物流自动化实验教学平台研究与设计

物流自动化实验教学平台研究与设计

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）

摘　要：物流自动化实验教学平台建设是物流工程专业建设的重要内容，对于培养学生的实践动手能力具有重要作用。本文提出了物流自动化实验教学平台的设计思想，它包括自动化立体仓库和自动分拣两个部分；探讨了实验设计方法，包括操作实验和监控系统设计两个方面。本文对物流工程专业实践教学体系建设具有重要借鉴意义。

关键词：自动化立体仓库　堆垛机　自动分拣线系统　监控系统　WinCC

1　引　言

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。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。

本文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。

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较多，开展物流自动化实验教学的方式也不尽相同。或是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

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。本实验室能够模拟现代生产型企业在产品的生产、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

自1988年始，山东大学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、自动化技术于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，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。

自此，实验物流系统的建立充分体现了物料仓储、分拣、出库、搬运和识别的一体化过程，这也是相比其他院校的物流实验室的主要特点。

3　物流自动化实验教学平台的设计思想

从前面的分析，我们认为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，它还担负这着物资的接收、分类等多种功能。它一般由货物储存系统、货物存取系统、货物输送系统、控制和管理系统四个部分组成。

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，包括与物流自动化理论教学有关的实验、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点的重要指标之一。

3.3　设计性

平台的设计目的在于两点：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是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，首先应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、2005级和2006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。

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7号入库口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8号出库口输送进入分拣线。

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）。如图1所示，该系统由两条直辊道、两条180°弯辊道、6个分选台、8个移行机和出、入库口组成，主要用于货物的传送；数字7、8分别代表的是入库口和出库口；1、2、3、4、5、6分别表示的1～6号分选台；暗色图框代表8个移行机，位于直辊道下，其作用是将运行于环形线上的托盘移动到入库口和分选台上。

3.AGV系统

实验室配备的两台光学导引AGV小车，实现与6个分拣口的对接，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，两台AGV的联合调度作业使得多货物出库变得很方便。同时，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.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，通过PROFIBUS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。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

为了让学生既能感性认识物流自动化系统，又能掌握系统设计与开发能力，物流自动化实验教学平台的实验内容主要包括自动化立体仓库操作实验和监控系统设计实验两个方面，从操作到设计，实现学生对物流自动化概念由感性认识提升到理性认识。

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。

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，再将记录内容形成实验报告。

通过实验操作，能使学生直观地了解到自动化立体仓库的运行，特别是由学生自己画出作业过程流程图，加深了对物流过程的理解。

2.监控系统设计

基于西门子WinCC监控系统设计平台，重点介绍自动化立体仓库监控系统设计方法，包括组态变量、过程画面、过程值归档和信息系统及脚本系统设计，使学生了解监控系统设计的基本方法。

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、组态过程值归档和信息系统以及脚本设计等内容。例如组态出库管理监控画面，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。

该实验只给出目标，由学生自行设计出监控系统，在与现场建立通讯连接后，能完成出入库等功能另外，利用WinCC脚本程序，能设计出堆垛机运行路径最短等优化功能，这大大提高了学生的学习兴趣。在设计过程中，学生更深入地了解到工业现场的一些关键技术，对提高自身的综合科学素质大有裨益。

5　小　结

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，并详细介绍了华中科技大学物流自动化实验系统的组成，并从实验室的投资额、操作性、设计性和开放性等因素综合探讨了物流自动化实验教学平台的设计思想，同时提出了基于该平台的实验设计方法，对培养具有理论结合实践和较强的动手能力的物流专业人才起到了积极的作用。同时该实验教学平台的建设对国内其他高校的物流实验室教学平台的建设具有借鉴意义。实验室下一步的目标将会进一步地提高物流自动化水平、优化系统指标、完善实验教学机制，为国内的物流实验教学作出榜样。

参考文献

吴志敏.物流自动化教学系统的研制［J］.广西轻工业，2007（7）：120～121.

聂军.物流技术与装备［M］.北京：对外经济贸易大学出版社，2004.

朱宏辉.物流自动化系统设计及应用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

周艳.浅谈建设物流专业实验室对物流管理专业教学的意义［J］.中国水运（学术版），2006，6（8）：234～235.