1、第六章 自动化立体仓库,通过学习本章的内容，应该： 1.了解自动化仓库的构成 2.了解自动化仓库的作业过程 3.了解出、入库流量验算与堆垛机的存取作业周期,本章目标,1.1 基本概念 仓库(warehouse)是保管、储存物品的建筑物和场所的总称。 自动化仓库（automatic warehouse）是由电子计算机进行管理和控制的，不需要人工搬运而实现收发作业的仓库。 立体仓库 （stereoscopic warehouse）是指采用高层货架配以货箱或托盘储存货物，用巷道堆垛起重机及其它机械进行作业的仓库。 自动化立体仓库是自动化仓库与立体仓库的有机结合，实现仓储过程自动化的自动仓储系统。,1
2、 自动化立体仓库概述,1.1 基本概念,自动化立体仓库：又称自动存储取货系统 automated storage & retrieval system (AS/RS)借助机械设施与计算机管理控制系统实现存入和取出物料的系统。（2007国家标准）,高层货架，巷道堆垛机、自动分拣系统、出入库自动输送系统、周边设施设备等,控制系统+上位管理系统,1.2 自动化立体仓库的发展状况,1.2.1 国外发展情况美国于1959年开发了世界上第一座自动化立体仓库，并在1963年率先使用计算机进行自动化立体仓库的控制管理。70后代以来，发达国家大力推广商品物流自动化、高速化、信息化，在各大城市纷纷建立了大型自动化
3、立体仓库。进入80年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围几乎涉及所有行业。先进的技术手段在自动化仓库中得以应用：实现了信息自动采集、物品自动分拣、自动输送、自动存取，库存控制实现了智能化，自动导引车得到广泛应用，大大提高了仓储作业效率。一座大型自动化立体仓库每小时可完成500-800次出入库作业。,1.2.2 我国自动化立体仓库的发展概况,相对国外发达国家而言，我国的自动化仓库的发展起步较晚，自1974年在郑州纺织机械厂建成我国第一座自动化立体仓库以来，我国自动化仓库领域的发展速度比较缓慢。到目前为止，我国已经建成自动化仓库有600座以上 。 我国的自动化仓库大部分是简易的中低层小型
4、分离式仓库。货架只有单元货架和重力货架两种。作业方式几乎都是巷道堆垛机配以小车、叉车或输送机等周边设备。这些仓库主要分布在机械制造业，乳制品业、烟草业、电器业、医药业。,1.2.3自动仓库的发展过程,按自动化的程度分为五个阶段:人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成自动化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。 1) 人工仓储阶段在这一阶段，仓储过程各环节的作业（包括物品的输送、存储、管理和控制等）主要靠人工来完成。这一阶段的优点是可以面对面地接触仓储全过程，初期的设施设备投资少。,2) 机械化仓储阶段,这一阶段的作业特点是作业人员通过操纵机械设备来实现物品的装卸搬运和储存等作业活动。如通过
5、传送带、工业搬运车辆、堆垛机等来移动和搬运物料，采用各种货架、托盘等来存储物料。机械化程度的提高大大提高了劳动生产率，提高了装卸搬运的工作质量，改善了作业人员的劳动条件，且由于采用了货架来储存货物，避免了货品之间的相互挤压，改善了货品的储存保管条件，另外，使储存空间向立体方向发展，大大提高了存储空间的利用率。 这一阶段仓储机械设备需要投入大量的资金，且必须投入一定的费用来科学地管理和维护这些机械设备，以保证设备的合理使用。,3)自动化仓储阶段,50年代末和60年代，相继研制和采用了自动导引小车（AGV）、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。 70年代和80年代，旋转体式货架、移
6、动式货架、巷道式堆垛机和其它搬运设备都加入了自动控制的行列。 但这时只是各个设备的局部自动化，各自独立应用，被称为“自动化孤岛”。,3)自动化仓储阶段,随着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管理，要求计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的通信，及时地汇总、共享信息，实现实时、协调和一体化：仓库计算机及时地记录订货和到货时间，显示库存量；计划人员可以方便地作出供货决策，他们知道正在生产什么、订什么货、什么时间发什么货；管理人员随时掌握货源及需求。信息技术的集成与综合应用已成为仓储技术的重要支柱。,4) 集成自动化仓储阶段,将仓储过程各环节的作业系统集成为
7、一个有机结合的综合系统，称为仓储管理系统（WMS），在仓储管理系统的统一控制指挥下，各子系统密切配合，有机协作，使整个仓储系统的总体效益大大超过了各子系统独立工作的效益总和。在这一阶段，货品的仓储过程几乎可以不需要人的参与，完全实现仓储的自动化。,5)智能自动化仓储阶段,人工智能技术的发展推动了自动化仓储技术向智能化方向发展。在这一阶段，系统可以完全自动的运行，并根据实际运行情况，自动地向人们提供许多有价值的参考信息：如对市场前景作出科学的预测；根据货品的需求情况对仓储资源的有效利用提出合理化的建议；对系统运行的效果提供科学的评价；根据多个客户的地理位置，提供最优化的运输路线等。总之，目前智能
8、化仓储技术阶段还处于初级发展阶段，在这一技术领域还有大量的工作需要人们去做，具有广阔的发展空间。,知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人 RFID、物联网技术,1.3 自动化立体仓库的特点,1.3.1 优点 1)大大提高了仓库的单位面积利用率； 2)提高了劳动生产率，降低了劳动强度; 3)减少了货物处理和信息处理过程的差错; 4)合理有效地进行库存控制; 5)能较好地满足特殊仓储环境的需要; 6)提高了作业质量，保证货品在整个仓储过程的安全运行; 7)便于实现系统的整体优化.,1.3.2 实施难点,1) 结构复杂，配套设备多，需要的
9、基建和设备投资很大； 2) 货架安装精度要求高，施工比较困难，而且施工周期长； 3) 由于不同类型的货架仅适合于不同的储存物品，储存货品的品种受到一定的限制，因此，自动化仓库一旦建成，系统的更新改造比较困难。,1.4 自动化仓库的适用条件,1) 货品的出入库频率较大，且货物流动比较稳定 2) 需要有较大的资金投入 3) 需要配备一支高素质的专业技术队伍 4) 对货品包装要求严格 5) 仓库的建筑地面应有足够的承载能力,1.5 自动化仓库一般功能,1) 收货载货车辆站台、站台收发设施（升降桥）、称重计量设备等 2) 存货输送设施、 移载小车、载货平台、堆垛机、高层货架（由管理控制系统协调系统）
10、3) 取货堆垛机、输送设施、载货平台、移载小车、分拣设施 4) 发货包装设施、叉车、站台收发设施（升降桥）、称重计量设备等 5) 信息查询库存信息、货位信息、作业信息等,1.6 自动化立体仓库的类型,1.6.1 按照高层货架与建筑物之间的关系 1）整体式货架除了储存货物以外，还作为库房建筑物的支撑结构，是库房建筑的一个组成部分，即货架与建筑物形成一个整体。这种形式的仓库建筑费用低，抗震等级高，尤其适用于15米以上的大型自动仓库。 2）分离式货架与建筑物相互独立。适用于车间仓库、旧库技术改造和中小型自动仓库。,1) 单元货格式自动化仓库 这种类型在立体仓库中应用最为广泛，其结构特点是货架沿仓库宽
11、度分为若干排，每两排货架为一组，各组货架之间留有堆垛机进行存取作业需要的巷道；沿仓库长度方向分为许多列；沿高度方向分为若干层，因而整个货架形成了储存货物的大量货格，货格的开口面向巷道。,1.6.2 按货架的结构形式,立体货架断面示意图,1.6.2 按货架的结构形式,1) 单元货格式自动化仓库,单元货格式自动化仓库结构示意图,贯通式货架是在单元格式货架的基础上发展起来的，它是为了提高仓库的面积利用率，将货架合并在一 起，使同一层、同一列的货物相互贯通，形成能依次存放多个货物单元的通道。根据货物单元在通道内移动方式的不同，贯通式货架又可进一步分为重力式货架和梭式小车式货架两种类型。,2) 贯通式自
12、动化立体仓库(重力式/梭式小车式),重力货架式自动仓库，存货通道具有一定的坡度。装入通道的货物单元能够在自重作用下，自动地从入库端向出库端移动，当货物到达通道的出库端或者碰上已有的货物单元时停住。当位于通道出库端的第一个货物单元被取走之后，位于它后面的各个货物单元便在重力的作用下依次向出库端移动。由于在重力式货架中，每个单位存货通道只能存放同一种货物，所以这种类型的仓库适用于品种较少而数量较多的货物存储。,2) 贯通式自动化立体仓库(重力式/梭式小车式),梭式小车式货架，它是在重力货架的基础上发展起来的另一种结构形式。它由梭式小车在存货通道内往返穿梭，进行货物的搬运。需要入库的货物送到存货通道
13、的入库端，然后，由位于这个通道内的梭式小车将货物运送到出库端或者依次排在已有货物单元的后面。出库时，由出库起重机从存货通道的出库端叉取货物。梭式小车则不停地按顺序将货物一一搬运到出库端，梭式小车也可以从一通道移动另一通道进行工作。,2) 贯通式自动化立体仓库(重力式/梭式小车式),2) 贯通式自动化立体仓库(重力式/梭式小车式),重力货架式自动仓库结构组成示意图,梭式小车式货架结构示意图,3) 移动货架式自动化仓库,4) 旋转式自动化立体仓库,水平旋转式货架仓库结构示意图,货架可以在水平面内沿环线来回运行,2 自动化立体仓库的总体构成,自动化立体仓库主要由土建工程辅助设施系统、机械系统和控制管
14、理系统三部分组成，其中机械部分包括货物储存系统、货物存取和传送系统,1）货物传送和存取系统。货物传送和存取系统由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械组成。 2）货物储存系统。货物储存系统由立体货架的货格（托盘或货箱）组成。货架的结构形式可分为分离式、整体式和柜式三种，按其高度分为高层货架（12m以上）、中层货架（512m）、低层货架（5m以下），货架按排、列、层组合成立体仓库储存系统。 3）控制和管理系统。控制与管理系统是自动化立体仓库充分发挥其优越性的关键。,2 自动化立体仓库的总体构成,2.1 自动输送系统,螺旋滑槽式垂直输送机,自动导引车系统,自动导引车（简称AGV：utomatic
15、 uided ehicle）是指能够自动行驶到指定地点的无轨搬运车辆。 多个AGV在控制系统的统一指挥下，分别按照系统规划的路径行驶，从而完成货物的自动输送任务，这样就构成了一个自动导引车系统(简称AGVS:Automatic Guided Vehicle System)。,2.2 货架自动存取系统,单元货格式自动化仓库结构示意图,货架与输送系统的连接,2.3 自动分拣系统,主输送线,分流输送线,气缸侧推式分类机构,轮子浮动式分类机构,自动分拣系统的组成,1)控制装置 作用：识别、接收和处理分拣信号 2)分类执行装置 作用：执行控制系统发来的分拣指令，使货品进入相应的分拣通道。 3)输送装置
16、作用：将已分拣好的商品输送到相应的分拣道口，以便进行后续作业。 4)分拣道口 将商品脱离输送装置并进入相应集货区域的通道。,2.4自动控制系统,自动控制系统是自动化立体仓库能否正常运行的核心系统。为了实现整个系统的高效运转，自动化仓库内所用的各种存取设备和输送设备等都需要配备相应的控制装置，用于接受各种控制指令，实现各自的控制功能。控制系统的两种类型： 2.4.1 集中控制系统在自动化立体仓库内使用一台控制器对所有的自动化机械和设备实行统一控制的系统。,I/O接口丰富的单片机,集中控制系统结构示意图,2.4.2 分层分布式控制系统,三级控制系统是由管理级计算机系统、中央控制级计算机系统和直接控
17、制器组成的一个整体联网系统,进行联网控制。 1)管理级计算机系统管理级计算机可对整个仓库的所有作业和设备进行在线及离线管理，它是整个自动化立体仓库的管理核心，其主要功能是储位管理和库存动态管理，并具有实时输入、打印和显示功能以及各种查询功能。,管理级 中央控制级 直接控制级,2)中央控制级计算机系统,是整个自动化立体仓库实现自动控制的中心，控制和监视整个自动化立体仓库的作业设施。 接收并执行上位管理系统的指令； 监视现场设备及各项业务的运行情况； 完成与管理级计算机系统、各种自动化设备（如堆垛机、输送机、分拣机等）之间的通讯； 对设备进行故障检测及处理。,3)直接控制器,直接控制器由(可编程序
18、控制器)对各设备进行单机自动控制,直接控制堆垛机或输送机等设备的状态，完成单机的自动控制以及与中控级的通讯联系功能。,自动化仓库入库作业示意图,自动化仓库出库作业示意图,1需求分析。 在这一阶段里要提出问题，确定设计目标，并确定设计标准。 2确定货物单元形式及规格。 根据调查和统计结果列出所有可能的货物单元形式和规格，并进行合理的选择。 3作业方式及机械设备选择。 一般多采用单元货格式仓库。也可以采用重力式货架仓库或者其它形式的贯通式仓库。 决定是否需要拣选作业 起重设备 、输送设备,3 AS/RS的设计规程,3.1 工况分析和方案选择,3.2 模型建立及总体布置选择,1确定货位尺寸货位尺寸直
19、接关系到仓库面积和空间利用率，也关系到仓库能否顺利地存取货物。货位尺寸取决于在货物单元四周需留出的净空尺寸和货架构件的有关尺寸。,2确定仓库的整体布置要从技术上比较容易实现和经济上比较合理的角度确定 货架高度。一般情况下，每二排货架为一个巷道，根据场地条件可以确定巷道数。,如果库存量为N个货物单元，巷道数为A，货架高度方向可设S层，若每排设有同样的列数，则每排货架在水平方向应具有的列数C为：C=N/(2AS)。根据每排货架的列数C及货格横向尺寸可确定货架总长度L根据作业频率的要求，确定堆垛机的数量和工作形式，多数情况下每巷道配备一台堆垛机。确定高层货架区和作业区的衔接方式，可以选择采用叉车、运
20、输小车或者输送机等运输设备。按照仓库作业的特点选择出入口的位置。,一般情况下，AS/RS的总体布置形式如下表所示。,高架仓库中货物存取周期，即堆垛机完成一项作业后，再回到原地所需要的时间。货物的存取作业是仓储工作中很重要的一环，此时间的长短决定了仓库的出入库频率，是评价仓储作业效率和仓储系统的一项很重要的参数。存取作业周期的长短，不仅与堆垛机的行走、起升和货叉伸缩的时间有关，还与货种、货架的长度和高度、控制信号的获取与转换时间等有关。,3 3 出、入库流量验算与堆垛机的存取作业周期,1.高架仓库的作业方式 两种基本的存取作业方式：单一作业方式、复合作业方式。 单一作业方式：堆垛机从巷道口出入库
21、台出发，取一个单元货物送到选定的货位，然后返回巷道口的出入库台(单入库)；或者从巷道口出发，到某一给定货位取出一个单元货物送到出入库台(单出库)。,3 3 出、入库流量验算与堆垛机的存取作业周期,复合作业方式：堆垛机从出入库台取一件单元货物送到选定的货位，然后直接转移到另一个给定货位，取出其中的货物单元，再回到出入库台出库。为了提高作业效率，应尽量采用复合作业方式。,2.堆垛机作业周期计算参数 设货架的高为H，巷道长为L，堆垛机水平速度为vx，升降速度为vz。当堆垛机的走行机构和升降机构同时以速度vx和vz运行，经过一段时间，载货台运行到货架上的某一货位(x,z),因两机构的运行时间相等，则存
22、在下列关系：定义货架参数wW为货架高长比除以堆垛机升降水平速度比 根据堆垛机的速度，调整货架的长度与高度，可使得w=1，,下图表示了堆垛机行走机构和升降机构联合动作，完成单作业和复合作业的情况。图 (a)中，堆垛机必须在第1点，停止x方向的运动的同时，继续沿z方向运动才能到达指定的货位；进货完成返程时，在第3点，停止x方向的运动，由升降机构动作回到出发点O。由此，可算出堆垛机在z方向运行距离为 lz 时，所需时间 tz,上图 (b)可算出堆垛机在x方向运行距离为lx 时，所需的时间 tx。 下图中，线段OB左上的各个货位, 只要在垂直方向行走的距离为lz ，所需的时间均为tz，如图中AB线段上
23、的各个货位（与x方向行走的距离无关）。线段OB右下的各个货位,只要在水平方向行走的距离为lx ，作业的时间均是tx对于BC线上各货位即是如此。 在交点B处，tz=tx，所以，我们把线A-B-C称为等时线，即在这两条线上的各货位作业时间相同。,堆垛机作业周期的计算除了要考虑堆垛机行走和载荷台的升降时间外，还应考虑货叉的升缩作业时间。货叉伸缩的作业时间包括货叉伸出时间和货叉缩回时间，还要考虑货叉与托盘对位所需要的微动时间。在单作业时，货叉伸、缩各一次；双作业时，货叉要伸、缩各两次。 3.计算平均作业周期的方法 (1) 总体平均法1） 假设80%的作业是复合作业方式，20%是单作业方式。2）摒弃运行
24、距离特别近和特别远的两种极端情况，取货架长度和高度的20%和80%之间的范围作为经常运行的范围。3) 取四个复合作业和一个单作业为一组进行验算。它们的货格位置和运行路线如下图所示。,4)分别计算各次作业周期 、 、 、 、 。5)按下式计算一次入库和出库的平均作业周期：由此，可计算每小时平均入库或者出库货物单元数为：式中： 以秒计的平均作业周期。,(2) 分解平均法计算平均单作业周期 单作业周期 单作业周期是指堆垛机完成一次单入库或单出库作业所需要的时间ts ，参看后图。式中, t0 固定时间,如控制信号的获取与转换时间等(常数);ty 货叉作业的伸、缩时间（常数）；MAX（tx,tz） 堆垛
25、机行走时间tx和载货台升降时间tz中的最大值。,堆垛机单作业周期的时间组成图 (a) 堆垛机行走时间； (b) 载荷台升降时间； (c) 货叉作业时间 1堆垛机开始处于准备状态，运行速度为零； 2堆垛机加速启动；3堆垛机以额定速度运行； 4堆垛机减速； 5堆垛机慢行对位； 6堆垛机停止； ty货叉取(存)货所需时间；tEP 堆垛机带货运行到指定货位所需时间； tPE堆垛机空载运行回到出入库台所需时间,平均单作业周期由于对不同货位作业时，堆垛机行走时间tx和载货台升降时间tz均不一样，是随机数。而to和ty为常数，平均单作业周期取决 于 的数学期望：式中, pi 堆垛机到任何一个货位拣取货物的概
26、率。由于堆垛机拣取货位上的货物是一个等概率事件，所以其中，F=LH (货架面积)；F=xz (货位面积)。,是比较堆垛机到第i个货位取货的时间tx和tz后，所取的较大值，是单作业中堆垛机取货（或放货）运动所需时间的一半。,另外，由于行走机构和载货台启动、制动和正常运行，三个阶段的速度不同。v1 、v2是时间t的函数，,堆垛机走行、升降速度与时间的关系,为考虑问题简单，将启动阶段和制动阶段的速度线性化， v1 = a1t，v2 = a2（t2t），并将启动加速度与制动时的加速度取为一样，即令s上图中：,则在时间 阶段，堆垛机所走路程为可得 （ 当 时)式中v = vmax=常数，a也为常数，则
27、即为启制动阶段所需时间，是对 作出的修正。当 时，上图中的0，1，2，3组成一个以0，1/，2/为顶点的三角形，在这种情况下 ，所需要的时间为由于 所给出的 比上式算出的要大，所以应该采用前者计算平均单作业周期的数学期望。,由式 得当 时 ， ， 则平均单作业周期的数学期望为,当 时，,特殊情况下，即当w=1时，上式变为：,当 时，,当w=1时，由w定义式可得,单作业周期计算的等效货位,上式表明，当w=1时，堆垛机作业的起点都在坐标原点时，货架上的所有货位都可等效到下图所示的对角线上的位置，即,当w=1时，,(3) 平均复合作业周期复合作业周期是指堆垛机从出入库台取一件单元货物送到选定的货位，
28、然后直接转移到另一个给定货位，取出其中的货物单元，再回到出入库台所需的时间。也即从下图中所示的P点存放一件货物，再到P/点取出一件货物，最后回到出发点所需时间t s ：,t 0 -固定时间，如控制信号的获取与转换时间等（常数）； t y -货叉作业的伸、缩时间（常数）； t OP -从O点到P点的最大时间； tPP -从P点到P点的最大时间； tPO-从P点到O点的最大时间。,堆垛机复合作业周期的时间组成,平均复合作业周期即ts 的数学期望值为,因P点或P点可以是货架上的任何一个货位，若货架上的货位总数为m，则有：,其中的tl,i和tl,j前面已经讨论。还必须求出堆垛机从P点到P点所需时间的数学期望值E(tPP)。根据等概率分布，从P点到P点的概率,由P点或P点的时间,当 时，,当w=1时，,上式说明了复合作业的等效点与单作业等效点的关系。即：,复合作业的等效点,两者之间的关系如图7-25所示，P点和P点的坐标分别为：P ， P 。,(4) 出发点不同时的平均复合作业周期 前面介绍的两种平均作业周期的算法都是基于堆垛机的出发点和终点均在货架的左下角。但有时情况也不尽如此。下图所示就是其中的一种。 以图中的E/A为出发点，可得四个象限、，堆垛机在这四个象限作业的平均作业周期，也可仿前面介绍的方法进行。对这些周期加权，可得出相应的平均作业周期。,
