貨到人自動揀選系統研發及其工程應用

李 斌，魏 鑫，張敬敏，吳 振，張 楠

（1.北京機械工業自動化研究所物流中心，北京 100120；2.北京機械工業自動化研究所電物理中心，北京 110102）

0 引言

研究表明，在自動分揀系統中，揀選者大約70%的時間用在了移動上，實際上只有30%的時間在挑選產品。無論用什么技術和方式把貨物送到揀選者身邊，其主要目的是為了減少操作人員的移動時間。采用“貨到人”技術則節省了移動時間，從而大大提高了揀選者的工作效率。

在以小件貨物拆零揀選為主的作業環境中，揀選人員數量占全部作業人員總數的60%以上，這遠遠超過了收貨、運輸、包裝和其他物流環節的用工數量。“貨到人” 技術在快速訂單周期和多元化SKU的環境中越來越受歡迎。換言之，這不僅是降低勞動力成本的問題，而是能及時、快速、準確地處理訂單——這已經成為配送的主要因素。

在存儲密度大的情況下（如現有倉儲設施需要改造），實際上很多時候，節省空間成了另一個主要考慮因素。經驗表明，采用“貨到人” 技術，節省50%～60%的占用空間并不是什么不尋常的事情。其中最大的節約來自于更好地利用了現有建筑的立體空間，以及減少了通道空間。

國內外許多專家在展望物流技術發展的前景時，比較一致的看法是“自動化”、“智能化”和“標準化”是主要方向。“貨到人” 揀選很好地詮釋了這一發展趨勢。從“貨到人”獨有的優勢看，幾乎所有的行業都適宜采用“貨到人”技術，以提高效率和降低勞動強度。但在現階段，考慮到作業成本問題，并非所有系統都具備采用“貨到人”技術的條件。

大型電子商務配送中心是未來“貨到人”技術的重要應用領域，因為其拆零揀選將占揀選總量的95%以上，是最合適采用“貨到人”揀選技術的行業。醫藥物流，尤其是以拆零為主的配送中心，由于對物流效率和揀選準確性的高要求，是未來“貨到人”揀選應用的另一重要領域。此外，冷鏈物流由于作業環境惡劣，對于“貨到人”揀選有特別的需求，揀選區相對較高的溫度將使作業變得相對舒適。當然，傳統行業還有很多具備采用“貨到人”揀選的場合，如服裝、食品化妝品以及貴重品揀選等，均有應用“貨到人”揀選的需求。

1 系統簡介

本項目為某重工企業生產車間，要實現集中存儲，快速輸送300箱/小時到人揀選，且準確率達到99.9%揀選的要求，因此整體方案劃分為三個功能區域：存儲區域、輥筒輸送區域、揀選區域，并分別細化設計。

存儲區域貨架采用雙伸位貨格，以實現貨位空間的有效利用。為適用短距離輸送和多層貨架存取貨物，配備穿梭車和換層提升機。輥筒輸送區域實現料箱從穿梭車到揀選站臺的輸送功能，同時為了保證輸送的流向一致，不同的料箱種類分兩層分別輸送。揀選區域主要供人揀選物料，需要實現2:6揀選、35kg承載以及300箱/小時的揀選任務。

如圖1所示，生產車間分為存儲區、輸送和揀選區。料箱的運行方向為箭頭所指方向。大體布局可以分為兩層，一層流通的是訂單箱，二層流通的為揀選箱。

圖1 總體布局

2 軟件流程設計

貨到人管理軟件系統可分為六個管理階段，分別為：數據準備、任務準備、訂單上線、人工揀選、揀選完成、訂單完成，通過與ERP系統同步訂單任務，對訂單進行訂單優化，通過多層穿梭車系統實現物流系統輸送，并最后對訂單復核打包進行管理，實現了對整體物料系統的信息跟蹤。

1）數據準備

訂單數據由ERP發起，ERP會預先將要出庫的出庫任務同步至WMS（通常預期為T+1），訂單必須具有需求時間，WMS系統根據需求時間進行訂單整合，形成訂單出庫任務。

圖2 數據準備

2）任務準備

根據出庫任務，進行任務路徑的優化，系統將貨架進行分類，將即將需要揀選的訂單優化排序，優化完成后根據訂單生成任務序列。

3）訂單上線

圖3 任務準備

人工開工時，通過看板系統登錄至揀選工位，當人工上線時，同時根據訂單序列，生成上線訂單，將訂單綁定至貨到人下層的訂單箱工位上，同時根據訂單箱位置數量進行訂單執行數量的控制，將已激活的訂單任務，下發至WCS，通過設備輸送至揀選工位。

圖4 訂單上線

4）人工揀選

物料箱到達揀選工位是，系統將自動驅動揀選信息看板顯示揀選內容、驅動揀選位置LED燈帶、驅動訂單箱位置LED燈帶并驅動點亮電子標簽，人工根據燈帶提示、電子標簽提示進行目視化揀選，最后通過看板核對。

圖5 人工揀選

5）揀選完成

人工揀選完成后，按電子標簽確認按鈕，接收信息同時，根據電子標簽數量進行物料箱至訂單箱的數據更新，記賬完成后，驅動輸系統將訂單物料箱回庫，單條揀選任務結束。

圖6 揀選完成

6）訂單完成

當一個訂單的全部物料揀選完成時，系統驅動打印機自動打印對應訂單箱面單，人將面單投入訂單箱中，確認訂單箱完成，輸送系統將訂單箱驅動至相應的打包地點，打包人員根據訂單箱面單信息復合、確認、打包。系統接收確認信息進行賬務處理，同時將信息同步至ERP系統，實現賬務實時統一，至此訂單結束。

圖7 訂單完成

7）訂單箱存儲周轉

貨到人系統在SKU主數據中，需要維護物料體積（長寬高）或物料在周轉箱內存儲的最大存儲數量，系統在人工揀選確認時，會根據SKU數據進行訂單箱當前容積的判斷，當訂單箱將放滿時，會自動根據訂單箱進行訂單拆單，驅動系統打印面單，同時補充新的訂單箱，實現了一個訂單對應多個訂單箱存儲的管理。

軟件界面顯示如圖9所示，左側文字顯示基本信息，右側可以添加物料照片，主體按照揀選設備布置位置，顯示揀選箱物料位置、訂單箱位置、以及揀選數量等提示信息。

通過計算機顯示待揀選的物料信息、屏幕點亮物料所處貨格的位置，同時顯示揀選數量，以及屏幕點亮對應訂單箱的位置。待揀選完成后，確認按鈕按下，訂單完成。

圖8 訂單箱周轉

圖9 揀選界面

3 控制系統設計

項目的電氣控制系統由堆垛機控制系統和輸送線控制系統組成，是該工程自動化物流系統的現場執行系統，是以技術協議中關于電控系統的技術要求進行設計的。本控制系統的總體設計思路為“集中管理、綜合與分片監控相結合、分散控制、減少人工”。 底層設備控制系統可向上位管理調度系統上傳現場生產設備狀態、工藝數據和傳遞信息。上位管理調度系統可向下發布物流調度信息，可采集生產現場的各種數據。控制系統采用集中—分散型以太網控制方式，使用了方便靈活的硬件和軟件模塊組合設計，以適應系統中不同特點的工藝控制要求和管理要求，使之成為既滿足工藝要求的精確控制又滿足管理現代化的物流系統。

整個控制系統的PLC全部選用功能強大可靠的SIEMENS公司的工控產品。輸送設備共4段，由一個PLC來控制，PLC選用了西門子的CPU-315 2PN/DP。現場采用以太網通訊，包含有線以太網和無線以太網兩個部分，有線以太網主要用于連接輸送機控制柜和上位計算機、無線基站，無線以太網主要用于建立地面輸送系統和堆垛機之間的通訊以及供入庫掃描手持終端使用。

所有控制系統采用集中與分散結合、自動與手動相結合的控制方式使系統具有靈活的操作性，設計過程既考慮了系統工藝要求，又確保操作控制方便自如。

堆垛機采用S7-314 PLC控制器進行控制，輸送線控制柜內配置S7-315 PLC控制器，PLC通過以太網TCP/IP協議完成與上位計算機系統的通訊，通過協議規定的格式接收上位機下發的作業指令，將待揀選料箱和空料箱出庫輸送到揀選位置，同時回收揀選完成的料箱置立體庫內入庫存放，并上報存貨地址到上位機。

控制系統的主要目標是根據上位機下發的訂單實現輸送料箱的高效、準確，同時保證跟蹤的信息準確無誤。為了提高系統的效率，一是要確保揀選料箱能順暢快速到達揀選位置，出庫與入庫回流都不能出現擁堵的情況；二是要保證訂單料箱（即空料箱）的及時供應，在本項目中由于采用了分層揀選的方式，訂單料箱單獨在二層流轉，不會與揀選料箱發生沖突，能順利地滿足WMS下發的揀選任務需求。

4 硬件設計

1）貨架

貨架在現代物流活動中，起著相當重要的作用，倉庫管理實現現代化，與貨架的種類、功能有直接的關系。貨架的作用及功能如下。貨架是一種架式結構物，可充分利用倉庫空間，提高庫容利用率，擴大倉庫儲存能力。存入貨架中的貨物，互不擠壓，物資損耗小，可完整保證物資本身的功能，減少貨物的損失。貨架中的貨物，存取方便，便于清點及計量，可做到先進先出。保證存儲貨物的質量，可以采取防潮、防塵、防盜、防破壞等措施，以提高物資存儲質量。隔板式貨架主要包括立柱、隔板梁、穿梭車運行軌道。

項目采用的是雙伸位的貨架，軌道兩層分別可以放置兩列料箱。每層的布置為同一水平面保證料箱可以被水平推入或拉出。巷道內側的貨架立柱上每層都設置了穿梭車軌道，保證穿梭車在每一層可以正常運行，并取到所有位置的貨物。

2）穿梭車

穿梭車是存取貨物的關鍵設備，在貨到人系統中存取貨物的設備可以是多種的，如mini-load、agv等等。本項目采用的穿梭車配備夾抱式雙工位貨叉，這種結構可以滿足，同時處理兩個料箱的需求。

3）提升機

在采用穿梭車的“貨到人”系統中需要配備提升機。提升機的作用也是多種的，包括實現穿梭車換層功能的換層提升機。

提升機主要由機體、升降貨臺、軌道、安全防護裝置、外購件等部件構成。

機體：升降機為四立柱框架，頂部橫梁連接，驅動裝置于升降機頂部，外圍用有機玻璃板防護。

升降貨臺：升降貨貨臺靠提升鏈條與主機架連接，并導向滾輪和導軌導向，提升鏈條的另一端與平衡配重塊連接。

換層提升機具有穿梭車軌道，采用與貨架一致的矩形方管。載貨提升機則配有電滾筒輸送機。

安全防護裝置：貨物進出異常檢測，電機過載檢測，斷鏈檢測，跌落制動等。

外構件配置：帶制減速電機SEW，3相380V。

表面涂裝：機體、導向件、附件等零部件經鋼絲刷、砂紙等除銹，并經酸洗去油脂，經磷化后表面靜電噴涂環氧樹脂粉末并烘烤。裸露的機械加工零件經鍍鉻或發黑處理。緊固件皆經鍍鉻處理。

4）輥道輸送機

通過拼接聯通輥道輸送機，完成料箱由出庫站臺到揀選工作站的任務。電動滾筒運行平穩、速度快，完成指定料箱的運送工作同時起到了積放暫存的作用，能夠滿足高峰期較大的吞吐量。

結構輕便，設計合理，料箱輸送系統主要由輕型輥式輸送機、輕型移載機、尺寸檢測裝置、超重檢測裝置組成。性能可靠、美觀大方、并且便于安裝和使用期間的維護保養，電氣元件質量優良、運行噪音滿足環境要求。尺寸檢測裝置能夠切實檢測到異常情況，并有效報警。尺寸檢測允許一定范圍內的誤差。出入庫輸送系統可滿載啟動，設備運行平穩可靠、無異響、無脈沖式跳動。整機啟、停平穩，無打滑、撞擊現象。輸送線每一段每一驅動單元均采用變頻調速控制。輸送機控制方式具備自動、手動和聯機自動方式。便于操作人員操作。兩側具有保護導向裝置，完善的連鎖保護裝。

5）揀選站臺

整體結構思路采用垂直揀選模式，從上向下揀。因此，揀選站有兩層組成，上層是揀選箱，下層流通訂單箱。兩種料箱各自在不同層運行，保證運送的高效和揀選的準確性。為滿足項目需求2:6揀選，在二層設置兩個揀選箱位置，一層設置6個訂單箱位置，同時滿足在線進行6個訂單的揀選任務。

系統收到訂單下發的指令，調配相應數量的空料箱出庫，到一層指定訂單箱揀選位置。同時，系統根據訂單需求，調配相應物料箱出庫，到二層指定揀選箱位置。揀選者根據系統提示，進行訂單揀選，完成后確認。

系統收到確認指令后，將一層揀選完成的訂單箱，輸送到制定位置，同時將揀選完成的揀選箱，輸送會立體庫內存放。

揀選站是直接與揀選者交互的設備，為了更好的用戶體驗。考慮到二層的料箱高度和距離，揀選者尋找物料和拿取物料不方便，二層揀選臺未傾斜時高度為

【】【】1389mm，且箱口豎直向上，人豎直站立自然伸手高度比二層揀選口抵310mm左右。人的視線基本觀察不到箱子底部。為此將二層設置為可以向揀選者傾斜的方式，既方便了查看箱底的物料，同時在揀選的時候更加方便順手，揀選臺傾斜后高度為1233mm，下降了150mm左右，且箱口的朝向也發生了變化，與豎直方向形成70°夾角。此時，手臂位置與箱口高度差在150mm左右，

上層揀選站臺采用進口氣缸升降，此種方式保證揀選臺升降迅速且平穩。

5 結束語

經過在實際項目中的應用測試，按上述流程設計的貨到人揀選系統，能滿足廠方大批量、多品種的復雜揀選任務，峰值效率達到了預期的訂單揀選300箱/min，訂單揀選準確率超過了99.5%，達到了快速、準確、及時的工程預期效果。綜上所述，該貨到人自動揀選系統是現代智能物流倉儲技術中一項值得推廣的技術，能為廠方，尤其是有大量揀選需求的生產型工廠，帶來更多的便利和更大的經濟效益。

[1]丁立言,張鐸.倉儲自動化[M].清華大學出版社,2002.

[2]德國西門子公司,S7-300系統手冊[K],2016.

[3]魏鵬.自動化立體倉庫控制系統[J].科技信息(學術研究),2008(11).