智能倉儲實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與貨位優(yōu)化算法應(yīng)用研究

劉倚瑋，楊 嘉，丁 武，趙章榮 LIU Yiwei, YANG Jia, DING Wu, ZHAO Zhangrong

（1. 北京物資學(xué)院 物流學(xué)院，北京101100；2. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

(1 School of Logistics, Beijing Wuzi University, Beijing 101100, China; 2. School of Electrical Engineering, Yanshan University,Qinhuangdao 066004, China)

0 引 言

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(xùn)系統(tǒng)以教學(xué)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(qū)動控制技術(shù)、PLC 編程技術(shù)、上位機監(jiān)控組態(tài)技術(shù)、貨位優(yōu)化、機械設(shè)計等先進技術(shù)，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(shù)領(lǐng)域。它可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化運行，使學(xué)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(xùn)環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的實踐能力，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，走向社會的重要路徑[3-5]。

目前，國內(nèi)許多高校已經(jīng)自主設(shè)計了智能倉儲實訓(xùn)平臺。文獻[1]設(shè)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(qū)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(chǎn)過程管理自動化。文獻[2]設(shè)計了一種基于三菱PLC 控制步進電機傳動的實訓(xùn)系統(tǒng)，實訓(xùn)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(qū)動下料，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)進行研究，或擴展系統(tǒng)功能。文獻[6]設(shè)計的物流自動化實驗教學(xué)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(chǎn)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 WinCC 6.0，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。文獻[7]基于實際生產(chǎn)進行開發(fā)，以此設(shè)計了一種智能倉儲實訓(xùn)平臺，立體貨架設(shè)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(shè)計的實訓(xùn)系統(tǒng)達到了實踐教學(xué)的目的和要求。文獻[8]基于西門子S7-200PLC 及MCGS 觸摸屏構(gòu)建了自動化生產(chǎn)線立體倉庫實訓(xùn)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(nèi)的運動系統(tǒng)采用兩臺步進電機驅(qū)動，推料模塊采用氣缸驅(qū)動，作為實驗裝置，起到了輔助教學(xué)的作用。文獻[9]將原立體倉庫實訓(xùn)模型控制器西門子S7-200 升級為S7-1200PLC，設(shè)計的立體倉庫實訓(xùn)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(xùn)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(shè)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(xùn)平臺，此類平臺有微縮化的特點，且能夠組合，其設(shè)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(xùn)裝置可根據(jù)學(xué)生自己的設(shè)計思路設(shè)計出不同的監(jiān)控畫面及優(yōu)化調(diào)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(shè)計通過CAN 總線技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)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(diào)度問題。文獻[13]中設(shè)計開發(fā)的實訓(xùn)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(shè)計B/S 軟件架構(gòu)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(xué)實驗裝置為對象，采用SIMATIC S7-300PLC 做為主控制器，設(shè)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(qū)動，垂直方向通過步進電機進行驅(qū)動，設(shè)計的實訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)嵱?xùn)裝置進行較為準確的監(jiān)控和控制。文獻[15]中設(shè)計了一種基于RFID 的立體倉庫實訓(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，上述自動化立體倉庫等實訓(xùn)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(qū)動，在物流及自動化的機電一體化實踐教學(xué)中起到了積極作用，為學(xué)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(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，開放性差；一些小型的實訓(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、驗證與分析等不足。

本文開發(fā)的一種實用智能倉儲實訓(xùn)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(gòu)采用X/Y/Z 三軸平臺，三臺2 相步進電機驅(qū)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(xùn)系統(tǒng)除具有進行常規(guī)的自動化立體倉庫實訓(xùn)功能外，還可進行物流管理、物流調(diào)度、貨位優(yōu)化等算法的應(yīng)用、驗證與分析。該裝置已通過實驗調(diào)試，實現(xiàn)了設(shè)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(xué)生提供了技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新實踐的空間。

1 立體倉庫實訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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(xùn)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(xùn)裝置有足夠的穩(wěn)定性。立體倉庫實訓(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：實體自動倉庫的物理模型設(shè)計，取貨機的控制系統(tǒng)設(shè)計，以及監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計，實訓(xùn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zé)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(zé)檢測限位開關(guān)及相關(guān)按鈕，通訊單元負責(zé)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2 實訓(xùn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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(nèi)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(shè)計的取貨機為單柱軌道直線型取貨機，由水平移動機構(gòu)，垂直升降機構(gòu)，雙向伸展機構(gòu)，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(gòu)對精度要求較高，所以三軸均采用滾珠絲杠傳動。

（4） 驅(qū)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(zhuǎn)換，從而可以根據(jù)預(yù)定程序操作控制對象。本實訓(xùn)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(qū)動器。步進電機驅(qū)動器作為執(zhí)行機構(gòu)，是機電轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。本實訓(xùn)系統(tǒng)中選用的是AKS-320 兩相電機驅(qū)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(nèi)外部控制。

（6） 接近開關(guān)。接近開關(guān)作為一種位置開關(guān)，當(dāng)被測物體與開關(guān)之間的距離接近感應(yīng)表面測量精度時，就會通過電信號給PLC 提供控制指令或驅(qū)動直流電器。本實訓(xùn)系統(tǒng)中接近開關(guān)的型號為LJ30A3-10-Z/AY，此接近開關(guān)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(wù)后都會返回原點位置，接近開關(guān)會檢測金屬材質(zhì)，并發(fā)送信號給PLC，使取貨機停止運行。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件實現(xiàn)

2.1 取貨機工作過程分析。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(gòu)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(guān)鍵的是平穩(wěn)的速度控制和精確的定位控制。實訓(xùn)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(wù)，任務(wù)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(diào)整，操作員可以點擊上位機調(diào)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(shè)備連接起來，以達到控制目的，本實訓(xùn)系統(tǒng)中西門子1200PLC 與威綸觸摸屏、14 路檢測開關(guān)和3 臺步進電機驅(qū)動器的外部接線如圖3 所示。

圖3 S7-1200PLC 外部接線圖

2.2 可編程控制器程序設(shè)計。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(gòu)進行工作，定位完成后再由雙向伸縮機構(gòu)通過磁力將貨位拉出；任務(wù)完成后將貨位歸位，水平與垂直機構(gòu)返回原點，等待下一次貨位選擇。程序設(shè)計流程圖如圖4 所示。

3 實訓(xùn)系統(tǒng)調(diào)試

3.1 監(jiān)控管理系統(tǒng)功能。本實訓(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化設(shè)備，功能齊全，特點完善。此軟件可通過實際生產(chǎn)線的需要進行屏幕的搭建與調(diào)試，監(jiān)控主屏幕，錯誤警報，參數(shù)設(shè)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(nèi)部各模塊的工作狀態(tài)，系統(tǒng)有以下幾種功能：（1） 對實訓(xùn)平臺內(nèi)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(quán)限，可以通過控制下位機的所有操作來控制設(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，可以進入系統(tǒng)調(diào)試界面來操作系統(tǒng)。（3） 錯誤報警狀態(tài)和報警記錄。

3.2 監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)。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(shè)備必須連接，需要設(shè)備屬性配置，寫入設(shè)備類型為Siemens S7-1200，設(shè)置IP 地址為192.168.1.100，設(shè)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(shè)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(dǎo)入到繪制的屏幕中。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中點擊導(dǎo)入標簽，將TIA Portal V14 中導(dǎo)出的PLC 變量文件放入，點擊導(dǎo)入，變量即成功引用，在人機界面中可以進行調(diào)用。

3.3 人機界面設(shè)計。根據(jù)自動化立體倉庫的控制要求，設(shè)計了電機啟動控制界面、手動調(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(shè)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(yīng)回原點的按鈕，以使系統(tǒng)快速進行下一次工作。

3.4 取貨過程。取貨機在等待工作狀態(tài)時在原點待命，當(dāng)收到取貨指令時，取貨機水平移動機構(gòu)與垂直升降機構(gòu)開始向?qū)?yīng)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(gòu)運動，將根據(jù)取貨要求將元器件盒拉出相應(yīng)的盒位，取貨機將元器件盒拉出至第三盒位如圖7 所示。

4 實訓(xùn)系統(tǒng)貨位優(yōu)化算法應(yīng)用分析

隨著自動化立體倉庫的普遍采用，國內(nèi)的中小企業(yè)已經(jīng)逐漸認識到配送中心縮短響應(yīng)時間和降低倉儲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(shè)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(shè)計的智能倉儲實訓(xùn)平臺為應(yīng)用對象，采用遺傳算法進行貨位優(yōu)化應(yīng)用分析[18]。

實訓(xùn)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(shè)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(shè)施的加速、減速時間，不考慮設(shè)施的開啟以及制動時間，僅把從第j層第i列轉(zhuǎn)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(shè)I/O 臺位于左下角。

實訓(xùn)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(zhuǎn)率乘積之和最小與每個貨品的質(zhì)量與其所在層的乘積之和最小，再通過權(quán)重系數(shù)法將其合并，轉(zhuǎn)換成單目標函數(shù)。優(yōu)化前先進行初始分配，假設(shè)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(yīng)度，交叉操作求解采用單點交叉，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4 程序設(shè)計流程圖

圖5 貨物類別界面

圖6 選定貨物界面

圖7 取貨機將元器件盒拉出至第三盒位

表1 貨架貨位編號

圖8 優(yōu)化前貨位分布狀態(tài)

圖9 遺傳算法優(yōu)化后貨物分布狀態(tài)

經(jīng)優(yōu)化后，貨物與貨位的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生調(diào)整，此時貨物的周轉(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，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)量較大的貨物進行實際驗證，檢驗優(yōu)化結(jié)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

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(yīng)用中根據(jù)目標要求設(shè)定不一樣的權(quán)重，以使優(yōu)化效果更符合現(xiàn)場需要，因為選取不同的權(quán)重系數(shù)，得到的優(yōu)化效果也不同。

5 結(jié)束語

針對實際倉儲物流系統(tǒng)中的貨位優(yōu)化問題，結(jié)合實踐教學(xué)需求，設(shè)計了一種實用的智能倉儲物流實訓(xùn)系統(tǒng)。該實訓(xùn)系統(tǒng)除具有進行常規(guī)的自動化立體倉庫實訓(xùn)功能外，還可進行物流管理、物流調(diào)度、貨位優(yōu)化等算法的應(yīng)用、驗證與分析。通過采用遺傳算法進行貨位優(yōu)化應(yīng)用分析，驗證了所設(shè)計實訓(xùn)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(xué)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。