穿梭式自動化立體倉庫在夢牌瓷業的應用研究

楊 驍 徐漢均 蔡 靖 聞 琦 徐 健/文

穿梭式自動化立體倉庫在夢牌瓷業的應用研究

楊 驍 徐漢均 蔡 靖 聞 琦 徐 健/文

本文介紹了一種新型的穿梭式自動化立體倉庫的設計理念、信息系統架構、作業調度方式，提出了一套該類自動化立體倉庫的解決方案。貨物在高層密集貨架區的存取任務是由兩臺巷道式對跑堆垛機的三維運動和自動穿梭板的水平運行來完成的，實現了立庫高度自動化和高度空間利用率的使用效果。在常規立庫調度方式的基礎上設計了新的堆垛機和穿梭板協同作業的調度算法，優化了作業效率。最后，對庫存量和出入庫效率進行了核算。

穿梭板、對跑堆垛機、自動化立體倉庫、倉儲信息系統、作業調度算法

隨著生產技術的增強和生產規模的擴大，企業對密集式倉庫存儲系統的需求也更加急迫。傳統巷道式堆垛機解決方案，具有自動化程度高的優點，但是其單伸位甚至是雙伸位的貨叉結構不能充分利用倉儲空間；穿梭板配合叉車的工作模式雖然具有空間利用率高的優點，但是難以建立合理的信息管理系統，不能實現全自動化作業。因此，穿梭式自動化立體倉庫結合了上兩類傳統立庫的優點，實現了高度自動化和高度的空間利用率；更重要的是，穿梭式自動化立體倉庫的設計理念不僅需要滿足用戶的基本使用要求，還要兼顧作業效率和用戶體驗等多方面因素，需通過先進的信息系統架構和作業調度算法實現高效的自動化作業。

一、總體規劃描述

穿梭式自動化立體倉庫

圖1是該倉庫的平面布局圖，主要包括南側入庫口、密集貨架存儲區、北側出庫口、貨物周轉區、抽檢出庫口和中央控制室等。

倉庫的南北兩側均有單排貨架和堆垛機運行的巷道，兩巷道間是密集存儲的主體區域，主體區域采用5層86列23排的貨架排列結構，按照每列（通道）只能放入同一種貨物的存儲原則。貨物的存取任務是通過兩個巷道的單伸位對跑的堆垛機（共4臺）和6臺穿梭板來完成的，同時通過倉庫管理系統（WMS）和倉庫監控系統（WCS）對倉庫的物流信息進行實時監控、調度和信息流的維護。

南側入庫口通過入庫周轉區與生產車間直接相連，貨物碼垛完畢后，需要將貨物名稱和數量與托盤信息綁定并上傳至WMS，托盤信息是整個物流系統的信息載體。叉車將入庫貨物放在入庫口的輸送機上，準備入庫。同時，南側出庫口也可以實現產品的先進后出、抽檢、更改包裝、出空托盤等出庫作業功能，并且可以指定具體的出庫站臺。

北側出庫口通過出庫周轉區與裝車平臺直接相連，物流信息系統根據出庫訂單的要求，并按照指定日期、先進先出等原則自動分配出庫作業，進行整托盤貨物出庫，并可揀選回庫。

單排貨架的主要功能是：當執行揀選回庫、需要臨時存放的某些特殊貨物的入庫作業時，或是執行隨機抽檢、盤庫等作業時不可避免的需要生成搬庫作業，單排貨架上可以快速存放這幾類作業的貨物。

圖1 ：穿梭式自動化立體倉庫的平面布局圖

圖2 ：穿梭式自動化立體倉庫信息系統的硬件架構

圖3 ：穿梭式自動化立體倉庫信息系統的軟件架構

二、穿梭式自動化立體倉庫中自動化設備的特點

穿梭式自動化立體倉庫物流系統的自動化設備包括堆垛機、穿梭板和出入庫端站臺。倉庫的網絡架構采用集成現場總線PROFIBUS、100/1000M高速以太網混合體系結構，堆垛機和穿梭板的控制系統的網絡采用無線通信，上層管理級網絡采用以太網方式。

1.巷道式堆垛機

堆垛機是倉庫物流系統的基本設備和重要環節，它接收并執行WCS下發的作業任務。倉庫采用南側入庫北側出庫的管理方式，因此，與以往單巷道的堆垛機自身存取貨物的方式不同的是，執行入庫、出庫作業的分別是南北側的不同堆垛機。考慮到貨架與堆垛機垂直立柱等多方面機械誤差因素，為了保證貨物在載貨臺上不偏離中心位置，在水平采用BPS絕對認址的基礎上，增加了“孔定位”技術，它可以對堆垛機水平停準列的列值進行修正。

當堆垛機搬運穿梭板和搬運貨物時，垂直方向分別采用穿梭板認址和貨物認址兩種方式。

2.穿梭板

穿梭板在其專用軌道中沿軌道進行南北方向上的水平運行，配合升降動作可以進行存取貨物的作業。定義北側、南側的作業基準面分別為A面、B面。穿梭板有兩種工作模式，當處于叉車模式時，穿梭板將停在作業基準面的貨架端頭處，等待堆垛機前來搬運，實現作業通道的更換；當處于堆垛模式時，穿梭板將執行單存、單取、理貨和盤點等托盤貨物的作業任務，當作業執行完畢后，穿梭板會停留在工作基準面的第二個貨位處等待新作業。

由于穿梭式自動化立體倉庫網絡架構的強大性，它能夠解決在穿梭板配合叉車模式的立體庫中，穿梭板不能自動充電的難題。當穿梭板電量低于一定閾值時，它將向WCS申請“請求充電”，WCS根據其作業狀態和實時電量，判斷是否讓穿梭板繼續執行完該通道的出庫作業還是立即充電。這種調度方式可以使穿梭板在低于警戒電量之前仍然執行部分出庫任務，保障了作業效率。

三、信息系統架構

1.信息系統的硬件架構

信息系統的硬件包括服務器、管理機、監控機、UPS電源、網絡交換機、無線基站、無線手持終端、條形碼閱讀器、LED顯示屏以及打印機等設備，如圖2。服務器采用磁盤陣列存儲和備份數據，保證立體倉庫數據的安全性和可靠性。管理機對倉庫運行參數和數據進行定義、管理和維護，它能有效地控制并跟蹤倉庫物流的全過程，并且具備與ERP、MES等系統的接口模塊，實現全面的企業倉儲信息管理。監控機從WMS、掃描終端、PLC和數據采集設備處接收信息，通過對物流設備進行的動態監測、控制與調度，執行倉儲系統的作業任務。

圖4 ：入庫作業的調度流程圖

圖5 ：出庫作業的調度流程圖

2.信息系統的軟件架構

信息系統的軟件包括數據庫軟件、管理軟件、調度軟件和監控軟件，它們用于參與信息系統軟件架構的組建，如圖3。倉庫系統的軟件架構分為五層：數據層以數據庫為底層數據中心；自動控制層以各設備的PLC控制器為核心；應用軟件層使用數據庫管理系統作為數據庫和上層管理系統及調度系統的中樞，監控組態軟件實現對PLC控制器的狀態采集與顯示；事務處理層含有實現系統核心功能的多個重要模塊，包括作業調度、通訊、接口、數據維護、臺賬處理等模塊；用戶界面層是可以直接操作的人機交互界面，并且對事物處理層和應用軟件層進行操作與維護。

四、作業調度算法

入庫和出庫的調度算法是倉儲物流調度系統中最為核心的兩個環節。比常規立庫復雜的是，該立庫除堆垛機的作業調度之外，還要調度穿梭板，以及解決堆垛機與穿梭板的配合問題。調度算法需保證它們的作業互不干擾且步調協同一致，動作相對獨立且無縫銜接，注重作業發送的時機和順序，達到高效運轉的作業效果。

1.入庫作業調度（如圖4）

綁定信息后的貨物在入庫站臺生成入庫請求，WCS根據已知的庫存信息等條件分配最優的入庫通道地址，繼而給相應堆垛機下發入庫作業，并且指定唯一的作業序列號。WCS根據該通道內是否有穿梭板而決定是否需要堆垛機首先執行搬穿梭板的作業，而后再執行貨物入庫至指定通道貨架端頭的作業任務。通道內的穿梭板執行單存作業，將貨物存入指定的貨位中，完成單存作業后，管理系統自動記錄賬目信息。至此，完成一條入庫作業。

堆垛機在完成一條作業之后，有10秒的空閑等待時間，在這10秒之內，堆垛機可以接受新的作業；當10秒時，堆垛機被提前調度，運行至有入庫請求的入庫站臺位置。

如何使南側三個入庫站臺和兩臺對跑堆垛機能夠協調配合，是提高入庫效率的有效辦法。每個入庫站臺有三種工作方式：1號堆垛機單獨取貨、2號堆垛機單獨取貨和隨機分配堆垛機。入庫時，按照存貨地址的不同，1、2號堆垛機各負責半個倉庫的區域。當在爆倉警戒線之前，選擇堆垛機單獨取貨模式，實質上是將倉庫分成了兩個相對獨立的庫區，同一種貨物最多存在兩條未滿貨通道；當爆倉警戒線觸發時，切換至隨機分配堆垛機模式，同一種貨物只能存在一條未滿貨通道。

2.出庫作業調度（如圖5）

庫房管理員通過ERP所建立的單據，自動地在數據庫中查找出符合要求的貨物及其地址，并生成出庫作業隊列，指定唯一的作業序列號，堆垛機和穿梭板逐一執行作業隊列中的出庫任務。在出庫通道貨架端頭處沒貨的情況下，WCS根據該通道內是否有穿梭板而決定是否需要堆垛機首先執行搬運穿梭板的作業。穿梭板執行單取作業，將貨物送至該通道的貨架端頭處，完成單取作業。堆垛機執行出庫作業，將貨物出庫至指定出庫站臺，管理系統自動銷除賬目信息并生成歷史庫存記錄。至此，完成一條出庫作業。

提高出庫效率的核心在于根據出庫作業隊列和穿梭板、堆垛機當前的作業狀態，對二者進行提前調度。當穿梭板完成單取作業后，如果下一條出庫作業同樣也在此通道中，那么穿梭板將立即去執行下一條作業，直至將貨物送至此通道的貨架端頭處，設置單取作業完成。當堆垛機完成出庫作業后，如果下一條出庫作業同樣也在此通道中，堆垛機提前運行至此通道在空閑狀態下等待，待穿梭板完成單存作業后，堆垛機開始執行出庫作業。

一般情況下，兩臺對跑堆垛機各負責半個庫區的出庫任務，3、4號堆垛機首先使用的出庫站臺順序分別為至西至東和至東向西，這樣可以有效地避免對跑時的避讓干涉。兩臺堆垛機在完成各自半庫區的出庫任務之后，將按照列遞增或遞減的順序，協助完成另一半庫區的出庫作業。

五、能力核算

1.庫存量核算

穿梭式自動化立體倉庫的平面長159.8米，寬33.9米，每層平面貨位數為2150個（86列×25排），貨位寬1.2米。庫房內有四臺堆垛機，兩條巷道，每條寬1.6米，每臺堆垛機的造價是穿梭板的三倍以上。

在相同的庫房寬度時，若采用六臺單巷道堆垛機的模式，至多只能容納下20排貨物，因此，穿梭式立庫的庫存量增加了25%。若采用六臺單巷道雙深位堆垛機（24排），庫房寬度則需要增至約38.4米，此寬度的穿梭式立庫，每列將能存30排貨物，此時，庫存量同樣增加了25%。

2.穿梭式立庫的出入庫能力核算

堆垛機和穿梭板的水平運行速度分別為120米/分鐘和60米/分鐘。由于出庫時對堆垛機和穿梭板進行了提前調度，因此每條作業的時間總是由作業時間長的一方所決定。

經實踐測算，穿梭板在一個通道內單取作業的時間中位值為74秒，最短、最長時間為42秒和158秒；以3號堆垛機將位于21列的貨物出庫至43列的出庫站臺為例（庫房長度的1/4），堆垛機往返平均所需要的作業時間為72秒（單程水平運行24秒，貨叉存、取貨過程各需要12秒）。因此，這一個通道中23排貨物，前11排貨物的作業時間由堆垛機所決定，后12排的作業時間由穿梭板所決定，總作業時間約為1943秒，每盤作業時間約為85秒。因此，兩臺堆垛機同時出庫的作業效率約為84.7盤/小時。

根據分配出庫貨位的原則可知，兩臺堆垛機的工作狀態存在三種情況：一臺單獨工作、一臺幫助另一臺出庫、兩臺獨立工作，三種出庫情況每小時出庫量為43.4盤、65.1盤、84.7盤。根據實際情況可知，三種情況出現的概率分別為0.2、0.1和0.7，因此兩臺出庫堆垛機的平均總作業效率為74.5盤/小時。

同理，入庫時也對堆垛機和穿梭板進行了提前調度，每條作業的時間也總是由作業時間長的一方所決定，因此，入庫作業時間是出庫作業時間的逆過程。在爆倉警戒線之前，獨立工作的兩臺入庫堆垛機總作業效率約為84.7盤/小時。當爆倉警戒線觸發后，協同工作的兩臺入庫堆垛機的總作業效率約為65.1盤/小時。

作者單位為北京機械工業自動化研究所