物流自动化实验教学平台研究与设计

2013-05-03吴计生王红卫朱卫锋

实验技术与管理 2013年5期

吴计生，王红卫，朱卫锋

（华中科技大学系统工程研究所，湖北武汉 430074）

本文中以华中科技大学物流自动化实验室（以下简称物流实验室）为依托，详细分析了我国物流自动化实验教学平台建设现状，提出了物流自动化实验教学平台的设计思想，探讨了实验设计方法，对物流工程专业实践教学体系建设具有重要借鉴意义。

1 物流自动化是物流工程学科的一个主要研究方向

物流工程是一门跨专业的学科，随着物流自动化技术的发展，物流所涉及到的技术领域主要包括检测与自动化、计算机和工业网络、条形码和电子标签、图像处理，以及自动仓储和分拣技术。高校所开设的物流工程类专业，在学科交叉方面有很高的要求。物流自动化实验教学平台的设计理念在于向学生介绍典型物流系统的组成与原理、先进的物流技术与装备、普及物流自动化知识以及相关交叉学科知识，同时也为相关物流工程技术人员提供了参考。

物流自动化是物流工程学科的一个重要研究方向，是物流工程专业的核心教学内容。物流自动化实验教学平台是学习和实践物流自动化知识的重要依托，对于培养学生的实践动手能力具有重要作用。物流自动化实验教学平台是工业现场中所用到的物料仓储、分拣、搬运和输送系统的浓缩，它集成了现代物流工业中普遍应用的各种检测技术，如一维条码、二维条码识别，RFID电子标签识别、图像识别（包括颜色、尺寸和形状识别）等［1］。物流自动化实验教学平台建设的核心内容是确定物流自动化实验系统的构成和实验内容，主要考虑到投资额、操作性、设计性和开放性等因素。

2 我国物流自动化实验教学平台建设现状分析

目前，我国建立物流实验室的高校不在少数，开展物流自动化实验教学的方式也不尽相同，或是以实际建立的物流系统为基础的实验，或是基于综合性物流模拟软件系统的实验，二者本质都体现了物流自动化教学系统需要体现的系统化、集成化、自动化、智能化、网络化和信息化的特点。下面通过对国内几家典型的高校物流实验室的介绍来阐述物流自动化实验教学平台建设的研究现状。

2.1 清华大学工业工程系物流实验室

清华大学工业工程系物流实验室2004年建成，主要硬件设备有自动化立体仓库、电子标签分拣中心、自动化生产流水线、RFID等，主要软件有仓储管理系统、分拣作业管理系统、自动化立体仓库管理系统、制造执行系统等管理软件。该实验室能够模拟现代生产型企业产品的生产、存储、运输和销售过程的一般情况。

物流系统实验室主要用于培养学生运用所学运筹学知识和一系列建模仿真手段对复杂的物流系统进行设施规划、设计、过程优化以及流程管理的实际能力。

2.2 山东大学物流自动化技术与装备研究所

山东大学1988年始开展物流技术研发与应用，1991年建成国内第一个自动化配送中心，1999年成立现代物流研究中心，成为国内高校中第一个物流工程中心。中心下设的物流自动化技术与装备研究所，是一个集物流技术、管理技术、自动化技术与一体的集成化物流系统，它集存储、输送、分发、管理以及自动化搬运等功能于一体，并采用高层立体货架结构，具备存储容量大、占地面积小的优点。其实践教学体系的主导思想是：物流管理专业是实践性和操作性很强的专业，应设计、建立实践型教学体系，通过实践性教学使理论与实际相结合，旨在提高学生的动手能力，培养学生的综合能力，为将来从事相关方面的工作打好基础。

2.3 华中科技大学物流自动化实验室

2006年，华中科技大学控制科学与工程系建立物流自动化实验室。该系统主要包括立体仓库自动存储系统、自动分拣系统、条码识别、电子标签识别、图像识别和监控系统。自动识别技术的应用，能很好地实现物流自动化过程，从而实现物流与信息流的同步流动。监控系统是自动化立体仓库的软件控制系统，它连接现场数据采集模块和上层管理系统，能很好地展现现场数据的采集和分析过程。该系统的建立，旨在为学生和各教学单位提供一个先进的、较为完善的物流工程实践教学平台。2009年，实验室投资50万元，建立了AGV搬运系统，实现了自动分拣装置和自动搬运装置的有效对接。

华中科技大学实验物流系统充分体现了物料仓储、分拣、出入库、自动搬运和识别的一体化过程，这也是该实验室的主要特点。

3 物流自动化实验教学平台的设计思想

物流自动化实验教学平台建设应以自动化立体仓库系统为核心内容开展。自动化立体仓库系统（AS/RS，Automatic Storage ＆ Retrieval System）是一种用高层立体货架（托盘系统）存储物资、利用计算机系统进行控制管理、使用自动控制堆垛机进行存取作业的仓库系统。自动化立体仓库不仅仅是一般意义上的仓库，它还担负着物资的接收、分类等多种功能［2］，它一般由货物储存系统、货物存取系统、货物输送系统、控制和管理系统4个部分组成［3］。

在平台建设过程中，需要从投资额、操作性、设计性和开放性等因素综合考虑系统组成和实验内容。

3.1 投资额

自动化立体仓库是一项复杂的系统工程，其涉及的专业学科种类繁多，并且受到仓库系统运行稳定性和仓库自动化、信息化程度要求高等方面因素的影响，导致自动化立体仓库的投资费用巨大，一般企业也难以承受。作为以自动化立体仓库为核心的物流自动化实验教学平台的建设，应该以“精简投资费用、运用必要设备、保留主要功能”为原则，贯穿“投资最小化，功能全面化”的思想。

3.2 操作性

实验教学平台应该能够让学生自主选择项目进行实验，包括和物流自动化理论教学有关的实验，以及综合、设计、开发性实验等。可操作性是衡量物流自动化实验教学平台优缺性的重要指标之一。

3.3 设计性

平台的设计目的在于2点：一方面是能够演示自动化立体仓库的运行情况；另一方面是能够基于所建设的自动化立体仓库进行更深入研究，如库存策略优化、货位分配优化、分拣效率分析等研究。将研究最终结果通过计算机管理系统运用到仓库运作当中，实现更高一级的仓储管理模式。

3.4 开放性

物流自动化实验教学平台在于培养学生创新精神和工程实践能力，也是物流专业教师教学和科研活动的主要场所。实验教学平台的开放性建设，应该有效利用实验室现有资源、提高仪器设备使用率，同时这也是教育教学改革的重要内容。

3.5 建设步骤

自动化立体仓库的建设成功与否不由投资额的多少决定，还需要综合考虑建设的意义所在，建设成功后对物流工程学科建设所起到的作用，对物流工程专业实践教学所能产生的影响。学校建设物流自动化实验室，应首先对上面的因素进行可行性方案论证，再决定投资的规模，最后选择合适的场地进行施工建设。

4 华中科技大学物流自动化实验教学平台设计

按照上述思路，我们于2006年构建了华中科技大学物流自动化实验教学平台，并应用到2004级至2008级学生的培养当中，取得了很好的应用效果。平台投资170多万元，主要包括自动化立体仓库系统、自动分拣系统和AGV系统。

4.1 系统组成

为了节省投资，物流自动化实验教学平台使用单排货架模拟自动化立体仓库，配置小型堆垛机、环形分拣线以及条码和RFID识别系统，并开发相应的控制系统共同组建而成。

4.1.1 自动化立体仓库系统

物流实验室的整体布局如图1所示，其中立体仓库由货架和小型堆垛机组成，它们的作用分别是进行货物（托盘）存取。托盘式货架的一般结构如图2所示。

图1 物流自动化实验室整体布局

图2 单列托盘式货架（部分）

货架有1排5层6列，共计30个货位。堆垛机利用天轨形式悬吊于货架最上端，运行轨迹与货架平面平行。载货台位于堆垛机立柱上，货叉固定在载货台上。堆垛机由入库口（RKT）接收由分拣线输送来的货物并存入货架，将从货架上取出的货物经由出库口（CKT）输送进入分拣线。

4.1.2 自动分拣系统

自动分拣系统的作用主要是货物运输，将堆垛机从货架上取出来的货物运送到指定的分拣台（出库点）。在图1中，该系统由2条直辊道、2条180°弯辊道、6个分选台F1—F6、8个移行机Y1－Y8和出库口（CKT）、入库口（RKT）组成，主要用于货物的传送；移行机位于直辊道下，在有货状态下会上升高出直辊道，其作用是将运行于环形线上的托盘转移到出入库口和分选台上。

4.1.3 AGV系统

实验室配备的2台光学导引AGV小车，能够与分拣系统适时连接，可分别在1—6号分拣口接货，从分拣线上出库的货物到达分拣口后直接由AGV小车搬运至固定货物存放区存放。另外，2台AGV的联合调度作业使得多托盘出库变得很方便。为保障AGV运行过程中的准确性和安全性，系统还集成了碰撞检测、超声避障、无线网络定位、图像识别以及安全报警等功能。

4.1.4 控制系统结构图

立体仓库系统和自动分拣系统均采用西门子S7系列PLC控制，并使用SIMATIC WinCC 6.0作为监控组态软件。PLC型号315－2DP，通过本身自带的PROFIBUS－DP接口即可实现堆垛机系统、输送线系统、条码识别系统和RFID识别系统之间的通讯。利用现场总线技术的好处是可进行分布式控制系统布置，利用网络收集现场各种输入信号来自动进行伺服定位和变频调速等功能［4］。其网络拓扑结构如图3所示。

图3 系统控制结构图

4.2 实验设计

实验室的建设目的是为了培养学生的实践综合能力和自主创新能力［5］，合理的实验结构设计是至关重要的。首先，应该从感性认识上提升学生对物流自动化系统的理解，包括了解系统的结构、运作方式与流程以及如何进行操作。让学生动手进行实际操作是在理论基础上的实践教学，在此过程中会产生创意性的思维活动［6］。应让学生掌握自动化监控系统运行机制，并在原有软件基础上开发自己需要的软件，再延伸到货物存储和拣选的最优化路径分析［7］与建模等物流系统设计。物流自动化实验教学平台的实验内容包括自动化立体仓库操作实验、监控系统设计实验和物流系统分析3个方面，由点及面，从操作到设计，大有益于工程类学生的培养。

4.2.1 自动化立体仓库操作

自动化立体仓库操作实验的目的在于介绍立体仓库的构成及运行原理，使学生了解自动化立体仓库系统的关键技术，掌握仓储系统的物流过程。AGV系统操作包含在立体仓库操作实验当中。监控系统提供了操作自动化立体仓库的所有功能模型。利用监控系统向堆垛机发送指令，堆垛机会根据所发指令进行出入库、盘库、货位调整等作业，并将作业结果返回给监控系统。学生记录操作过程、设备的运行状况和故障状况，以及设备运行数据如堆垛机的水平和垂直运行速度、搬运时间等数据，再将所记录内容形成实验报告。同时，由实验数据分析立体仓库在货架设计、库位分配上的合理性以及优化方法［8］。

4.2.2 监控系统设计

西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC是一套功能全面、技术先进、系统开放的HMI软件，能够与SIMATIC S5，S7系列PLC进行方便的连接和高效的通讯［9］。监控系统设计基于WinCC平台，重点介绍自动化立体仓库监控系统设计的基本方法。

实验方法要求在了解自动化立体仓库运行原理的基础上，利用WinCC来设计监控系统，主要内容包括组态变量、组态过程画面、组态过程值归档和消息系统以及脚本设计等内容。其中，由于本实验室系统中不存在，例如组态出入库管理监控画面应包括堆垛机运行状态画面和分拣线运行状态监控画面，同时画面中应提供对堆垛机、分拣线下发作业指令的功能，以便完成货物出库。因此，该实验只给出目标，由学生自行设计出监控系统。在与现场建立通信连接后，能完成出入库等功能，另外，利用 WinCC脚本程序，结合库存状态，能设计出让堆垛机以最短路径入库的功能。同时，在AGV系统中，可根据出入库作业的情况来智能能调度AGV，比如，实时指定需要工作的AGV数量、规划运行路线、智能避障等问题，以使作业最优化和安全化［10］。这些命题由于设计性比较强，可很好地提升学生的学习兴趣。诸如此类的分析设计命题种类较多而且复杂，可根据实际情况具体确定，但需要注意以“物流工程”教学目的为核心，不可偏离。

5 结束语

本文分析了国内高等院校的物流自动化教学平台的研究现状，详细介绍了华中科技大学物流自动化实验系统的组成，从实验室的投资额、操作性、设计性和开放性等方面综合探讨了物流自动化实验教学平台的设计思想，提出了基于该平台的实验设计方法。随着我国物流行业的发展，物流人才的需求也与日俱增［11］，物流人才的培养也迫在眉睫，实验室的建立无疑为学生提供了掌握物流技术和物流业务的最佳场所［12］。

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［1］吴志敏.物流自动化教学系统的研制［J］.广西轻工业，2007（7）：120.

［2］聂军.物流技术与装备［M］.北京：对外经济贸易大学出版社，2004.

［3］朱宏辉.物流自动化系统设计及应用［M］.北京：化学工程出版社，2005.

［4］严慧萍，孙伟，李宝栋.基于Profibus的PLC控制系统设计［J］.机械研究与应用，2007，20（3）：106－107.

［5］高原，王土央.本科生创新能力培养体系的探索与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：30－32.

［6］何万国，何华敏.应用型人才培养的瓶颈：实践教学［J］.实验室探索与研究，2011，30（6）：130－133.

［7］常发亮，刘增晓，辛征，等.自动化立体仓库拣选作业路径优化问题研究［J］.系统工程理论与实践，2007（2）：139－143.

［8］刘金平，周炳海，奚立峰.在线自动化立体仓库的库位分配方法及其实证研究［J］.工业工程与管理，2005（1）：11－14.

［9］苏昆哲，何华.深入浅出西门子 WinCC V6［M］.2版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［10］余戈，卢江，石红霞，等.基于Flexsim的自动化立体仓库AGV系统设计研究［J］.物流技术，2011，30（11）：75－77.