多層穿梭車系統(tǒng)在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)中的應(yīng)用與研究

徐 健，田 博，張可義，劉利波，李 順

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

當(dāng)前，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)在部分行業(yè)的應(yīng)用需求比以往有了很大改變，倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)已經(jīng)從原有少品種大批量、低存取效率、無序化等簡(jiǎn)單需求，向多品種小批量、高存取效率、有序化等復(fù)雜需求方向轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)以堆垛機(jī)為主體的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在這些行業(yè)已經(jīng)無法滿足全部要求，而多層穿梭車系統(tǒng)以其高速的運(yùn)行效率及卓越的吞吐量成為滿足此類應(yīng)用需求的首選。該系統(tǒng)已在國(guó)外倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)得到了大量應(yīng)用，勝斐邇、瑞士格和德瑪泰克等國(guó)際知名的物流集成商可提供完整的多層穿梭車系統(tǒng)解決方案，但國(guó)內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用落后于國(guó)外，所以多層穿梭車系統(tǒng)的方案規(guī)劃設(shè)計(jì)、電控技術(shù)和管理調(diào)度技術(shù)等方面內(nèi)容已成為國(guó)內(nèi)眾多供應(yīng)商要擴(kuò)展和研發(fā)的重要方向。

1 多層穿梭車系統(tǒng)和主要設(shè)備

多層穿梭車系統(tǒng)是一種新型的倉(cāng)儲(chǔ)模式，用于存取50kg以下的周轉(zhuǎn)箱或紙箱，作業(yè)效率比箱式堆垛機(jī)立體庫(kù)提升數(shù)倍，通常應(yīng)用于150～1000循環(huán)/小時(shí)以上作業(yè)周轉(zhuǎn)需求的系統(tǒng)方案中。

系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備系統(tǒng)和管理軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件設(shè)備主要由高層立庫(kù)貨架、高速穿梭車、提升機(jī)、庫(kù)端站臺(tái)和外設(shè)輸送系統(tǒng)組成；管理軟件系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、管理系統(tǒng)（WMS）和服務(wù)器系統(tǒng)組成。

圖1 多層穿梭車系統(tǒng)組成示意圖

根據(jù)作業(yè)效率需求，系統(tǒng)每層配置一臺(tái)或多層共用一臺(tái)高速穿梭車，穿梭車向每層相接的庫(kù)端站臺(tái)取放貨物，再由高速提升機(jī)與庫(kù)端輸送站臺(tái)對(duì)接進(jìn)行貨物周轉(zhuǎn)，替代了箱式堆垛機(jī)，完成周轉(zhuǎn)箱或紙箱的快速存取作業(yè)。高速提升機(jī)通常與“貨到人”系統(tǒng)對(duì)接，“貨到人”系統(tǒng)通常是具有訂單箱和周轉(zhuǎn)箱輸送的雙層輸送系統(tǒng)。多層穿梭車與“貨到人”系統(tǒng)共同完成訂單揀選作業(yè)。

目前，多層穿梭車系統(tǒng)以其高效的性能，被應(yīng)用于電子、快遞和電商物流等特定行業(yè)中的貨物高速吞吐和訂單揀選等領(lǐng)域，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)調(diào)度及信息管理軟件實(shí)現(xiàn)訂單處理，流程及波次控制，“貨到人”信息顯示，庫(kù)存管理等系統(tǒng)功能。多層穿梭車系統(tǒng)已形成了一套集自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、排序和分揀于一體的復(fù)合型物流系統(tǒng)。

圖2 多層穿梭車及貨到人系統(tǒng)

1.1 高速穿梭車

高速穿梭車是整套自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心設(shè)備，它在貨架間的軌道上往復(fù)運(yùn)行，通過單伸位或雙伸位貨叉存取貨位上的貨物，實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱或紙箱的出庫(kù)、入庫(kù)及搬庫(kù)作業(yè)。

圖3 多層穿梭車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

穿梭車具有水平運(yùn)行和貨叉伸縮兩維動(dòng)作，并通過交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)通常采用可編程序控制器（PLC）作為主控器，完成設(shè)備動(dòng)作邏輯、作業(yè)接受，作業(yè)步驟和故障報(bào)警等功能的單機(jī)控制。通過PLC或伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行高精度的速度和位置雙閉環(huán)控制，運(yùn)行參數(shù)可達(dá)到行走高速300m/min，貨叉高速60m/min，加速度0.7～2.0m/s2，重復(fù)定位精度誤差為+-3mm。

穿梭車的作業(yè)指令由上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)，通過無線以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)傳輸給穿梭車，由PLC電控系統(tǒng)按程序和流程順序執(zhí)行。

1.2 高速提升機(jī)

高速提升機(jī)位于立體庫(kù)貨架的端部，與各貨架層的庫(kù)端輸送站臺(tái)相接，通過載貨臺(tái)上的輥道或皮帶同庫(kù)端輸送站臺(tái)接送貨物，并可在各設(shè)備層間往復(fù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱或紙箱的出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè)，完成貨物的快速轉(zhuǎn)運(yùn)。高速提升機(jī)是多層穿梭車與外部輸送系統(tǒng)的連接樞紐，它的運(yùn)行速度決定了整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)效率，其響應(yīng)速度、定位精度和穩(wěn)定性是系統(tǒng)性能的重要體現(xiàn)。

高速提升機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的“鏈輪+鏈條”或“卷筒+鋼絲繩”的模式，進(jìn)而采用“同步齒形帶機(jī)構(gòu)”傳動(dòng)，既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定，也提高了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。為達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果和運(yùn)行速度參數(shù)，系統(tǒng)通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過伺服位置控制的方法實(shí)現(xiàn)垂直方向的高速高精度定位，進(jìn)而縮短貨物搬運(yùn)周期，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

除此之外，高速提升機(jī)還可以根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)貨物的周轉(zhuǎn)率設(shè)計(jì)1～3個(gè)輸送工位，即載貨臺(tái)一次可接駁多件貨物，通過這種方式可以大幅度提高提升機(jī)的作業(yè)效率。

1.3 庫(kù)端輸送站臺(tái)及周邊輸送機(jī)

庫(kù)端輸送站臺(tái)是穿梭車和高速提升機(jī)連接的紐帶，用于貨物的出入庫(kù)輸送和緩存，可應(yīng)用輥道機(jī)或皮帶機(jī)等多種輸送形式，同層設(shè)備的分段數(shù)量與系統(tǒng)的輸送能力有關(guān)，需要與系統(tǒng)的工作節(jié)拍進(jìn)行匹配。

周邊輸送機(jī)則與高速提升機(jī)對(duì)接，執(zhí)行配送、分揀、返空箱等輸送流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)入庫(kù)、出庫(kù)和“貨到人”揀選等系統(tǒng)功能。周邊輸送機(jī)主要由鏈?zhǔn)綑C(jī)、皮帶機(jī)、輥道機(jī)、移載機(jī)和鏈板機(jī)等，根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程、效率需要和作業(yè)功能對(duì)設(shè)備組成形式、數(shù)量和參數(shù)進(jìn)行選取。

2 多層穿梭車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)對(duì)多層穿梭車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證

多層穿梭車系統(tǒng)在方案規(guī)劃中，有幾方面的難題需要解決：其一，貨架儲(chǔ)位、設(shè)備布局與數(shù)量、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)配置等如何達(dá)到最優(yōu)；其二，所設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出比是否滿足預(yù)算，即收益率是否在合理的范圍內(nèi)；其三，所設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)拍是否與外設(shè)產(chǎn)線或分揀站的工作節(jié)拍相匹配；其四，如何計(jì)算出所設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)的利用率，為后續(xù)的改進(jìn)或增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持等。

為了解決上述問題，國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者應(yīng)用排隊(duì)理論等算法對(duì)多層穿梭車系統(tǒng)的貨架設(shè)計(jì)、儲(chǔ)位設(shè)計(jì)和設(shè)備數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行研究，雖然諸多研究取得了豐碩的成果，但是所研究的算法及結(jié)果并不容易直接應(yīng)用于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選型中，所以近些年來，通常通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件對(duì)多層穿梭車物流系統(tǒng)的設(shè)備布局、工藝流程、流量參數(shù)和生產(chǎn)節(jié)拍等重要參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以得出較為優(yōu)化的系統(tǒng)方案和設(shè)備配置，也可以直觀的體現(xiàn)出系統(tǒng)工作效率和設(shè)備的利用率。

仿真驗(yàn)證可分為前期、中期和后期三個(gè)實(shí)施階段。前期包括基本數(shù)據(jù)采集和物流規(guī)劃分析兩個(gè)環(huán)節(jié)，在基本數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，需要對(duì)系統(tǒng)的物料、庫(kù)存、物流流量和約束條件進(jìn)行收集，匯總基本的規(guī)劃參數(shù)，以得到系統(tǒng)的基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)；在物流規(guī)劃分析環(huán)節(jié)，需要分析所規(guī)劃方案的物流模式、庫(kù)房布置、物流流程、貨物載具、物流設(shè)備類型，以得到系統(tǒng)的物流流程模型信息。

中期包括仿真驗(yàn)證和分析優(yōu)化兩個(gè)環(huán)節(jié)，在仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)，需要完成模型和流程仿真、數(shù)據(jù)收集與輸入、模型校驗(yàn)、仿真運(yùn)行和得出仿真結(jié)果；在分析和優(yōu)化環(huán)節(jié)，需要完成流量、庫(kù)容、運(yùn)行周期和設(shè)備利用率等關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的結(jié)果分析，對(duì)其中的問題點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而分析出優(yōu)化方向。

后期為方案結(jié)果輸出環(huán)節(jié)，通過仿真驗(yàn)證，分析各優(yōu)化方向產(chǎn)生的結(jié)果，并分析各關(guān)鍵參數(shù)，得出滿足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果，如果各優(yōu)化方向均不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需要重新更改原系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)可以對(duì)系統(tǒng)全流程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其是否滿足生產(chǎn)和物流的應(yīng)用需求。仿真驗(yàn)證可以對(duì)各環(huán)節(jié)及流程銜接進(jìn)行校驗(yàn)，可以直觀的得到系統(tǒng)效率和利用率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可有效的避免方案設(shè)計(jì)失敗或投入產(chǎn)出比不合理等情況出現(xiàn)。

2.2 電控技術(shù)

控制系統(tǒng)是多層穿梭車系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)作業(yè)能力水平的重要體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)主要采用可編程序控制器PLC作為控制器（部分廠商應(yīng)用單片機(jī)），結(jié)合分布式I/O系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息識(shí)別系統(tǒng)和位置檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層穿梭車系統(tǒng)設(shè)備的單機(jī)運(yùn)行控制，完成與上位機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)的控制對(duì)接和狀態(tài)顯示。

多層穿梭車系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于具有較高的作業(yè)效率，而作業(yè)效率又由穿梭車和高速提升機(jī)的運(yùn)行效率決定，所以如何提高穿梭車和提升機(jī)的運(yùn)行效率是電控系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題。

對(duì)于穿梭車和提升機(jī)來說，其速度控制方法很大程度上決定了設(shè)備的運(yùn)行效率，在設(shè)備和貨物所能承受的范圍內(nèi)，“S”型變加速控制方法通過對(duì)加速度求導(dǎo)計(jì)算，進(jìn)行無極調(diào)試，可以得到較高的加速度上限，為此將變加速控制方法應(yīng)用于單機(jī)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制中，可以得到較高的加速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，進(jìn)而縮短設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，提升作業(yè)效率。

變加速控制的應(yīng)用方法是，將設(shè)備的運(yùn)行速度分為7個(gè)階段進(jìn)行控制，分別應(yīng)用變加速、勻加速和勻速三種算法公式，對(duì)各速度控制過程進(jìn)行分解計(jì)算，以求解各運(yùn)行時(shí)刻的速度給定值，如圖4所示，圖中vm為最高運(yùn)行速度，am為最大加速度，Jm為最大加速的變化率。

圖4 變加速運(yùn)動(dòng)速度控制曲線示意圖

根據(jù)設(shè)備與目標(biāo)位置的距離S不同，將速度曲線的應(yīng)用情況進(jìn)行劃分，得到速度曲線的形式有拋物線、不完全拋物線、拋物線-直線三種表現(xiàn)形式。

根據(jù)速度曲線的變化過程，整理出設(shè)備運(yùn)行過程中速度和運(yùn)行位移的方程如下：

結(jié)合系統(tǒng)的速度參數(shù)和目的位移，通過分段速度和位移公式，可以得出各時(shí)刻系統(tǒng)的輸出速度v（t）和運(yùn)行位移sn（t），輸出速度將作為PLC的主給定由控制程序計(jì)算并通過變頻器輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，使穿梭車得到“S”型變加速速度曲線。

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穿梭車或提升機(jī)控制系統(tǒng)通常采用速度環(huán)和位置環(huán)雙閉環(huán)控制方式。

速度環(huán)通常通過固定于電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸處的增量編碼器進(jìn)行檢測(cè)，PLC采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)編碼器的信號(hào)變化量，計(jì)算出反饋速度，并實(shí)時(shí)與系統(tǒng)給定速度進(jìn)行校驗(yàn)，作為系統(tǒng)速度微調(diào)或報(bào)警的閉環(huán)檢測(cè)，系統(tǒng)將通過速度差補(bǔ)的方式保證速度環(huán)的平穩(wěn)輸出，當(dāng)速度環(huán)有較大差異時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警停車。

位置環(huán)通常采用激光測(cè)距儀或BPS條碼定位系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，PLC通過總線端口連接傳感器，實(shí)時(shí)讀取位置變化。當(dāng)系統(tǒng)定位運(yùn)行時(shí)，PLC實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行給定的位置變化量，并與位置傳感器反饋的位置變化量進(jìn)行比較，當(dāng)位置變化存在較小差異時(shí)，系統(tǒng)將通過速度控制變化進(jìn)行位置補(bǔ)充；當(dāng)差異較大時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警停車。

通過雙閉環(huán)控制方式使穿梭車和提升機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)也增加了系統(tǒng)安全性。

對(duì)周邊輸送機(jī)控制系統(tǒng)則以PLC作為主控器，以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)，采用分布式控制方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物流設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集和動(dòng)作邏輯控制，實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱和訂單箱的輸送。

2.3 管理和調(diào)度系統(tǒng)

管理和調(diào)度系統(tǒng)是多層穿梭車系統(tǒng)的運(yùn)行核心，它向各子系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)出指令，調(diào)度全系統(tǒng)完成作業(yè)，其功能示意如圖5所示。管理和調(diào)度系統(tǒng)包括物流執(zhí)行層和控制層兩部分，其中物流執(zhí)行層為倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS），其功能是對(duì)密集存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行入出庫(kù)作業(yè)管理、庫(kù)存管理、與ERP或MES進(jìn)行任務(wù)和資源對(duì)接等；物流控制層為倉(cāng)庫(kù)控制調(diào)度系統(tǒng)（WCS）等同級(jí)別的調(diào)度系統(tǒng)，其功能是接送系統(tǒng)任務(wù)，通過算法程序進(jìn)行作業(yè)分解，將作業(yè)下發(fā)給PLC等工業(yè)控制器，進(jìn)而控制執(zhí)行設(shè)備，并完成全任務(wù)流程的作業(yè)接口等。

圖5 管理調(diào)度系統(tǒng)功能示意圖

調(diào)度系統(tǒng)的合理性和智能水平是決定系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要因素，在保證系統(tǒng)運(yùn)行功能的同時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)需要融合“排隊(duì)理論”、“遺傳算法”、“K-means聚類算法”等理論算法，實(shí)現(xiàn)零件合箱、儲(chǔ)位分配和揀選合單等智能調(diào)度方法。

由于多層穿梭車系統(tǒng)具有較高的物料搬運(yùn)效率，可應(yīng)用于出庫(kù)緩存等自動(dòng)化物流中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，用于解決物料出庫(kù)的排序問題，在提供高速搬運(yùn)的同時(shí)，使系統(tǒng)具有按訂單順序執(zhí)行的出庫(kù)分揀功能。

3 多層穿梭車系統(tǒng)的研究實(shí)踐

針對(duì)多層穿梭車系統(tǒng)的開發(fā)需求，為完成電控系統(tǒng)研發(fā)和信息管理系統(tǒng)開發(fā)，建立了多層穿梭車系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 多層穿梭車系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)包括機(jī)械設(shè)備、電控系統(tǒng)、信息管理和調(diào)度系統(tǒng)。

機(jī)械設(shè)備組成包括料箱貨架、一臺(tái)多層穿梭車、一臺(tái)雙工位穿梭車換層提升機(jī)、兩臺(tái)雙工位料箱高速提升機(jī)和一套“貨到人”箱式揀選系統(tǒng)。

電控系統(tǒng)研發(fā)內(nèi)容包括“貨到人”揀選系統(tǒng)、提升機(jī)和穿梭車電控系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)、程序開發(fā)和單機(jī)調(diào)試。

信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)管理、訂單分揀、數(shù)據(jù)管理等功能，調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程控制、作業(yè)控制和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)功能與效率測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的循環(huán)作業(yè)能力為122件/小時(shí)，為單臺(tái)雙工穿梭車的作業(yè)能力，高速雙工位提升機(jī)作業(yè)效率為375件/小時(shí)，如果再增加兩臺(tái)多層穿梭車，那么系統(tǒng)循環(huán)作業(yè)能力可以提高的366件/小時(shí)，滿足較高作業(yè)效率自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求。

通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多層穿梭車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，形成了標(biāo)準(zhǔn)的電控系統(tǒng)方法，測(cè)試并檢驗(yàn)了系統(tǒng)的作業(yè)能力，解決了多層穿梭車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)多層穿梭車系統(tǒng)的介紹、分析和研究，總結(jié)了系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)驗(yàn)證、電氣控制和管理調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用方法。通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成了多層穿梭車系統(tǒng)的控制系統(tǒng)研發(fā)、信息系統(tǒng)開發(fā)和功能測(cè)試，并得出了系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果。

多層穿梭車系統(tǒng)具有較高作業(yè)效率和吞吐量，具有靈活的作業(yè)處理能力，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，結(jié)合“貨到人”系統(tǒng)可滿足小批量、高存取效率、有序化作業(yè)等的應(yīng)用需求，系統(tǒng)在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)將有更為廣闊的發(fā)展前景。