高灼均

廣州起重機(jī)械有限公司 廣州 510405

0 引言

隨著產(chǎn)能的不斷提升，對于如何提高倉庫的利用空間，減少貨物在存儲過程中可能會出現(xiàn)的信息差錯，提高貨物的轉(zhuǎn)運效率等成為了企業(yè)迫切需要解決的問題。倉儲的有效管理以及成本控制已經(jīng)成為影響產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵因素。自動化立體倉儲系統(tǒng)集成了計算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)據(jù)通信、物資信息自動識別等先進(jìn)技術(shù)，可實現(xiàn)倉儲收發(fā)作業(yè)機(jī)械化、管理數(shù)字化、存儲單元立體化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和安全監(jiān)控可視化。本文以某化工企業(yè)自動化立體倉儲項目為背景，探索研究自動化立體倉儲的系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了倉儲管理的智能化。

1 系統(tǒng)概況

示例項目存儲的物料為袋裝原材料，儲存所用容器為塑料托盤和木制托盤。貨物單元每垛40 包，每包25 kg。立體倉庫總高為20.68 m，存儲層數(shù)為10 層，存儲貨位數(shù)5 736 貨位，同時出入庫效率為60 托/h，其中入庫40 托/h，出庫20 托/h。項目由貨架系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)（以下簡稱ECS）、倉庫管理系統(tǒng)（以下簡稱WMS）、設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)（以下簡稱WCS）組成。設(shè)備類型包括堆垛機(jī)、穿梭車、輸送機(jī)等。其中堆垛機(jī)數(shù)量3 臺，穿梭車數(shù)量2 臺，輸送機(jī)、拆/碼盤機(jī)、移栽機(jī)等設(shè)備數(shù)量65 臺。按照區(qū)域劃分為車間托盤貨物輸送區(qū)、立體倉儲區(qū)、庫前輸送區(qū)和發(fā)貨盤點區(qū)，總體布置如圖1 所示。

圖1 總體布置圖

2 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計

自動化立體倉儲系統(tǒng)由計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，計算機(jī)監(jiān)控中心室設(shè)置在中控室。在出入庫輸送系統(tǒng)中需要確認(rèn)貨物信息的設(shè)備上配備固定式條碼掃描儀，發(fā)貨及異常處理工位配置手持式條碼掃描儀。通過讀取條碼信息，自動完成產(chǎn)品信息的錄入、入庫指令生成等操作。操作人員也可通過手持條碼掃描儀完成對貨物信息的識別及相關(guān)信息錄入等操作。

2.1 托盤貨物入庫流程

如圖2 所示，操作人員將碼垛完畢的托盤輸送至入庫輸送機(jī)上，輸送機(jī)運行帶動托盤前進(jìn)，安裝在入貨口的外形檢測裝置自動對輸送機(jī)上的托盤貨物進(jìn)行檢測。若外形檢測不合格，系統(tǒng)發(fā)出報警提示信息，提示操作人員重新對托盤進(jìn)行整理后再入庫。外形檢測合格的托盤，由系統(tǒng)分配存儲庫位并調(diào)配堆垛機(jī)將托盤存放到相應(yīng)的存儲位，完成入庫操作。

圖2 入庫流程圖

2.2 托盤貨物出庫流程

圖3 出庫流程圖

2.3 空托盤回庫流程

如圖4 所示，實托盤經(jīng)過托盤轉(zhuǎn)換器，貨物與塑料托盤進(jìn)行分離并轉(zhuǎn)換為使用木托盤進(jìn)行承托，塑料托盤輸送到碼盤機(jī)進(jìn)行碼盤，碼盤至9 層后通過穿梭車擺渡到對應(yīng)巷道進(jìn)行入庫。

圖4 空托盤回庫流程圖

2.4 空托盤出庫流程

如圖5 所示，WMS 接收生產(chǎn)線的需求信息，系統(tǒng)生成出庫指令并調(diào)度堆垛機(jī)將貨物取出后放到出庫輸送機(jī)上，通過輸送線和穿梭車，將空托盤輸送至生產(chǎn)線。

圖5 空托盤出庫流程圖

2.5 盤點流程

如圖6 所示，操作人員根據(jù)盤點需求，在WMS 中生成盤點指令，系統(tǒng)生成盤點指令并調(diào)度堆垛機(jī)將貨物取出后放到交接口輸送機(jī)上，貨物最終被輸送至盤點位置。

圖6 盤點流程圖

3 貨架系統(tǒng)設(shè)計

3.1 貨架參數(shù)簡介

貨架系統(tǒng)是自動化立體倉儲的重要組成部分之一。自動化立體倉庫貨架主要有焊接式貨架和組合式貨架2種基本形式。本項目采用橫梁式雙貨位組合貨架，貨架主要由貨架片、橫梁、上/下軌道、水平拉桿、垂直拉桿、吊梁、端部網(wǎng)架等構(gòu)件組成。貨架各構(gòu)件在工廠制造，在現(xiàn)場組裝并用螺栓聯(lián)結(jié)緊固。貨架外形尺寸為71.45 m×19.1 m×20.685 m（長×寬×高）；貨位數(shù)為12排×23.5 列×2 貨位×10 層+96=5 736 貨位；單元載重（含托盤）1 050 kg；抗震烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。

3.2 主要構(gòu)建

1）柱片 橫梁式貨架的柱片由立柱、橫撐、斜撐用螺栓及防松螺母聯(lián)結(jié)而成。立柱孔距為75 mm，橫梁可以在貨架全高范圍內(nèi)做間隔為75 mm的調(diào)整（見圖7）。

圖7 柱片示意圖

2）橫梁 采用雙C 形梁嵌合而成，橫梁采用掛件與立柱連接，并插入保險銷來保證貨架的安全性，具有優(yōu)良的連接精度。

3）上/下軌道 上/下軌道是保證堆垛機(jī)運行平穩(wěn)及可靠的重要保障，其型號主要根據(jù)堆垛機(jī)的自重、載重、運行速度等參數(shù)選定。本項目上軌道采用100 mm×100 mm×5 mm 的方軌，上軌道安裝在貨架吊梁上，采用螺栓連接。下軌道采用30 kg/m 的輕軌，安裝在化學(xué)螺栓固定的軌道墊板上，為減少堆垛機(jī)運行的振動和噪音，下軌道和墊板之間墊有高強(qiáng)度橡膠。

F2=0.008X1-0.016X2-0.018X3+0.047X4+0.304X5+0.095X6+0.038X7+0.067X8+0.287X9+0.429X10+0.193X11

3.3 安裝精度要求

貨架安裝精度要求立柱直線度≤L/1 000，且≤5 mm；立柱垂直度≤15 mm；同層貨位高低差度誤差≤±3 mm；上軌道直線度軸距內(nèi)≤±1.5 mm，全長≤±3 mm，軌道接頭處兩側(cè)各0.1m 范圍內(nèi)高差≤±0.5 m；下軌道直線度軸距內(nèi)≤±1.5 mm，全長≤±3 mm；不平度軸距內(nèi)≤±1.5 mm，全長≤±3 mm；軌道接頭處兩側(cè)各0.1 m 范圍內(nèi)高差≤±0.5 mm。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體設(shè)計方案

ECS 由邏輯控制器、檢測元件和執(zhí)行元件等組成。ECS 采用分布式控制方式，接收WCS 的調(diào)度指令，實現(xiàn)對托盤輸送系統(tǒng)、堆垛機(jī)、穿梭車等控制；同時ECS將獲取到的貨物及設(shè)備信息上報給WCS，使WCS 實時掌控設(shè)備的運行狀態(tài)及指令的執(zhí)行狀態(tài)，以便及時調(diào)整調(diào)度及控制策略，實現(xiàn)智能化調(diào)度及控制。ECS 軟件和硬件均采用模塊化設(shè)計，具有成熟度高，復(fù)用性強(qiáng)等特點。ECS 由若干PLC 分區(qū)組成，WCS 通過信息系統(tǒng)軟件（以下簡稱OPC）與各個PLC 進(jìn)行通信，PLC 之間通過以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信。PLC 控制分區(qū)內(nèi)部通過現(xiàn)場總線構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

項目系統(tǒng)采用以太網(wǎng)組建管理與調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)WMS/WCS 內(nèi)部及ECS 與WCS 之間通信，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖（通訊距離大于100 m）或超6 類屏蔽雙絞線（通訊距離小于100 m）通信，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，完成WCS 系統(tǒng)與ECS 系統(tǒng)中各個PLC 主站間高速、可靠和方便的信息交互和調(diào)度控制。采用開放式的高速以太網(wǎng)，組建分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)中各PLC 之間及與現(xiàn)場各個分布式從站之間的通訊?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，主控柜（以下簡稱MCP）與遠(yuǎn)程控制柜（以下簡稱CPL）之間采用工業(yè)以太網(wǎng)Profinet 連接，使用超六類屏蔽雙絞線完成現(xiàn)場通信線纜的敷設(shè)。堆垛機(jī)、穿梭車與地面MCP 采用紅外光通信?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的節(jié)點數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)留，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展要求，并使ECS 系統(tǒng)運行得更穩(wěn)定、可靠、高效。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

4.3 系統(tǒng)控制模式

系統(tǒng)整體控制包含聯(lián)機(jī)在線全自動、單機(jī)自動、手動和維修4 種控制模式。

1）維修模式 在維修模式下，設(shè)備可通過觸摸屏或手動按鈕點動操作運行，人工對各電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)啟動／停止操作。維修模式下，變頻驅(qū)動的設(shè)備均按低速運行，電動機(jī)均為點動運行，以免出現(xiàn)故障。維修模式除急?；蚧镜陌踩Ｗo(hù)回路外，邏輯檢測回路均被屏蔽。維修模式用于程序投產(chǎn)前的調(diào)試和元器件故障時的檢修。

2）手動模式 在手動方式下，設(shè)備可通過觸摸屏或手動按鈕操作設(shè)備，人工對各電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)啟動／停止操作，并執(zhí)行完一個完整的運動流程。手動模式下，變頻驅(qū)動的設(shè)備均按正常速度運行，電動機(jī)可根據(jù)邏輯設(shè)定執(zhí)行運動。手動模式可用于系統(tǒng)動作邏輯和傳感器元件的調(diào)試、一般的設(shè)備故障處理和設(shè)備的手動輸送操作。

3）單機(jī)自動模式 控制系統(tǒng)在單機(jī)自動方式下與上位計算機(jī)離線，通過人工輸入的指令實現(xiàn)對各輸送設(shè)備的自動控制，實現(xiàn)物流上點對點的操作作業(yè)等。單機(jī)自動模式下，系統(tǒng)可按單個命令的作業(yè)方式，根據(jù)系統(tǒng)傳感器檢測，自動對各輸送設(shè)備的自動控制、運動的啟停和運動中數(shù)據(jù)的跟蹤，實現(xiàn)貨物的物流作業(yè)。單機(jī)自動模式用于在上位計算機(jī)離線時的系統(tǒng)調(diào)試和貨物存取。

4）在線全自動模式 控制系統(tǒng)通過在線全自動控制方式由計算機(jī)下達(dá)命令，控制系統(tǒng)接收后實現(xiàn)對各設(shè)備的自動控制，實現(xiàn)對物流和數(shù)據(jù)流的自動傳輸，并在上位計算機(jī)系統(tǒng)上實時顯示并作日志記錄。系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)和指令的優(yōu)先順利，實時調(diào)整物流線路的規(guī)劃和貨物的運動流程，柔性地實現(xiàn)物流和信息流的高度統(tǒng)一。

4.4 堆垛機(jī)

有軌堆垛機(jī)是自動化倉儲物流系統(tǒng)中的核心設(shè)備，用于存儲單元出入貨架的搬運作業(yè)，具有速度快、效率高、安全可靠等優(yōu)點。堆垛機(jī)通過倉庫電氣控制系統(tǒng)與上位監(jiān)控管理系統(tǒng)聯(lián)機(jī)組態(tài)后，與地面輸送系統(tǒng)、高層貨架和托盤等一并組成了完整的自動化倉儲物流系統(tǒng)，從而實現(xiàn)貨物存取、傳輸和分揀等。堆垛機(jī)主要由龍門架、底梁（含行走機(jī)構(gòu)）、載貨臺、貨叉、提升機(jī)構(gòu)、上/下軌道、安全機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、供電滑觸線等組成。本項目堆垛機(jī)采用雙立柱直行雙深位單工位堆垛機(jī)，堆垛機(jī)額定載荷1 050 kg，載貨單元尺寸為1 300 mm×1 100 mm×1 350 mm。堆垛機(jī)運動控制系統(tǒng)要同時滿足快速、平穩(wěn)和準(zhǔn)確3 個方面的要求，故速度的控制至關(guān)重要。本項目堆垛機(jī)的水平行走、垂直提升和左右方向的取送貨動作均采用變頻無級調(diào)速。

堆垛機(jī)設(shè)計的水平行走速度為0 ～120 m/min，水平行走加速度為0.35 m/s2；垂直升降速度為0 ～40 m/min，垂直升降加速度為1 m/s2；貨叉伸縮速度為30/60 m/min，貨叉伸縮加速度為0.5 m/s2。垂直升降和水平行走采用激光定位，貨叉運行采用編碼器和接近開關(guān)方式進(jìn)行定位。水平方向定位精度為±5 mm，垂直方向和貨叉定位精度±為3 mm；堆垛機(jī)與地面控制系統(tǒng)采用大帶寬紅外光進(jìn)行通信。堆垛機(jī)如圖10 所示。

圖10 堆垛機(jī)示意圖

4.5 往復(fù)式穿梭車

往復(fù)式穿梭車是一種在直線軌道上運行，用于貨物水平搬運的設(shè)備，具有簡單可靠、調(diào)度靈活等優(yōu)點。往復(fù)式穿梭車主要由行走機(jī)構(gòu)、輸送設(shè)備、導(dǎo)軌、檢測裝置、控制系統(tǒng)等組成。穿梭車在接收到作業(yè)指令后，通過精確認(rèn)址方式定位于指定輸入工位，接收物料后進(jìn)行往復(fù)穿梭運行，將貨物輸送到指定輸出工位。本項目穿梭車額定載荷1 050 kg，載貨單元尺寸為1 300 mm×1 100 mm×1 350 mm。往復(fù)式穿梭車的水平行走、垂直提升和左右方向的輸送動作均采用變頻無級調(diào)速。水平行走采用激光定位，升降和輸送采用光電開關(guān)方式進(jìn)行定位。水平運行速度為0 ～120 m/min，加速度為0.6 m/s2，定位精度±3 mm；輸送機(jī)輸送速度0～18 m/min，定位精度±5 mm；升降速度0 ～25 m/min，定位精度±5mm；軌道采用30 kg/m 輕軌；穿梭車與地面控制系統(tǒng)采用大帶寬紅外光通信方式。穿梭車如圖11 所示。

圖11 穿梭車示意圖

4.6 托盤轉(zhuǎn)換器

托盤轉(zhuǎn)換器是一種實現(xiàn)將負(fù)載從原有托盤分離轉(zhuǎn)移到另外一種托盤上的設(shè)備，由底座、旋轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上夾臂、下夾臂、側(cè)臂、輥道、電氣控制箱及液壓站組成；上下夾臂上帶有輥道，與外部（輸送單元）連接實現(xiàn)自動傳輸功能。本項目托盤轉(zhuǎn)換器的主要功能為將負(fù)載從塑料托盤轉(zhuǎn)移到木制托盤，以實現(xiàn)塑料托盤的回庫。項目采用的托盤轉(zhuǎn)換器總體尺寸為2 560×1 900 mm×3 100 mm；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾臂機(jī)構(gòu)、側(cè)臂機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動；旋轉(zhuǎn)幅度為180°；旋轉(zhuǎn)速度為2.5 r/min；輸送速度為18 m/min；全流程動作時間控制在24 s 內(nèi) 。托盤轉(zhuǎn)換器如圖12 所示。

圖12 托盤轉(zhuǎn)換器示意圖

4.7 拆/碼盤機(jī)

托盤拆/碼盤機(jī)是托盤出入庫系統(tǒng)的專用設(shè)備，托盤拆盤機(jī)可同時用于拆/碼托盤。拆盤機(jī)用于將已經(jīng)碼好的空托盤垛逐一發(fā)放到輸送系統(tǒng)中，用于碼貨。碼盤機(jī)用于將空托盤逐一進(jìn)行疊放，用于空托盤的疊放入庫。本項目拆/碼盤機(jī)輸送速度18 m/min；效率3 p/min；疊放層數(shù)為9 層，疊盤定位精度±10 mm。拆/碼盤機(jī)如圖13 所示。

圖13 拆/碼盤機(jī)示意圖

5 倉庫管理與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計

自動化立體倉儲自動調(diào)度及監(jiān)控和管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對立體庫的所有工藝設(shè)備進(jìn)行邏輯的控制、監(jiān)控和管理，使立體庫的所有工藝設(shè)備按照工藝和作業(yè)流程協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)自動化立體庫工藝設(shè)備的聯(lián)機(jī)在線全自動控制，實時監(jiān)控，并對庫存貨物進(jìn)行相應(yīng)管理。

5.1 倉庫管理系統(tǒng)

5.1.1 倉庫管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WMS是對物料進(jìn)行管理的軟件，集成出入庫業(yè)務(wù)、盤點業(yè)務(wù)、調(diào)撥業(yè)務(wù)、LED信息顯示、作業(yè)狀態(tài)仿真監(jiān)視、報警顯示等相關(guān)功能。倉庫管理系統(tǒng)分為系統(tǒng)設(shè)備硬件及倉庫管理軟件2 部分。系統(tǒng)硬件按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，其主要設(shè)備包括：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、手持終端、磁盤陣列等。倉庫管理系統(tǒng)全部采用圖形用戶界面，有相應(yīng)的操作提示和操作指導(dǎo)功能，任務(wù)之間切換便捷。數(shù)據(jù)錄入可接受手工鍵盤輸入、條碼識別系統(tǒng)輸入或其他快速輸入方法。軟件設(shè)計采用模塊化和層次化，系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

圖14 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖

5.1.2 軟件功能架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)項目的需求，本項目系統(tǒng)WMS 功能劃分為倉庫業(yè)務(wù)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、查詢統(tǒng)計、設(shè)備運行監(jiān)控、庫存預(yù)警、報表分析、系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份和信息系統(tǒng)接口等功能模塊。

5.2 倉庫控制系統(tǒng)

5.2.1 倉庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WCS 位于WMS 和物流設(shè)備之間的中間層，實時與WMS 進(jìn)行信息交互，接受WMS 的任務(wù)，并將指令分解下達(dá)到底層PLC，從而驅(qū)動輸送機(jī)、堆垛機(jī)等自動化設(shè)備動作。同時WCS 對物流運行的路徑進(jìn)行規(guī)劃，傳遞底層物流設(shè)備的工作狀態(tài)給WMS 管理軟件，達(dá)到監(jiān)控物流設(shè)備狀態(tài)的目的。倉庫控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖15 所示。

圖15 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖

5.2.2 軟件功能架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)項目的需求，本系統(tǒng)WCS 功能劃分為：指令管理、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)控、作業(yè)管理、異常處理、故障報警、報文管理、OPC 狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)日志等功能模塊。

5.3 系統(tǒng)配置

倉庫管理與調(diào)度系統(tǒng)主要配置為DELL R730 服務(wù)器3 臺；Windows server 2012 操作系統(tǒng)3 套；SQL Server2014 數(shù)據(jù)庫1 套；DELL MD3 磁盤陣列1 臺；ROSEHA 雙機(jī)熱備1 套；DELL 工作站2 臺；CiperLab 9700 手持終端5 臺。

6 結(jié)語

自動化立體倉儲的設(shè)計須充分進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研和需求分析，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的掌握，才能對倉庫的整體規(guī)劃、作業(yè)方式、出、入庫搬運周期及出、入庫能力驗算、系統(tǒng)功能等相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行針對性有效性地開展工作。本項目通過壓力測試以及交付后的長時間運行使用，自動化立體倉儲系統(tǒng)運行正常，出入庫效率也基本符合當(dāng)初的規(guī)劃預(yù)期，實現(xiàn)了倉儲管理的智能化。