智能密集物流系統(tǒng)的分析與研究*

柳浩蕓

(上海韜譜物流設(shè)備有限公司，上海 201203)

1 引言

供應(yīng)鏈中任何一個環(huán)節(jié)都將關(guān)系到企業(yè)的正常運(yùn)行，其中倉儲設(shè)備的更新?lián)Q代和倉儲管理是個非常重要的環(huán)節(jié)。作為現(xiàn)代倉儲物流的重要組成部分，倉儲設(shè)備先進(jìn)性是倉儲發(fā)展的基礎(chǔ)。充分利用倉庫和倉儲設(shè)備，最大程度減少操作環(huán)節(jié)，完善信息管理系統(tǒng)以及保證良好的操作環(huán)境和安全等等。只有這樣，才能很好地發(fā)揮倉儲管理有供應(yīng)鏈中的作用。

存儲系統(tǒng)已不僅是簡單的物品存放的地點(diǎn)，更重要的作用是提升企業(yè)的供應(yīng)鏈管理能力和工廠自動化的整體運(yùn)作速度。企業(yè)在對自動化貨架最初具備的自動存取、節(jié)約占地面積、節(jié)約人力資源的基礎(chǔ)上，提出了更高的要求。要求庫房存取系統(tǒng)應(yīng)具備操作快捷、運(yùn)行安全、高效、進(jìn)行信息的自動化采集、信息準(zhǔn)確，又要充分利用原有庫房空間等特點(diǎn)，還要具有與企業(yè)ERP連網(wǎng)，通訊的功能，更加智能化。

2 系統(tǒng)概述［1］

智能密集物流系統(tǒng)就像一個三維智能機(jī)器人。專門開發(fā)的具有WMS功能的WCS軟件控制系統(tǒng)，根據(jù)客戶要求，結(jié)合智能密集物流系統(tǒng)內(nèi)各個硬件和軟件的實(shí)時工況，控制每個托盤工作的狀態(tài)和可能的最佳運(yùn)動路徑。WCS通過PLC來控制升降機(jī)、穿梭車、衛(wèi)星車和輸送鏈。復(fù)雜的物流功能全部由倉庫控制軟件WCS完成，且該倉庫控制軟件WCS可以根據(jù)客戶的要求，進(jìn)行重新配置和改變，控制貨物單元在倉庫中的儲存、運(yùn)動，完成進(jìn)出、排序、揀選等功能根據(jù)系統(tǒng)指令，托盤在貨架系統(tǒng)里或靜止不動，或上下左右移動，以實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)貨、快速出貨、按指令轉(zhuǎn)移、按指令排序、直接分撥、托盤時鐘功能(控制急速冷凍時間)、不同溫度區(qū)域分類、智能儲存 、按指令緩存等功能。智能密集物流系統(tǒng)具有如下特征。

(1)最大密度的儲存方式 智能化高密度的空間占有率高達(dá)95%，優(yōu)于其他任何儲存系統(tǒng)。對于相同的貨物儲存量，使用該系統(tǒng)可大大減少倉庫占地面積，較常規(guī)AS/RS系統(tǒng)節(jié)約一半以上。

(2)最靈活的配置方式 智能密集物流系統(tǒng)硬件配置不受任何場地和建筑尺寸限制，不管是新建筑還是老建筑，不管尺寸和形狀，都可以找到合適的智能化高密度解決方案。智能密集物流系統(tǒng)的軟件可以非常容易地與外部ERP或者WMS系統(tǒng)整合。一個交互式的操作面板，允許操作者對智能密集物流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時追蹤，可以對一些臨時發(fā)生的問題或者未完成的工作作出快速反應(yīng)。

智能密集物流系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性，使用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況隨時改變物流參數(shù)，避免其他自動化庫缺乏靈活性和可擴(kuò)展性的弊病。

(3)最高效的工作方式 智能密集物流系統(tǒng)為全自動化智能物流(儲存)系統(tǒng)。所有的穿梭車、垂直升降機(jī)和衛(wèi)星車可在各個層面同時移動，多個儲存單元也可同時運(yùn)轉(zhuǎn)，大大提高了貨物周轉(zhuǎn)的速度。快速的進(jìn)貨和出貨運(yùn)作，減少了叉車司機(jī)的等待時間，提高了叉車的周轉(zhuǎn)率。該系統(tǒng)可以每天24 h，每周7天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度地提高了貨物運(yùn)轉(zhuǎn)率和工作效率。

3 智能密集物流系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)［2］

智能密集物流系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。兩部分均為模塊化設(shè)計(jì)，由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成。

而硬件由五部分組成:貨架、穿梭車、衛(wèi)星車、輸送鏈、垂直升降機(jī)，如圖1所示。

圖1 智能密集物流系統(tǒng)的硬件組成

貨架設(shè)計(jì)為軌道密集式貨架。軌道密集式貨架由密集式貨架和衛(wèi)星車軌道組成?？筛鶕?jù)倉庫的情況設(shè)計(jì)成若干個貨位深度和層數(shù)。

衛(wèi)星車主要包括行走裝置、頂升裝置、蓄電池、控制系統(tǒng)等。衛(wèi)星車控制系統(tǒng)采用SIEMENS PLC控制，與上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通訊聯(lián)系。分布在車體四周和頂面的探測器和傳感器的自動信息采集裝置及安全保護(hù)裝置，可向車載控制系統(tǒng)提供衛(wèi)星車運(yùn)行的當(dāng)前信息，對上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的作業(yè)指令、自動信息采集和安全保護(hù)裝置識別到的信息進(jìn)行綜合處理，使衛(wèi)星車自動完成入庫作業(yè)循環(huán)、出庫作業(yè)循環(huán)。輸送鏈在密集式貨架里，主要用于快速進(jìn)出貨。垂直升降機(jī)在不同高度層運(yùn)送托盤及衛(wèi)星車。根據(jù)貨物的進(jìn)出貨頻率配置衛(wèi)星車、輸送鏈和垂直升降機(jī)數(shù)量。智能密集物流系統(tǒng)的軟件由以下四個模塊組成:

(1)智能訂單管理模塊 該模塊控制所有正在處理的不同類型的訂單，如圖2所示。不同的訂單類型可以為進(jìn)貨、出貨、分揀、配置、揀選。訂單的分配和處理根據(jù)客戶確定的優(yōu)先等級和最優(yōu)化使用設(shè)備原則，主要目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的交貨時間前提下，托盤移動最小化。

(2)智能位置管理模塊 該模塊處理所有不同的位置，如圖3所示?？梢允且粋€區(qū)域/隔層的一部分，通過對一系列動態(tài)特性的運(yùn)算，確定儲存托盤的最佳位置/區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)托盤移動最小化和周轉(zhuǎn)最優(yōu)化，ERP/WMS輸出很多數(shù)據(jù)。

圖2 智能密集物流系統(tǒng)訂單管理模塊

圖3 智能密集物流系統(tǒng)位置管理模塊

(3)智能路徑管理模塊 該模塊使用無線傳輸管理多個穿梭車、輸送鏈和垂直升降機(jī)的運(yùn)行如圖4所示，時刻向交通管理系統(tǒng)進(jìn)行位置報告，采用Dijkstra算法以確保路徑最優(yōu)化，協(xié)調(diào)、調(diào)度多臺設(shè)備。

圖4 智能密集物流系統(tǒng)路徑管理模塊

(4)主控模塊 該模塊將系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)都存儲在progree的數(shù)據(jù)庫里，用于生成各類報告，維護(hù)和統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。所有的警告和報警都可以自動發(fā)送給操作員，幫助他們盡快解決問題。同時這些數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)移到動態(tài)報告模塊(DRM)，以做出各種具體報告。

4 智能密集物流系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)［3-4］

在對比各種方案的投資預(yù)算后，如果實(shí)現(xiàn)同樣的運(yùn)行目標(biāo)，智能密集物流系統(tǒng)的綜合投資是所有解決方案中最小的。

圖5 智能密集物流系統(tǒng)主控模塊

緊湊的硬件設(shè)計(jì)使公司的儲存能力大大提高，幾乎翻倍。全自動化的操作系統(tǒng)，不但減少了超過一半的人工，而且避免了手工操作的錯誤，公司發(fā)貨的差錯率在使用智能密集物流系統(tǒng)后一直為零。投資回收期僅為一年不到。

倉庫面積910 m2，儲存有2 640個托盤位，空間占有率為96%。系統(tǒng)運(yùn)營時間是24 h/天，7天/周。設(shè)計(jì)能力是每小時進(jìn)出托盤數(shù)是240(進(jìn))/120(出)個，每月處理托盤數(shù)為80 000個。年周轉(zhuǎn)量超過100萬個托盤。

通過自動輸送鏈從與之相連的旁邊的工廠自動進(jìn)貨或者通過叉車從倉庫外面進(jìn)貨，系統(tǒng)處理的新鮮貨物超過160種。排序、儲存、直接轉(zhuǎn)撥、根據(jù)訂單自動出貨等自動實(shí)現(xiàn)。同時系統(tǒng)也處理冷凍貨物。冷凍貨物在系統(tǒng)暫時儲存后(不超過30 min)，通過輸送鏈送至冷凍保存單元。

5 智能密集物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用西門子S7-300 PLC，結(jié)合PROFIBUS現(xiàn)場總線。采用PROFIBUS并非僅僅因?yàn)镻ROFIBUS誕生于德國，更因?yàn)槲鏖T子有面向PROFIBUS的眾多控制產(chǎn)品，以及PROFIBUS作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)有著其可靠的特性，強(qiáng)大的功能，有扎實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)?？蓪?shí)時顯示每個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

每個設(shè)備由西門子PLCS7-300、艾默生變頻器、倍加福編碼定位系統(tǒng)等組成。西門子PLC作為整個控制的核心，通過編碼器作為其觸覺感官，用PROFIBUS通信作為各部件聯(lián)系的中樞神經(jīng)，驅(qū)動艾默生變頻器和控制電氣元件控制各部分進(jìn)行工作。

PLC部分選用 CPU317-2DP、信號處理模塊CP343-1和一些輸入輸出的數(shù)字量、模擬量模塊;驅(qū)動選用艾默生變頻器;定位系統(tǒng)使用P+F編碼器編碼器;PLC通過無線網(wǎng)絡(luò)和觸摸屏通信，通過PROFISBUS-DP連接變頻器、編碼器。由于部分元件距離原因，中間使用中繼器來延長通信距離。Internet網(wǎng)絡(luò)選用一個8口的 HUB，可以連接 PC和PLC。整個網(wǎng)絡(luò)組成如圖6所示。

圖6 智能密集儲存系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成圖

設(shè)置一個控制柜，用于實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動運(yùn)行。主機(jī)都選用了S7-300 PLC。每臺S7-300除自帶I/O點(diǎn)之外，還通過IM 360接有若干個擴(kuò)展機(jī)架。同時，CP 342為S7-300 PLC提供了PROFIBUS的接口。在系統(tǒng)的上位機(jī)同主機(jī)一起安裝于控制臺中。上位機(jī)采用的是西門子PC 32-M型工控機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，適合安裝于空間狹小的場合。CP342連接PROFIBUS。通過與上位機(jī)構(gòu)成的PROFIBUS系統(tǒng)，操作人員可以直接從上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。智能密集物流系統(tǒng)控制系統(tǒng)WLAN圖如圖7所示。

圖7 智能密集儲存系統(tǒng)WLAN

無線以太網(wǎng)的無線基礎(chǔ)設(shè)備主要包括:無線接入點(diǎn)(AP)、網(wǎng)橋和終端(EC)。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需求，確定整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用無線通訊方式。

貨架兩端分別布置(SCALANCE W-788)WLAN接入點(diǎn)，相鄰接入點(diǎn)采用不同的通訊通道。避免通訊信號的干擾?？刂葡到y(tǒng)通過以太網(wǎng)接入無線網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)均通過以太網(wǎng)接入無線網(wǎng)絡(luò)。

在穿梭車、衛(wèi)星車、輸送鏈和垂直升降機(jī)上，將控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)方式接入 WLAN終端設(shè)備(SCALANCE W)。由于貨架的影響，當(dāng)貨物堆放較多時會對無線信號有遮擋和減弱。因此采用“Z”形分布，避免無線信號之間的干擾。衛(wèi)星車的行走驅(qū)動裝置中走行輪采用高科技聚氨酯材料，既提高輪子耐磨性，又大大減少了輪子與走行輪間的摩擦力，這樣可延長輪子的使用壽命。

衛(wèi)星車認(rèn)址裝置方式采用采用光電開關(guān)加編碼器的雙重認(rèn)址方式，通過計(jì)算目標(biāo)的相對位置方式來實(shí)現(xiàn)方向控制和位置控制。

電氣裝置由PLC、變頻驅(qū)動器、光電開關(guān)、編碼器、條碼識別器等組成。不同的走行速度配置不同的電控模式，目前較為通用的行走速度為60 m/min。其電控模式采用的是速度及位移雙閉環(huán)控制。供電模式主要有電池、無接觸供電兩種模式。定位精度:±3 mm;最大載重量:1 500 kg。

6 總結(jié)

智能密集物流系統(tǒng)是目前最經(jīng)濟(jì)和最綠色的冷庫運(yùn)行模式。其高密度的儲存方式，減少了占地面積，不但幫助企業(yè)節(jié)約成本，而且減少對環(huán)境的負(fù)面影響，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。智能化的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)永遠(yuǎn)按照最優(yōu)化的方式運(yùn)行，降低了能源消耗。全自動化運(yùn)行，降低了勞動力成本。高效快速的周轉(zhuǎn)，提高了效率，降低了運(yùn)營成本。最終支持公司可持續(xù)經(jīng)營的目標(biāo)。

［1］ 徐晶晶，劉曉娟.穿梭車貨架系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2012(2):139-140.

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