1引言

　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的增強(qiáng)和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，企業(yè)對(duì)密集式倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求也更加急迫。傳統(tǒng)的巷道式堆垛機(jī)的解決方案具有自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其單伸位甚至是雙伸位的貨叉結(jié)構(gòu)不能充分地利用倉(cāng)儲(chǔ)空間；穿梭板配合叉車的工作模式雖然具有空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，但是它難以建立合理的信息管理系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)。

　　由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所物流中心所承建的穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)合了上兩類傳統(tǒng)立庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化和高度的空間利用率。圖1是穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中正在配合作業(yè)的堆垛機(jī)與穿梭車。

圖 1 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中正在配合作業(yè)的堆垛機(jī)與穿梭車

　　穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)理念不僅需要滿足用戶的基本使用要求，而且還需要兼顧作業(yè)效率和用戶體驗(yàn)等多方面因素，主要包括以下幾點(diǎn)：

　　高度的空間利用率：密集式倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是解決“小占地大庫(kù)存”的最好的選擇方式。

　　科學(xué)的規(guī)劃布局：倉(cāng)庫(kù)內(nèi)各功能區(qū)的科學(xué)規(guī)劃布局，不僅更進(jìn)一步節(jié)約了用地，而且從生產(chǎn)到入庫(kù)，再到出庫(kù)，最后到裝車，實(shí)現(xiàn)了叉車線路最短，人工干預(yù)度最小的好結(jié)果。

　　高效的自動(dòng)化作業(yè)：通過(guò)先進(jìn)的作業(yè)調(diào)度算法和全自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化作業(yè)。

　　先進(jìn)的信息系系統(tǒng)：入庫(kù)在生產(chǎn)端，出庫(kù)在庫(kù)房端，匯總準(zhǔn)確信息，提高管理效率，降低管理成本。

　　2總體規(guī)劃描述

　　圖2是該倉(cāng)庫(kù)的平面布局圖，主要包括南側(cè)入庫(kù)口、密集貨架存儲(chǔ)區(qū)、北側(cè)出庫(kù)口、貨物周轉(zhuǎn)區(qū)、裝車平臺(tái)、抽檢出庫(kù)口和中央控制室等。

圖 2 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的平面布局圖

　　倉(cāng)庫(kù)的南北兩側(cè)均有單排貨架和堆垛機(jī)運(yùn)行的巷道，兩巷道間是密集存儲(chǔ)的主體區(qū)域，主體區(qū)域采用5層86列23排的貨架排列結(jié)構(gòu)，按照每列（通道）只能放入同一種貨物的存儲(chǔ)原則。貨物的存取任務(wù)是通過(guò)兩個(gè)巷道的單深位對(duì)跑堆垛機(jī)（共四臺(tái)）和六臺(tái)穿梭板來(lái)完成的，同時(shí)通過(guò)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）和倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)（WCS）對(duì)倉(cāng)庫(kù)的物流信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和信息流的維護(hù)。

　　南側(cè)入庫(kù)口：它通過(guò)入庫(kù)周轉(zhuǎn)區(qū)與生產(chǎn)車間直接相連，貨物碼垛完畢后，需要將貨物名稱和數(shù)量與托盤(pán)信息綁定并上傳至WMS，托盤(pán)信息是整個(gè)物流系統(tǒng)的信息載體。叉車將入庫(kù)貨物放在入庫(kù)口的輸送機(jī)上，準(zhǔn)備入庫(kù)。同時(shí)，南側(cè)出庫(kù)口也可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的先進(jìn)后出、抽檢、更改包裝、出空托盤(pán)等出庫(kù)作業(yè)功能，并且可以指定具體的出庫(kù)站臺(tái)。

　　北側(cè)出庫(kù)口：它通過(guò)出庫(kù)周轉(zhuǎn)區(qū)與裝車平臺(tái)直接相連，物流信息系統(tǒng)根據(jù)出庫(kù)訂單的要求，并按照指定日期、先進(jìn)先出等原則自動(dòng)分配出庫(kù)作業(yè)，進(jìn)行整托盤(pán)貨物出庫(kù)，并可揀選回庫(kù)。

　　單排貨架的主要功能：當(dāng)執(zhí)行揀選回庫(kù)、需要臨時(shí)存放的某些特殊貨物的入庫(kù)作業(yè)時(shí)，或是執(zhí)行隨機(jī)抽檢、盤(pán)庫(kù)等作業(yè)時(shí)不可避免的需要生成搬庫(kù)作業(yè)，單排貨架上可以快速存放這幾類作業(yè)的貨物。

　　3穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中自動(dòng)化設(shè)備的特點(diǎn)

　　穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備包括堆垛機(jī)、穿梭板和出入庫(kù)端站臺(tái)。倉(cāng)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用集成現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS、100/1000M高速以太網(wǎng)混合體系結(jié)構(gòu)，堆垛機(jī)和穿梭板的控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線通信，上層管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)方式。

　　3.1 巷道式對(duì)跑堆垛機(jī)

　　堆垛機(jī)是倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)的基本設(shè)備和重要環(huán)節(jié)，它接收并執(zhí)行WCS下發(fā)的作業(yè)任務(wù)。倉(cāng)庫(kù)采用南側(cè)入庫(kù)北側(cè)出庫(kù)的管理方式，因此，與以往單巷道的堆垛機(jī)自身存取貨物的方式不同的是，執(zhí)行入庫(kù)、出庫(kù)作業(yè)的分別是南北側(cè)的不同對(duì)跑堆垛機(jī)，分工明確的作業(yè)思路也將會(huì)提升了作業(yè)效率。

　　3.2 穿梭板

　　作業(yè)方式解析：穿梭板在其專用軌道中沿軌道進(jìn)行南北方向上的水平運(yùn)行，配合升降動(dòng)作可以進(jìn)行存取貨物的作業(yè)。當(dāng)穿梭板需要更換作業(yè)通道時(shí)，它將停在貨架端頭處，等待WCS系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)前來(lái)搬運(yùn)；當(dāng)穿梭車在工作通道執(zhí)行作業(yè)時(shí)，它可以執(zhí)行存貨、取貨、理貨和盤(pán)點(diǎn)等作業(yè)任務(wù)。

　　自動(dòng)充電功能：由于穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的強(qiáng)大性，它能夠解決在穿梭板配合叉車模式的立體庫(kù)中，穿梭板不能自動(dòng)充電的難題。當(dāng)穿梭板電量低于一定閾值時(shí)，它將向WCS申請(qǐng)“請(qǐng)求充電”，WCS根據(jù)其作業(yè)狀態(tài)和實(shí)時(shí)電量，判斷是否讓穿梭板繼續(xù)執(zhí)行完該通道的出庫(kù)作業(yè)還是立即充電。這種調(diào)度方式可以使穿梭板在低于警戒電量之前仍然執(zhí)行部分出庫(kù)任務(wù)，保障了作業(yè)效率。

圖 3 穿梭板的自動(dòng)充電樁

　　3.3 出入庫(kù)站臺(tái)

　　根據(jù)總體布局規(guī)劃中的說(shuō)明，南、北側(cè)出入庫(kù)站臺(tái)在本倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中的功能不盡相同。除上述以外，入庫(kù)站臺(tái)具有尺寸檢測(cè)功能，能夠及時(shí)的檢測(cè)出生產(chǎn)時(shí)碼放歪斜的貨物；它還擁有條碼掃描器，實(shí)現(xiàn)了托盤(pán)號(hào)碼的自動(dòng)掃描。圖4中左側(cè)的鏈?zhǔn)綑C(jī)是出庫(kù)站臺(tái)，此貨物要退回生產(chǎn)車間更改包裝，右側(cè)的鏈?zhǔn)綑C(jī)是入庫(kù)站臺(tái)，它擁有尺寸檢測(cè)裝置和條形碼掃描器。

圖 4 南側(cè)出庫(kù)和入庫(kù)站臺(tái)

　　圖5為北側(cè)出庫(kù)及揀選回庫(kù)一體站臺(tái)，各出庫(kù)站臺(tái)擁有一塊獨(dú)立的LED顯示屏，它可以準(zhǔn)確提示正在出庫(kù)的貨物名稱、托盤(pán)號(hào)和揀選個(gè)數(shù)等重要信息。

圖 5 北側(cè)出庫(kù)及揀選回庫(kù)一體站臺(tái)

　　4信息管理系統(tǒng)

　　4.1 中央控制室

　　中央控制室是庫(kù)房管理員進(jìn)行辦公的地方，也是信息系統(tǒng)設(shè)備的放置場(chǎng)所。在系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，庫(kù)房管理員只需在中央控制室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理機(jī)和監(jiān)控機(jī)，當(dāng)設(shè)備遇到異常時(shí)，庫(kù)房管理員根據(jù)報(bào)警類型，選擇遠(yuǎn)程監(jiān)控處置和現(xiàn)場(chǎng)處置。

　　管理機(jī)：對(duì)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、管理和維護(hù)，它能有效地控制并跟蹤倉(cāng)庫(kù)物流的全過(guò)程，并且具備與ERP、MES等系統(tǒng)的接口模塊，所有重要單據(jù)都具有按時(shí)間導(dǎo)出打印的功能，實(shí)現(xiàn)全面的企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)信息管理。

　　監(jiān)控機(jī)：從WMS、掃描終端、PLC和數(shù)據(jù)采集設(shè)備處接收信息，通過(guò)對(duì)物流設(shè)備進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制與調(diào)度，執(zhí)行倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)任務(wù)。

圖 6 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的中控室

　　4.2 作業(yè)流程

　　入庫(kù)作業(yè)流程：綁定信息后的貨物在入庫(kù)站臺(tái)生成入庫(kù)請(qǐng)求，WCS根據(jù)已知的庫(kù)存信息等條件分配最優(yōu)的入庫(kù)通道地址。相應(yīng)的堆垛機(jī)執(zhí)行入庫(kù)作業(yè)，將貨物送至該通道的貨架端頭處，而后通道內(nèi)的穿梭板執(zhí)行單存作業(yè)，將貨物存入指定的貨位中，完成單存作業(yè)后，管理系統(tǒng)自動(dòng)記錄賬目信息并生成歷史入庫(kù)作業(yè)記錄。至此，完成一條入庫(kù)作業(yè)。

　　出庫(kù)作業(yè)流程：庫(kù)房管理員通過(guò)ERP所建立的單據(jù)，自動(dòng)地在數(shù)據(jù)庫(kù)中的查找出符合要求的貨物及其地址，并生成出庫(kù)作業(yè)隊(duì)列。通道內(nèi)的穿梭板執(zhí)行單取作業(yè)，將貨物送至該通道的貨架端頭處，完成單取作業(yè)。堆垛機(jī)執(zhí)行出庫(kù)作業(yè)，將貨物出庫(kù)至指定出庫(kù)站臺(tái)，管理系統(tǒng)自動(dòng)銷除賬目信息并生成歷史出庫(kù)記錄。至此，完成一條出庫(kù)作業(yè)。

　　提高入、出效率的算法：入庫(kù)和出庫(kù)的調(diào)度算法是倉(cāng)儲(chǔ)物流調(diào)度系統(tǒng)中最為核心的兩個(gè)環(huán)節(jié)。比常規(guī)立庫(kù)復(fù)雜的是，該立庫(kù)除堆垛機(jī)的作業(yè)調(diào)度之外，還需要調(diào)度穿梭板，以及需要解決堆垛機(jī)與穿梭板的配合問(wèn)題。調(diào)度算法需要保證它們的作業(yè)互不干擾且步調(diào)協(xié)同一致，動(dòng)作相對(duì)獨(dú)立且無(wú)縫銜接，注重作業(yè)發(fā)送的時(shí)機(jī)和順序，達(dá)到高效運(yùn)轉(zhuǎn)的作業(yè)效果。

　　5能力核算

　　5.1 庫(kù)存量核算

　　穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的平面長(zhǎng)159.8米，寬33.9米，每層平面貨位數(shù)為2150個(gè)（86列×25排），貨位寬1.2米。庫(kù)房?jī)?nèi)有四臺(tái)堆垛機(jī)，兩條巷道，每條寬1.6米，每臺(tái)堆垛機(jī)的造價(jià)是穿梭板的三倍以上。

　　在相同的庫(kù)房寬度時(shí)，若采用六臺(tái)單巷道堆垛機(jī)的模式，至多只能容納下20排貨物，因此，庫(kù)存量增加了25%以上。若采用六臺(tái)單巷道雙深位堆垛機(jī)（24排），庫(kù)房寬度則需要增至約38.4米，此寬度的穿梭式立庫(kù)，每列將能存30排貨物，此時(shí)，庫(kù)存量同樣增加了25%。通過(guò)兩種比較可知，穿梭式立體倉(cāng)庫(kù)不僅節(jié)約了成本和建筑使用面積，而且增加了庫(kù)存量。

　　5.2 穿梭式立庫(kù)的出入庫(kù)能力核算

　　該項(xiàng)目的堆垛機(jī)和穿梭板的水平運(yùn)行速度分別為120米/分鐘和60米/分鐘。入庫(kù)作業(yè)時(shí)間和出庫(kù)作業(yè)時(shí)間互為逆過(guò)程，每次作業(yè)堆垛機(jī)和穿梭板進(jìn)行了提前調(diào)度，每條作業(yè)的時(shí)間也總是由作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的一方所決定的。經(jīng)實(shí)踐測(cè)算一個(gè)通道中23排貨物，前11排貨物的作業(yè)時(shí)間由堆垛機(jī)所決定，后12排的作業(yè)時(shí)間由穿梭板所決定，總作業(yè)時(shí)間約為1943秒，每盤(pán)作業(yè)時(shí)間約為85秒。因此，兩臺(tái)堆垛機(jī)同時(shí)出入庫(kù)的作業(yè)效率約為84.7盤(pán)/小時(shí)。

　　值得注意的是：該項(xiàng)目采用的是普通變頻調(diào)速的堆垛機(jī)和穿梭板，如果想要提高整體作業(yè)效率，提高整體的設(shè)計(jì)速度，則可以選用具有伺服控制系統(tǒng)的堆垛機(jī)和穿梭板。

圖 7 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的使用情況

圖 8 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)巷道及兩側(cè)貨架

圖 9 穿梭式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中某一通道的使用情況