□ 张 铮，朱建平，李军涛，张丽珍

(上海海洋大学，上海 201306)

1 前言

物流自动化技术是面向物流工程专业而开设的一门重要的基础课[1,2]。课程的主要教学内容是：可编程控制器原理及在现代物流设施自动化中的应用、现场总线技术、监控组态软件技术、自动化立体仓库等。物流自动化技术强调与产业、行业的结合，应用自动化技术来改造传统产业[3]。因此课程以课内理论讲授为起点，以典型案例、课堂实验为核心，统筹行业应用、课程实践及科创实训等要素。通过课堂实验，使学生深刻理解物流自动化控制装置的工作原理，系统的设计思路，初步掌握物流自动化开发技术。

自动化立体仓库作为现代物流的典型代表，采用可编程控制器(PLC)进行系统控制，是开展物流自动化课程教学实验的良好载体[4,5]。目前的自动化立体仓库实验装备，主要是通过让学生操作自动化立体仓库管理软件，对出入库、盘点等环节进行控制和统计，使学生了解自动化立体仓库的运营和主要物流装备的基本结构与应用原理，虽然可以很好地演示系统的原理，但是缺少系统设计，控制程序设计环节，难以培养学生的物流自动化技术开发应用能力。上海海洋大学工程学院2018年投入大量资金，开展物流装备与自动化实验建设，建设具有培养学生物流自动化技术开发设计和综合应用能力实验装备和实验项目。新的实验项目以可组装的桌面型MINI自动化立体仓库为载体，进行PLC控制程序开发和综合应用实验，取得了良好的教学效果。

2 实验装备

为了使学生能够对自动化立体仓库的工作原理和系统组成有深刻的理解，在保证学生安全的同时，初步掌握物流自动化开发技术，实验装备设计了可组装的桌面型MINI自动化立体仓库，该系统由Mini仓库实物模型、西门子s7 200smart PLC、直角坐标机械臂、24V电源、I/O接口面板组成，如图1所示。

①Mini仓库实物模型：仓库由出入库口和12个库位组成，立体库位分成3列4行，每个库位大小相等，每个库位下方都安装有货物检测器。货物模型由入库口进入，通过按键指令控制机械臂将货物放入指定的库位，当货物入库后，货物检测器发出信号通知PLC完成入库动作。

②直角坐标机械臂：直角坐标机械臂由x、y、z三个自由度构成，其末端操作器为货叉，结构简单，控制精度高。机械臂在x，y平面内运动，到达指定库位后货叉前伸，将货物送入库位。货物存取过程如下：

存货：回位坐标原点→移动到取货口→货叉插取货物模型→沿x，y平面移动到指定库位→货叉沿z方向前伸→将货物送入库位→回位到坐标原点；

图1 MINI自动化立体仓库结构

取货：回位坐标原点→沿x，y平面移动到指定库位→货叉沿z方向前伸→将货物从指定库位取出→沿x，y平面移动到出库口→放货→回位坐标原点。

③可编程控制器：采用Siemens公司的S7200smart PLC作为控制单元，控制器型号为ST40；处理按键，传感器信号等输入信息，驱动电机并控制机械臂移动出入库。

④24V直流电源：用于给立体仓库机电系统供电。

⑤I/O接口面板：可编程控制器的输入与输出端口，电机驱动器的控制端口，传感器的输出端口，LED数码管的驱动端口都引出到面板上，供学生自己设计连接线路，完成相关功能，并可根据实验要求进行相应的接线调整。I/O接口面板可以很好地扩展系统的功能，接入不同的功能子模块，以完成实验设计目标。

桌面型MINI自动化立体仓库系统在设计上采取了诸多保护措施，一方面采用各种保护电路保护电气设备，一方面保护学生安全。该系统是将物流自动化信息技术与立体仓库管理技术的有机结合。系统设计上具有良好的开放性，有利于提高学生的实际动手能力和理论知识的应用能力。在程序设计上，学生在充分理解了立体仓库的物流自动化知识后，可以有针对性的编写控制系统程序，并通过实验平台检验。对于没有实现的功能可在老师的引导下展开讨论，并进行程序修改，最终完成设计要求。

3 实验规划

《物流自动化技术》课程的实验共安排16个学时8次实验，如下：

①基本输入输出指令实验；

②定时器、计数器指令实验；

③顺序控制指令实验；

④键盘扫描与显示技术实验；

⑤单轴步进电机定位控制与速度控制实验；

⑥双轴步进电机定位控制实验；

⑦光电传感器定位及限位检测实验；

⑧立体仓库综合实验。

在实验过程中，将课本上学习的基础知识、基本原理和控制模型通过PLC编程来实现和验证，实验内容直接来源于物流行业，包括具体的设计要求、实现技术；以提高学生物流自动系统的实际设计与应用能力。实验按照由浅入深，先部分再整体综合的方法。将自动化立体仓库的控制系统分解为：基本输入输出，时间流程控制，键盘输入与显示，步进电机控制等若干功能模块。在各个模块程序设计与验证完成之后，再将各个模块有机结合在一起，构成完整的桌面型MINI自动化立体仓库系统。

4 实验案例

下面以单轴步进电机定位控制为例介绍实验案例与实施过程。

①要求：当按下启动按钮时，机械臂从坐标原点沿X轴正方向移动指定的距离，当抬起控制按钮时，机械臂回到坐标原点。

②目的：理解与掌握步进电机控制的基本原理；掌握PLC基本输入输出指令的程序设计与控制方法；掌握脉冲输出信号PLS指令的编程与步进电机控制方法。

根据立体仓库所采用的步进电机的性能指标，设计PLC程序控制电机恒速运转，采用S7200smart的脉冲输出信号指令PLS可以实现相应的功能。

实验过程如下：

①根据功能需求，设计系统的I/O分配表：

I1.3：SW0手动，控制开关；

I1.4：SQ2(XLMT+)，X轴右限位；

I1.5：SQ1(XLMT-)，X轴左限位；

Q0.0：X轴-CP，平移电机脉冲信号；

Q0.2：X轴-DIR，平移电机方向信号。

②根据I/O分配表进行系统接线。

③系统的PLC程序设计，各网络模块功能设计如下：

网络模块1：用于初始化脉冲发生器PTO0，通过对SMB67控制字节传送16#C5，实现单段脉冲输出。对SMW68、SMD72控制字传送0进行初始化系统。

网络模块2：控制脉冲发生器PTO0发出经计算后所需数量的脉冲，使机械臂完成指定距离的轴向移动。

网络模块3：控制步进电机，使机械臂沿规定的轴向移动。

网络模块4：控制直角坐标机械臂回位到坐标原点。

④程序调试运行验证。

⑤实验思考：

a.思考驱动步进电机的脉冲数量与实际机械臂轴向移动距离的关系？

b.当对步进电机的左右限位有设计要求时，程序应如何改进。

c.根据例程，设计步进电机轴向移动20cm的梯形图，并通过实验设备运行验证。

该案例从物流装备的特点及其控制方式出发，使学生在对物流装备的深入认识的过程中，学习和掌握步进电机基本理论及PLC控制程序设计方法，为下一步深入学习自动化立体仓库的控制原理和PLC程序设计方法打下基础。实验完成后还需要进行思考分析，通过学生讨论、交流，教师指导，对实验中遇到的问题进行梳理，找出解决方案，再通过实验环节验证，充分调动学生的积极性，使理论学习与课程实践紧密地结合在一起，提高了学生分析问题，运用课本知识解决问题的能力。

5 结束语

本文详细阐述了上海海洋大学工程学院物流工程专业《物流自动化技术》课程教学实验的设计，包括课程教学实验的装备组成，实验规划，案例设计及实施过程。通过该课程实验，使学生在校学习期间就能逐步理解并掌握物流行业自动化系统的结构组成，运行原理和设计方法。通过由浅入深，循序渐进的实验，使学生初步具备物流自动化系统的开发和设计能力。