教學實驗型自動化立體倉庫堆垛平臺設計

于海雨

（廣西科技大學國際教育學院，廣西 柳州 545000）

0 引言

自動存取系統（Automated Storage and Retrieval System AS/RS）是一個多設備集成的系統。它以成套裝卸設備為基礎，以多系統協調控制為標志。它在現代物流倉儲領域發揮著重要的作用。堆垛機作為As / RS的核心設備，負責高層貨架的存儲和檢索，極大的提升了倉庫的土地利用率和貨品的揀取效率。

為了跟上物流行業的快速發展，提高人才培養質量，高校更加重視物流實驗室的建設，但現有的堆垛機設備由于其體積龐大，控制系統復雜，不便于直觀的進行教學實驗。因此，對于有限的教學實驗用地，設計一個功能齊全、操作簡單、具有實際工程意義的模擬堆放平臺顯得尤為重要。目前，教學實驗堆放平臺的設計大致可分為兩種技術方式：①小型化物理教學平臺設計[1-2]，盡量還原工業堆垛機的主要參數，簡化關鍵部件的設計，保證堆垛平臺的完整性，控制系統采用半自動控制方式，方便學生的物理操作，從而對堆疊系統的組成部分有一個更清晰的認識。缺陷是物理設計后內部部件無法更換，控制系統一旦確定不容易更改，導致設計的物理平臺隨著時間的推移而陳舊落后。②虛擬化的仿真教學平臺設計[3-5]，通過計算機仿真技術，建立虛擬堆疊教學實驗場景，選擇虛擬端口連接各種型號的仿真PLC，或將物聯網智能網關（I/O箱）與各種型號的實體PLC連接。搭建的高層貨架、堆垛機、貨物輸送帶等都是虛擬設備，它可以在現場對設備進行模塊化，根據學生的學習進度跟蹤教學，大大節約了教學成本。虛擬現實（Virtual Reality）技術最早起源于美國，1965年Ivan Sutherland一篇Ultimate Dispaly會議論文討論了交互圖形顯示、力反饋設備以及擁有聲音功能的虛擬現實系統設想，被認為是虛擬現實技術的開端，增強現實（Augmented Reality）即使在虛擬現實上增加網絡的跟蹤定位等技術，增加計算機形成的虛擬信息來補充現實世界，具有虛實結合、實時交互和三位配準三大特點，使學生在學習時可以沉浸于虛擬世界中并直觀的實時感知，目前基于VR/AR技術的教學研究趨向于強調逼真的虛擬場景，繪制清晰的三維圖像，以達到接近現場工業應用的教學目的[6-7]，文獻提出將VR/AR技術引入到機械專業課程教學中，結合教學實例從理論教學、實驗教學和實習實訓三個方面展開論述，但沒有給出具體采用何種實施方式體現VR/AR教學。文獻提出將虛擬課堂引入高校攝影教學中，借助VR/AR技術降低教學成本，并給出使用Cult 3D為基礎的具體實施例，但文章中沒有考慮學生參與式教學，故而對教學的效果沒有給出清晰的回應。

本文設計基于三菱FX3U系列PLC為控制器的教學實驗型自動化立體倉庫堆垛平臺，其特征在于采用虛擬化的仿真教學平臺，結合VR/AR技術，可以在屏幕上使虛擬設備場景與學生進行互動。教學試驗表明，采用該種方式可以有效降低教學成本，提高學生對堆垛機的認識，豐富教學方法體系與教學效果。

1 堆垛平臺設計

1.1 虛擬仿真平臺搭建

堆垛平臺作為自動化立體倉庫系統中最重要的起重運輸設備，是實現自動化立體倉庫高效運行的關鍵。在實際應用場合中，常見的堆垛機高度為20m左右，不便向學生展示升降機構、電控模塊以及天軌走形部的具體構造。采用虛擬仿真平臺方式，針對在不同場景下選擇對應的模塊化組裝模具，學生可以根據教學進度創建堆垛平臺，直觀的認識堆垛機各部件組成和控制方式。以下將給出具體實施方式，虛擬仿真平臺涉及的各設備如表1所示。

表1 仿真平臺設備清單

根據表1，將相應的各設備在虛擬平臺上搭建，并對各設備設置相應的屬性，最終布局效果如圖1所示。

圖1搭建的是單排立體貨架，以及成套的堆垛裝置，可以演示進取貨動作、庫內搬移、揀選出庫、添加入庫等操作。生成器可以根據命令生成貨物，貨物將從滾筒線移動到接駁線，接駁線上裝有紅外傳感器，傳感器感知貨物位置并提示堆垛機工作，堆垛機根據操作指令，進行對應揀選作業，消失器可以將多余貨物消失。平臺各設備可根據學習要求進行修改，例如添加或修改貨架數量和高度。全景模式下可以轉換視角，清晰的觀察動作方式和工作流程，便于學生對堆垛機進行方案設計，并結合所設計的方案優缺點作出修正和改進，借此來進一步提高堆垛平臺的利用率和運行銷量，并使之獲得較好的應用。

圖1 虛擬仿真平臺

1.2 可編程邏輯控制器設計

采用三菱FX3U作為電氣控制器，考慮到該型號的PLC提供了多達384個I/O口，便于學生擴展設計的產品，并支持遠程程序傳輸和PLC運行監控，對教師監督教學非常重要。實例中各系統的I/O端口類型分配表如表2所示。

表2 I/O端口類型分配表

GXWorks2軟件是三菱電機公司為三菱PLC推出的集設計、調試、維護的編程軟件，該軟件具有簡單工程（Simple Project）和結構化工程（Structured Project）兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、SFC等編程語言，幫助學生設計虛擬堆疊平臺的電氣控制。圖2給出實例部分梯形圖。

圖2 PLC部分梯形圖

實例中堆垛平臺控制系統的軟件設計流程圖如圖3所示，一方面，堆垛平臺開始工作后，傳送帶上生成器等待命令生成貨品，輸送帶可以檢測是否出物料，判斷發電機是否輸送成功。貨物通過傳送帶運送到堆垛機，堆垛機即可進行存料作業，增加反饋環節為確保回收和投料作業有序完成。每個貨物小區具有起始信號采集，以確定貨物小區是否被存儲。增加此功能，還可以進行倉庫搬運操作，將貨物物料從當前的貨倉轉移到其他空位。取料后作出判斷，補充備用位置，并在貨物上添加消失裝置，模擬貨物出庫。另一方面，首先檢測傳送帶是否上電，然后檢測傳送帶到是否到料。待生成器等待物料信號輸入，傳送帶取料、存料并給予完成反饋并檢測貨架是否存滿，開始下一次循環。

圖3 堆垛機平臺流程圖

基于三菱FX3U的實例控制單元接線圖如圖4所示，可編程邏輯控制器連接生成器、滾筒線、接駁線、堆垛機和傳感器。在實際的教學中，學生可以添加調速器、液壓泵等設備來改進虛擬堆垛平臺，也可以根據自己的設計方案修改伺服電機、控制單元等部件的參數，從而獲得最優設計。借助系統仿真軟件，對堆垛平臺的控制和連接方式提供多角度的解決方案，靈活運用所學知識提高掌握程度，為自動化倉庫的物流設計和性能分析提供參考方法。

圖4 控制單元信號接線圖

1.3 VR/AR技術在虛擬堆垛平臺的應用分析

VR/AR技術能夠與學生進行交互式體驗，并創設學習場景、增強學習體驗、激發學習動機，為學生營造自主學習的環境，因此在教育教學應用中潛力巨大、前景廣闊。本文所采用的是桌面式VR/AR設備在教學中的應用，具體是結合steam教育平臺，通過zspace產品向學生展示堆疊平臺的內部結構，并通過人機交互對平臺參數進行調試和修改，在增強學生參與性的同時，激發學生的深度思維，培養創新思維。該軟件具有增強現實功能，可以將真實的環境和虛擬的層次疊加起來，展示給學生。學生可以使用頭戴式虛擬設備和手柄，通過視覺入侵，有身臨其境的真實感。他們能看到空間分離操作模型的效果，能觸摸、互動、感知教學內容，充分發揮想象力，構建理想的模型，驗證自己搭建的堆垛平臺的合理性，避免真實環境中機械零件的缺陷。實際的堆垛平臺設備價格昂貴，對學生來說操作仍然是危險的。VR/AR技術的應用可以實現在真實環境中無法實現的教學場景，提高學生的創新能力和工程意識。

2 結語

本文針對物流教學中現存的學生實際交互式操作學習較少、無法自行根據教學進度進行平臺設計等問題，提出一種基于三菱FX3U的教學實驗型自動化立體倉庫堆垛平臺。該平臺采用虛擬設備搭建教學場景，通過物聯網智能網關連接外部可編程邏輯控制器FX3U，并加入VR/AR技術增加教學效果。與傳統的教學試驗設備相比，采用虛擬場景可以方便學生根據教學進度自行設計堆垛方案，拖動虛擬設備可以任意更改替換場景平臺內的走形部分、輸送部分以及揀貨部分。對學校而言，虛擬場景的使用可以減少教學事故，降低教學成本，減少科研經費。對教師而言，可以靈活運用遠程終端向虛擬堆垛平臺進行程序傳輸和在線監管功能，減輕教師工作負擔，提高教學質量。

本文給出具有進取貨動作、庫內搬移、揀選出庫、添加入庫等功能的實例，通過該實例可以看出本文所設計的自動化立體倉庫堆垛平臺具有以下特點：

（1）虛擬現實/AR技術引入物流倉儲課程的教學可以彌補學生缺少時間鍛煉和直觀的了解，以便學生能更好地理解和掌握疊加原理，使用和操作，極大地刺激學生的學習熱情。

（2）利用虛擬仿真設備對自動化倉庫堆垛平臺進行建模和優化，提供對比方案，降低教學投資成本，并根據學習進度改變教學場景。

（3）整合物流工程、檢測技術、機電傳動、光電檢測技術、伺服技術等專業課程的教學與實驗內容，有利于培養學生的工程實踐能力。