物流自動(dòng)化技術(shù)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)*

□ 張 錚，朱建平，李軍濤，張麗珍

(上海海洋大學(xué)，上海 201306)

1 前言

物流自動(dòng)化技術(shù)是面向物流工程專業(yè)而開設(shè)的一門重要的基礎(chǔ)課[1,2]。課程的主要教學(xué)內(nèi)容是：可編程控制器原理及在現(xiàn)代物流設(shè)施自動(dòng)化中的應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、監(jiān)控組態(tài)軟件技術(shù)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等。物流自動(dòng)化技術(shù)強(qiáng)調(diào)與產(chǎn)業(yè)、行業(yè)的結(jié)合，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)[3]。因此課程以課內(nèi)理論講授為起點(diǎn)，以典型案例、課堂實(shí)驗(yàn)為核心，統(tǒng)籌行業(yè)應(yīng)用、課程實(shí)踐及科創(chuàng)實(shí)訓(xùn)等要素。通過(guò)課堂實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深刻理解物流自動(dòng)化控制裝置的工作原理，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，初步掌握物流自動(dòng)化開發(fā)技術(shù)。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為現(xiàn)代物流的典型代表，采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行系統(tǒng)控制，是開展物流自動(dòng)化課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的良好載體[4,5]。目前的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)驗(yàn)裝備，主要是通過(guò)讓學(xué)生操作自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)管理軟件，對(duì)出入庫(kù)、盤點(diǎn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和統(tǒng)計(jì)，使學(xué)生了解自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)營(yíng)和主要物流裝備的基本結(jié)構(gòu)與應(yīng)用原理，雖然可以很好地演示系統(tǒng)的原理，但是缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，難以培養(yǎng)學(xué)生的物流自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)應(yīng)用能力。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院2018年投入大量資金，開展物流裝備與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)建設(shè)，建設(shè)具有培養(yǎng)學(xué)生物流自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力實(shí)驗(yàn)裝備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以可組裝的桌面型MINI自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為載體，進(jìn)行PLC控制程序開發(fā)和綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)裝備

為了使學(xué)生能夠?qū)ψ詣?dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的工作原理和系統(tǒng)組成有深刻的理解，在保證學(xué)生安全的同時(shí)，初步掌握物流自動(dòng)化開發(fā)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)了可組裝的桌面型MINI自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，該系統(tǒng)由Mini倉(cāng)庫(kù)實(shí)物模型、西門子s7 200smart PLC、直角坐標(biāo)機(jī)械臂、24V電源、I/O接口面板組成，如圖1所示。

①M(fèi)ini倉(cāng)庫(kù)實(shí)物模型：倉(cāng)庫(kù)由出入庫(kù)口和12個(gè)庫(kù)位組成，立體庫(kù)位分成3列4行，每個(gè)庫(kù)位大小相等，每個(gè)庫(kù)位下方都安裝有貨物檢測(cè)器。貨物模型由入庫(kù)口進(jìn)入，通過(guò)按鍵指令控制機(jī)械臂將貨物放入指定的庫(kù)位，當(dāng)貨物入庫(kù)后，貨物檢測(cè)器發(fā)出信號(hào)通知PLC完成入庫(kù)動(dòng)作。

②直角坐標(biāo)機(jī)械臂：直角坐標(biāo)機(jī)械臂由x、y、z三個(gè)自由度構(gòu)成，其末端操作器為貨叉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高。機(jī)械臂在x，y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定庫(kù)位后貨叉前伸，將貨物送入庫(kù)位。貨物存取過(guò)程如下：

存貨：回位坐標(biāo)原點(diǎn)→移動(dòng)到取貨口→貨叉插取貨物模型→沿x，y平面移動(dòng)到指定庫(kù)位→貨叉沿z方向前伸→將貨物送入庫(kù)位→回位到坐標(biāo)原點(diǎn)；

圖1 MINI自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)

取貨：回位坐標(biāo)原點(diǎn)→沿x，y平面移動(dòng)到指定庫(kù)位→貨叉沿z方向前伸→將貨物從指定庫(kù)位取出→沿x，y平面移動(dòng)到出庫(kù)口→放貨→回位坐標(biāo)原點(diǎn)。

③可編程控制器：采用Siemens公司的S7200smart PLC作為控制單元，控制器型號(hào)為ST40；處理按鍵，傳感器信號(hào)等輸入信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)并控制機(jī)械臂移動(dòng)出入庫(kù)。

④24V直流電源：用于給立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)電系統(tǒng)供電。

⑤I/O接口面板：可編程控制器的輸入與輸出端口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端口，傳感器的輸出端口，LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)端口都引出到面板上，供學(xué)生自己設(shè)計(jì)連接線路，完成相關(guān)功能，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行相應(yīng)的接線調(diào)整。I/O接口面板可以很好地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的功能，接入不同的功能子模塊，以完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

桌面型MINI自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采取了諸多保護(hù)措施，一方面采用各種保護(hù)電路保護(hù)電氣設(shè)備，一方面保護(hù)學(xué)生安全。該系統(tǒng)是將物流自動(dòng)化信息技術(shù)與立體倉(cāng)庫(kù)管理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具有良好的開放性，有利于提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和理論知識(shí)的應(yīng)用能力。在程序設(shè)計(jì)上，學(xué)生在充分理解了立體倉(cāng)庫(kù)的物流自動(dòng)化知識(shí)后，可以有針對(duì)性的編寫控制系統(tǒng)程序，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)檢驗(yàn)。對(duì)于沒有實(shí)現(xiàn)的功能可在老師的引導(dǎo)下展開討論，并進(jìn)行程序修改，最終完成設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

《物流自動(dòng)化技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)共安排16個(gè)學(xué)時(shí)8次實(shí)驗(yàn)，如下：

①基本輸入輸出指令實(shí)驗(yàn)；

②定時(shí)器、計(jì)數(shù)器指令實(shí)驗(yàn)；

③順序控制指令實(shí)驗(yàn)；

④鍵盤掃描與顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)；

⑤單軸步進(jìn)電機(jī)定位控制與速度控制實(shí)驗(yàn)；

⑥雙軸步進(jìn)電機(jī)定位控制實(shí)驗(yàn)；

⑦光電傳感器定位及限位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；

⑧立體倉(cāng)庫(kù)綜合實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將課本上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和控制模型通過(guò)PLC編程來(lái)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接來(lái)源于物流行業(yè)，包括具體的設(shè)計(jì)要求、實(shí)現(xiàn)技術(shù)；以提高學(xué)生物流自動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)按照由淺入深，先部分再整體綜合的方法。將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制系統(tǒng)分解為：基本輸入輸出，時(shí)間流程控制，鍵盤輸入與顯示，步進(jìn)電機(jī)控制等若干功能模塊。在各個(gè)模塊程序設(shè)計(jì)與驗(yàn)證完成之后，再將各個(gè)模塊有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的桌面型MINI自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)案例

下面以單軸步進(jìn)電機(jī)定位控制為例介紹實(shí)驗(yàn)案例與實(shí)施過(guò)程。

①要求：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械臂從坐標(biāo)原點(diǎn)沿X軸正方向移動(dòng)指定的距離，當(dāng)抬起控制按鈕時(shí)，機(jī)械臂回到坐標(biāo)原點(diǎn)。

②目的：理解與掌握步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理；掌握PLC基本輸入輸出指令的程序設(shè)計(jì)與控制方法；掌握脈沖輸出信號(hào)PLS指令的編程與步進(jìn)電機(jī)控制方法。

根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)所采用的步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)PLC程序控制電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用S7200smart的脈沖輸出信號(hào)指令PLS可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

①根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/O分配表：

I1.3：SW0手動(dòng)，控制開關(guān)；

I1.4：SQ2(XLMT+)，X軸右限位；

I1.5：SQ1(XLMT-)，X軸左限位；

Q0.0：X軸-CP，平移電機(jī)脈沖信號(hào)；

Q0.2：X軸-DIR，平移電機(jī)方向信號(hào)。

②根據(jù)I/O分配表進(jìn)行系統(tǒng)接線。

③系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)，各網(wǎng)絡(luò)模塊功能設(shè)計(jì)如下：

網(wǎng)絡(luò)模塊1：用于初始化脈沖發(fā)生器PTO0，通過(guò)對(duì)SMB67控制字節(jié)傳送16#C5，實(shí)現(xiàn)單段脈沖輸出。對(duì)SMW68、SMD72控制字傳送0進(jìn)行初始化系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)模塊2：控制脈沖發(fā)生器PTO0發(fā)出經(jīng)計(jì)算后所需數(shù)量的脈沖，使機(jī)械臂完成指定距離的軸向移動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)模塊3：控制步進(jìn)電機(jī)，使機(jī)械臂沿規(guī)定的軸向移動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)模塊4：控制直角坐標(biāo)機(jī)械臂回位到坐標(biāo)原點(diǎn)。

④程序調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證。

⑤實(shí)驗(yàn)思考：

a.思考驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量與實(shí)際機(jī)械臂軸向移動(dòng)距離的關(guān)系？

b.當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的左右限位有設(shè)計(jì)要求時(shí)，程序應(yīng)如何改進(jìn)。

c.根據(jù)例程，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)軸向移動(dòng)20cm的梯形圖，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行驗(yàn)證。

該案例從物流裝備的特點(diǎn)及其控制方式出發(fā)，使學(xué)生在對(duì)物流裝備的深入認(rèn)識(shí)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)和掌握步進(jìn)電機(jī)基本理論及PLC控制程序設(shè)計(jì)方法，為下一步深入學(xué)習(xí)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的控制原理和PLC程序設(shè)計(jì)方法打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)完成后還需要進(jìn)行思考分析，通過(guò)學(xué)生討論、交流，教師指導(dǎo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行梳理，找出解決方案，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)驗(yàn)證，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使理論學(xué)習(xí)與課程實(shí)踐緊密地結(jié)合在一起，提高了學(xué)生分析問(wèn)題，運(yùn)用課本知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了上海海洋大學(xué)工程學(xué)院物流工程專業(yè)《物流自動(dòng)化技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，包括課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的裝備組成，實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，案例設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程。通過(guò)該課程實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間就能逐步理解并掌握物流行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法。通過(guò)由淺入深，循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步具備物流自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)能力。