分采用PLC控制，上位機采用觸摸屏進行組態(tài)，堆垛機以X/Y/Z三軸為主，配以步進電機或直流電機進行驅動，在物流及自動化的機電一體化實踐教學中起到了積極作用，為學生提升自我知識水平提供了空間與實踐平臺。采購或引進的大部分倉儲物流實訓系統(tǒng)功能齊全，設備完整，但一般成本較高，只停留在給學生展示的階段，開放性差；一些小型的實訓系統(tǒng)，存在貨位數(shù)量小、功能單一，不利于物流優(yōu)化調度與貨位優(yōu)化算法的應用、驗證與分析等不足。

本文開發(fā)的一種實用智能倉儲實訓系統(tǒng)，主控制器使用西門子公司S7-1200系列的1214C PLC，采用威綸MT8102IE作為觸摸屏；取貨機機構采用X/Y/Z三軸平臺，三臺2相步進電機驅動；立體倉儲的貨架為10層6列60個貨格共180個貨位。該實訓系統(tǒng)除具有進行常規(guī)的自動化立體倉庫實訓功能外，還可進行物流管理、物流調度、貨位優(yōu)化等算法的應用、驗證與分析。該裝置已通過實驗調試，實現(xiàn)了設計所需的功能，裝置硬件系統(tǒng)和軟件代碼是開放的，從而為學生提供了技術開發(fā)和創(chuàng)新實踐的空間。

本立體倉庫實物模型為單元貨格式的小型立體倉庫，倉庫尺寸為59cm×15cm×46cm。貨物類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。自動三維倉庫實訓模擬平臺通過鐵架固定在長、寬、高分別為1.2m、0.6m和0.78m的專用實驗桌上，保證實訓裝置有足夠的穩(wěn)定性。立體倉庫實訓系統(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：實體自動倉庫的物理模型設計，取貨機的控制系統(tǒng)設計，以及監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計，實訓控制系統(tǒng)結構圖如圖2所示。主控制器為西門子S7-1200系列1214C PLC，具有14路輸入、10路集電極開路輸出，并集成2路模擬量輸入。PLC輸出單元主要負責控制取貨機的三臺步進電機和一個推拉式電磁鐵，輸入單元負責檢測限位開關及相關按鈕，通訊單元負責與上位機觸摸屏進行通訊。上位機采用威綸觸摸屏MT8102IE，觸摸屏的功能是實現(xiàn)智能倉儲系統(tǒng)的實時監(jiān)控與組態(tài)。

圖1 實訓系統(tǒng)實物模型   下載原圖

圖2 實訓控制系統(tǒng)結構圖   下載原圖

(2）立體貨架。貨架是用于存儲物品的固體倉庫物理模型的貨架，它是實物模型中最基礎的設備。貨架層數(shù)越多，貨架每層的貨位數(shù)量越多，對貨架的穩(wěn)定性、抗拉強度要求也越高。本文立體倉儲的貨架為10層6列60個貨格，貨格尺寸的長、寬、高分別為13.1cm、7.5cm和3.5cm，每個貨格又分為3個貨位，故共有180個貨位。

(3）取貨機。取貨機的主要作用是在立體倉庫的通道間運行，取出貨格內的貨物運送到I/O口，或者將原本位于I/O口的庫存物品取出，再存入到貨格中。本系統(tǒng)設計的取貨機為單柱軌道直線型取貨機，由水平移動機構，垂直升降機構，雙向伸展機構，機架和機械保護裝置組成，X/Y/Z有效行程為700×500×150。因為移動機構對精度要求較高，所以三軸均采用滾珠絲杠傳動。

(4）驅動電機。執(zhí)行部分通用的電機包括伺服電機和步進電機。通過電機控制將電信號變化為軸信號，實現(xiàn)機電轉換，從而可以根據(jù)預定程序操作控制對象。本實訓系統(tǒng)中選用兩相混合式42BYGH128步進電機控制絲杠動作。

(5）步進電機驅動器。步進電機驅動器作為執(zhí)行機構，是機電轉換的執(zhí)行元件。本實訓系統(tǒng)中選用的是AKS-320兩相電機驅動器，其主要功能如下：最大細分數(shù)128，輸出電流和衰減分4步，在過熱情況下自動保護，具備使能、脫機、鎖定功能與內外部控制。

(6）接近開關。接近開關作為一種位置開關，當被測物體與開關之間的距離接近感應表面測量精度時，就會通過電信號給PLC提供控制指令或驅動直流電器。本實訓系統(tǒng)中接近開關的型號為LJ30A3-10-Z/AY，此接近開關為電感式，共陰極三極管，測量距離為10mm。作用為系統(tǒng)坐標軸原點，是取貨機運動的參照對象，并在每次完成存取貨任務后都會返回原點位置，接近開關會檢測金屬材質，并發(fā)送信號給PLC，使取貨機停止運行。

自動化立體倉庫中最重要的是取貨機，其水平運動、垂直升降和伸縮機構的雙向控制順利完成需要PLC的控制，但在系統(tǒng)的自動控制部分最關鍵的是平穩(wěn)的速度控制和精確的定位控制。實訓系統(tǒng)運行分自動和手動模式。自動模式下，根據(jù)上位機發(fā)出的商品類型，可以自動找到最合適的位置來完成命令任務，任務完成后，它們將返回原始點并等待下一個命令；手動模式下，可以點動精確調整，操作員可以點擊上位機調試界面中的按鈕來控制行走、升降和伸縮等。取貨機在三軸上的動作是獨立的，手動模式需要確認才會開啟，手動操作一般用于系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如失位，檢測裝置失靈等。

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、指示燈等設備連接起來，以達到控制目的，本實訓系統(tǒng)中西門子1200PLC與威綸觸摸屏、14路檢測開關和3臺步進電機驅動器的外部接線如圖3所示。

圖3 S7-1200PLC外部接線圖   下載原圖

在取貨機運行之前，取貨機必須就位。也就是說，必須執(zhí)行初始化操作，來使取貨機處于其原始位置，才能進行貨位選擇。貨位選擇后，先由水平與垂直機構進行工作，定位完成后再由雙向伸縮機構通過磁力將貨位拉出；任務完成后將貨位歸位，水平與垂直機構返回原點，等待下一次貨位選擇。程序設計流程圖如圖4所示。

本實訓系統(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化設備，功能齊全，特點完善。此軟件可通過實際生產線的需要進行屏幕的搭建與調試，監(jiān)控主屏幕，錯誤警報，參數(shù)設置屏幕，實時記錄曲線和報告。在屏幕上可詳細觀察系統(tǒng)內部各模塊的工作狀態(tài)，系統(tǒng)有以下幾種功能：（1）對實訓平臺內部中各部分工作狀態(tài)進行觀測，可實時查看系統(tǒng)是否運行正常。（2）通過授予權限，可以通過控制下位機的所有操作來控制設備，例如系統(tǒng)調試屏幕和參數(shù)設置屏幕。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需要檢修，可以進入系統(tǒng)調試界面來操作系統(tǒng)。（3）錯誤報警狀態(tài)和報警記錄。

采用以太網(wǎng)進行觸摸屏與主控系統(tǒng)的通訊，易于實現(xiàn)。要實現(xiàn)二者通訊，設備必須連接，需要設備屬性配置，寫入設備類型為Siemens S7-1200，設置IP地址為192.168.1.100，設置端口號為102。除此之外，在TIA Portal V14中需允許遠程伙伴使用PUT/GET通信訪問，才能使設備成功連接。其中人機界面選擇為威綸觸摸屏，型號為MT8102IE。

要在項目建立后監(jiān)控倉庫的操作并控制倉儲系統(tǒng)，就需要將TIA Portal V14中定義的變量導入到繪制的屏幕中。在系統(tǒng)參數(shù)設置中點擊導入標簽，將TIA Portal V14中導出的PLC變量文件放入，點擊導入，變量即成功引用，在人機界面中可以進行調用。

根據(jù)自動化立體倉庫的控制要求，設計了電機啟動控制界面、手動調試界面、選定貨物界面等。

(1）登陸界面。系統(tǒng)登錄就是設計一個歡迎界面，可以顯示時間，說明該系統(tǒng)的作用，點擊后方能進入系統(tǒng)畫面。

(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來設計的。其中包括多種類的電子元器件，例如電容、電阻、電位器、三極管等，如圖5所示。在每一類別的子屏上進行分類，分開擺放，如圖6所示。按下按鈕后，取貨機將會向拉出此貨位的方向運動，直至拉出。此外在每個子屏上都有對應回原點的按鈕，以使系統(tǒng)快速進行下一次工作。

取貨機在等待工作狀態(tài)時在原點待命，當收到取貨指令時，取貨機水平移動機構與垂直升降機構開始向對應貨位方向運動。在取貨機運動到指定位置后，電磁鐵得電，雙向伸展機構運動，將根據(jù)取貨要求將元器件盒拉出相應的盒位，取貨機將元器件盒拉出至第三盒位如圖7所示。

隨著自動化立體倉庫的普遍采用，國內的中小企業(yè)已經(jīng)逐漸認識到配送中心縮短響應時間和降低倉儲成本是提高物流服務水平的關鍵，因此貨位優(yōu)化是不容忽視的重點之一。貨位優(yōu)化是用作規(guī)定每一個貨物的合適的儲藏方法，在合適的儲藏方法下儲存位置的設置。在貨位優(yōu)化問題解決的過程中，除了遺傳算法外，常見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]。本文以上面設計的智能倉儲實訓平臺為應用對象，采用遺傳算法進行貨位優(yōu)化應用分析[18]。

實訓系統(tǒng)的單排貨架取9層6列，總共54個貨位，不同貨位長度是90mm，高度是40mm。使用取貨機，設施在水平方向上的移動速度是20mm/s，垂直移動速度是10mm/s。假如不考慮設施的加速、減速時間，不考慮設施的開啟以及制動時間，僅把從第j層第i列轉移到I/O口花費的時間由短到長進行貨位編號，得到編號如表1所示，設I/O臺位于左下角。

實訓系統(tǒng)模型兩個優(yōu)化目標條件分別為取貨機運行時間和貨品的周轉率乘積之和最小與每個貨品的質量與其所在層的乘積之和最小，再通過權重系數(shù)法將其合并，轉換成單目標函數(shù)。優(yōu)化前先進行初始分配，假設貨架滿貨，給貨品隨機賦給一個貨位，優(yōu)化前貨物分布狀態(tài)如圖8所示。I/O臺位于左上角，貨架的層和列分別代表矩陣的縱向與橫向。

在求解過程中運用遺傳算法，運算過程需依次經(jīng)過三個操作。選擇操作用fitness表示適應度，交叉操作求解采用單點交叉，設定其可能性為0.7。確定0.01是概率，完成求解。將原始數(shù)據(jù)代入MATLAB中進行仿真計算為得到更接近最優(yōu)解的數(shù)據(jù)，對其迭代60次，得出優(yōu)化后貨物分布狀態(tài)，如圖9所示。

圖5 貨物類別界面   下載原圖

圖6 選定貨物界面   下載原圖

圖4 程序設計流程圖   下載原圖

圖7 取貨機將元器件盒拉出至第三盒位   下載原圖

表1 貨架貨位編號     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，貨物與貨位的對應關系發(fā)生調整，此時貨物的周轉率分布發(fā)生調整，周轉率大的貨物普遍靠近I/O臺，貨物的重量分布狀態(tài)發(fā)生調整，重量較大的貨物普遍存放于低層貨位。

取周轉率較高、質量較大的貨物進行實際驗證，檢驗優(yōu)化結果正確性，本文中取貨品編號為4,6,9,10,13的貨物進行驗證。將選擇的貨位通過取貨機實際運行，用秒表得出實際用時，與優(yōu)化后理論用時進行對比，如表2所示。

表2 貨位優(yōu)化理論分析與實際操作時間對比表     下載原表

可看出優(yōu)化后所用時間遠小于優(yōu)化前所用時間，理論操作時間與實際操作時間并無太大區(qū)別，所以理論分析正確。在實際貨位優(yōu)化應用中根據(jù)目標要求設定不一樣的權重，以使優(yōu)化效果更符合現(xiàn)場需要，因為選取不同的權重系數(shù)，得到的優(yōu)化效果也不同。

針對實際倉儲物流系統(tǒng)中的貨位優(yōu)化問題，結合實踐教學需求，設計了一種實用的智能倉儲物流實訓系統(tǒng)。該實訓系統(tǒng)除具有進行常規(guī)的自動化立體倉庫實訓功能外，還可進行物流管理、物流調度、貨位優(yōu)化等算法的應用、驗證與分析。通過采用遺傳算法進行貨位優(yōu)化應用分析，驗證了所設計實訓系統(tǒng)的實用性和貨位優(yōu)化算法驗證的可行性，為培養(yǎng)學生的實踐能力和解決貨位優(yōu)化等問題提供了良好的實踐平臺。