（机械电子工程专业论文）新型自动化立体仓库及其控制系统研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 哩 雾锱厂哈 i 东南大学学位论文使用授权声明 f 、y 6 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 墨辜眩 ( 7h 尸弋 矾o。 i e l 期：1 1 z 摘要 新型自动化立体仓库及其控制系统研究 研究生：吴钟鸣指导教师：张赤斌教授 ( 东南大学机械工程学院南京) 摘要 随着制造业与物流业的不断发展，自动化立体仓库的应用越来越广泛。当前的自动化立体仓库 大多采用巷道堆垛机作为货物的进出与输送系统。本文讨论无巷道堆垛机的自动化立体仓库的结构 与控制系统。这类自动化立体仓库采用货位可移动式货架系统，立体仓库由单层货位可移动式动力 货架进行组合而成，能适应现有仓库的自动化改造，具有较强的应用灵活性。 论文首先分析了自动化立体仓库的工作流程，设计了无堆垛机的新型自动化立体仓库的工作流 程，研究了货位可移动式货架系统，并对其工作过程进行设计。其中包括进出货流程的分析与设计、 射频自动识别技术在货物编码及信息管理系统中的应用。 其次，对自动化立体仓库的控制系统结构进行了设计，系统现场控制单元由上位机管理下的工 控机进行控制，现场控制总线采用c a n b u s 总线，通过c a n 4 8 5 接口将各现场工作单元进行联接， 由上位机进行统一的管理。论文对控制系统的工作步骤进行了设计，并讨论控制系统的实现方法。 自动化立体仓库的工作效率与货位优化结合紧密，通过建立相关的数学模型，采用遗传算法对 于立体仓库的货位进行优化，得到一种相对合理的货物存储准则。 论文最后对于自动化立体仓库的管理信息系统进行了讨论。 关键词：自动化立体仓库，控制系统，货位可移动式货架，货位优化，遗传算法 查堕奎兰亟主兰垡丝奎一一 _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ 一 t h er e s e a r c ho fn e w a u t o m a t e dw a r e h o u s ea n dc o n t r o ls y s t e m c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：w uz h o n g - m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h i - b i n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ) a b s t r a c t w t ht h em a n u f a c t u r i n ga n dl o g i s t i c si n d u s t r y c o n t i n u e st od e v e l o p ，a u t o m a t e d w a r e h o u s e a p p l i c a t i o l l sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h ec u r r e n ta u t o m a t e d w a r e h o u s et h e yu s ea sar o a d w a ys t a c k e r sa n d d i s t r i b u t i o no fg o o d si na n do u to f t h i sa r t i c l ee x p l o r e st h es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i c w 御e h o u s ef o rn o n r o a d w a ys t a c k e r s s u c ha u t o m a t e dw a r e h o u s ec a r g os p a c ew i t h r e m o v a b l es h e l fs y s t e m ， t h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s ec a r g os p a c ef r o mt h es i n g l e l a y e rm o v a b l es h e l f t oac o m b i n a t i o no fp o w e r a n dc 锄a d a p tt ot h ee x i s t i n gw a r e h o u s e ，a u t o m a t e dt r a n s f o r m a t i o n , w i t hs t r o n ga p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y p a p e rf i r s ta n a l y z e st h ea u t o m a t e dw a r e h o u s ew o r k f l o w , d e s i g n e d an e wn o n - r o a d w a ys t a c k e r s a u t l 3 m a t e dw a r e h o u s ew o r k f l o wt os t u d yt h ec a r g os p a c em o v a b l es h e l fs y s t e m ，a n di t s w o r kp r o c e s s d e s i g n t h i si n c l u d e ds h i p p i n gp r o c e s sa n a l y s i sa n dd e s i g n , r f i d t e c h n o l o g yi nt h ec o d i n go fg o o d sa n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma p p l i c a t i o n s s e c o n d l y ，a u t o m a t i cw a r e h o u s ec o n t r o ls y s t e m 咖c t u r e h a sb e e nd e s i g n e d ，t h es y s t e mc o n t r o lu n i tb y t t l eh o s tc o m p u t e ro n s i t eu n d e rt h em a n a g e m e n to fi n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r o l ，f i e l dc o n t r o lb u su s i n g c a n b u sb u si n t e r f a c et h r o u g ht h eo n s i t ew o r kc a n 4 8 5u n i t c o n n e c t e db yt h eh o s tc o m p u t e rt oa u n i f i e dm a n a g e m e n t p a p e rw o r ks t e p so ft h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dd i s c u s st h ec o n 呐l s y s t e ma lei m p l e m e n t e d t h i s 卯eo fr so p t i m i z et h ee f f i c i e n c yo fc a r g os p a c ei nc o m b i n a t i o n w i t ht h ec l o s e l yr e l a t e dt h r o u g h n l ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mf o rt h r e e - d i m e n s i o n a lw a r e h o u s et o o p t i m i z ec a r g os p a c e ，g e tar e l a t i v e l yr e a s o n a b l ec r i t e r i af o rc a r g o s t o r a g e p a p e r sl a s tf o ra u t o m a t e dh i g h r i s ew a r e h o u s em a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：a u t o m a t i cw a r e h o u s e ；c o n t r o ls y s t e m ；s h e l f m o b i l ep o w e r c o m b i n a t i o n ；l o c a t i o n a s s i g n m e n t ；g e n e t i ca l g o r i t h m i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 自动化立体仓库概述1 1 2 课题研究背景3 1 2 1 自动化立体仓库的现状3 1 2 2 自动化立体仓库发展方向3 1 2 3 课题研究的意义。4 1 3 本课题主要研究内容4 第二章自动化立体仓库的工作流程5 2 1 自动化立体仓库的功能及工作特点。5 2 1 1 自动化立体仓库的功能一5 2 1 2 自动化立体仓库工作特点5 2 2 自动化立体仓库组成。6 2 2 1 自动化立体仓库结构6 2 2 1 自动化立体仓库组成设备6 2 3 工作流程7 2 3 1 入库流程。7 2 3 2 出库流程7 2 3 3 拣货工作流程8 2 3 4 盘库流程：8 2 4 ，j 、l 砉8 第三章货位可移动式货架9 3 1 货架系统的功能9 3 2 货位可移动式货架特点9 3 2 1 普通旋转货架9 3 2 2 货位可移动式货架1 0 3 3 货位可移动式货架系统组成11 3 3 1 单层货位可移动式动力货架选择1 1 3 3 2 动力货架结构1 2 3 3 3 垂直输送机1 4 3 3 4 分类输送机1 4 3 4 动力货架设计计算1 5 3 4 1 滚筒尺寸计算1 5 3 4 2 滚筒牵引力计算1 5 3 4 3 功率计算1 6 3 5 货位的地址及其实现17 3 5 1 自动仓库常用编址及认址方式1 7 3 5 2 旋转编码器原理l7 3 5 3 旋转编码器选择18 3 5 4 旋转编码器的连接与设置：1 9 3 5 5 货位移动式货架地址实现2 0 3 6 小结2 0 第四章立体仓库控制系统2 l 4 1 立体仓库控制对象概述2 l 4 2 系统总体控制方案2 1 东南大学硕士学位论文 4 2 1 系统控制方式选择2 1 4 2 2 控制系统结构2 l 4 2 3 现场控制总线2 2 4 2 4 c a n 总线。2 5 4 3 自动化立体仓库货物识别系统2 6 4 3 1 货物自动识别技术概述2 6 4 3 2 射频识别系统组成及原理2 7 4 3 3 射频识别系统工作流程2 8 4 4 控制系统硬件系统组成2 9 4 4 1 工业控制计算机选择2 9 4 4 2 c a n 总线通讯卡3 0 4 4 3 c a n 4 8 5 转换器3l 4 4 4 圆形操作终端的选择与连接3 2 4 4 5 p l c 的选型。3 3 4 4 6 p l c 与控制系统连接3 4 4 4 7 p l ci 0 分配3 4 4 4 8 p l c 控制程序3 5 4 4 9 硬件系统实物图3 8 4 5 控制系统软件实现及调试4 0 4 5 1 控制系统软件流程4 0 4 5 2 控制总线的实现：4 l 4 5 3 图形操作终端的设置4 4 4 6 j 、结。4 5 第五章自动化立体仓库货位优化4 6 5 1 货位优化概述4 6 5 1 1 货位优化的原则4 6 5 1 2 货位优化的步骤4 7 5 2 货位优化算法4 8 5 2 1 优化算法介绍4 8 5 2 2 遗传算法的基本概念4 8 5 3 货位优化数学模型4 9 5 4 货位优化过程5 0 5 4 1 编码。5 0 5 4 2 初始化种群5l 5 4 3 适应度函数51 5 4 4 选择交叉及变异。5 2 5 4 5 结束条件5 3 5 4 6 算法流程5 4 5 4 7 仿真分析5 4 5 5 小结5 5 第六章自动化立体仓库的管理信息系统5 6 6 1 功能分析5 6 6 2 管理系统结构5 7 6 3 数据库设计5 8 6 3 1 数据库选择5 8 6 3 2 数据模型5 9 i i 目录 6 3 3 数据表设计6 0 6 4 管理系统设计6 2 6 4 1 体系结构选择6 2 6 4 2w e b 服务器的选择6 3 6 4 3 系统实现6 4 6 5 ，j 、结6 5 第七章结论与展望6 6 7 1 结论6 6 7 1 展望6 6 致谤 6 7 参考文献6 8 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 0 i i i 第一章绪论 1 1 自动化立体仓库概述 第一章绪论 所谓自动化立体仓库又被称之为自动化仓储a s r s 系统( a u t o m a t i cs t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m ) ， 它可以按照控制系统指令自动完成货物的存取，能对库存的货物进行自动管理，实现立体仓库作业的自 动化n 1 。 通常典型的自动化立体仓库系统由高层货架系统( h i g hl e v e lr o c ks y s t e m ) 、巷道堆垛机( s t a c k e r c r a n e ) 、出入库输送系统( o u t p u t i n p u tc o n v e y o rs y s t e m ) 、自动控制系统( a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 与计算机仓库管理系统( w a r e h o u s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 及外围装置( p e r i p h e r a l s ) 组成瞄1 。当然由 于具体的应用对象及工程实际的不同，各类系统之间结构有些差异，但是基本是由这几大模块所组成的， 图1 - 1 为其结构图。 图1 - 1自动化立体仓库结构图 自动化立体仓库的货架系统通常是由钢结构货架所组成的，要求具有足够的稳定性与强度，同时在 工作于最大荷载的情况下，货架又有一定程度有限的弹性变形。货架按机械结构可分为整体式、分离式 和柜式三种类型。依照高度将1 2 m 以上的货架称为高层货架，5 1 2 m 的货架为中层货架，低于5 m 的为低 层货架，其货架系统是按照排、层与列进行组合而成的呤儿引。随着技术的发展及自动化立体仓库应用场 合日益增多，货架系统也发展成了多种多样的形式，与控制系统一起形成了不同特点的货架系统。 ( 1 ) 立体式货架系统。这是一种目前最为通用的一种货架系统。它的特点是通过立体仓库的三维坐 标建立货位空间的坐标系统，通过巷道堆垛机等设备来实现货物的进出及存储的自动化操作，采用堆垛 机要求仓库留有较大的巷道，这样就会占用较大的仓库空间，对于仓库的土建结构要求也较高 ( 2 ) 移动式货架系统。这一类货架只需要设置一条通道来由堆垛机进行来同工作，配合货架的移动， 能够提高整个仓储系统的自动化控制程度，但是工作效率受到货架移动速度的制约，一般要求在理货台 处有人工的配合，同时堆垛机的数量也对仓库存储的效率有较大的影响。 ( 3 ) 旋转货架系统。此类货架系统利用驱动电机来实现货架的水平或垂直旋转以达到货物的自动出 入库操作。这类货架存取的效率较高，其移动速度也可以达到3 0 m m i n ，适用于小批量、多品种、高频 率出入库的仓库储存管理。 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 自流动货架。这类货架主要以料箱( 货箱) 为单位，利用重力并通过斜坡式输送带来实现货物 的进出库。此类仓库节省能耗，但会造成整个仓库的货架体积占用体积增大，只在某些特殊场合使用。 ( 5 ) 货位可移动式货架。这一类型货架通常采用货架同定，但是货位移动的工作方式。通过托盘或 料箱移动可以方便实现进出库，可以不再采用堆垛机等工作设备，大大节省了仓库空间，提高了货物出 入库的效率h 1 。本文中所采用的为此类货架。 对于自动化立体仓库而言，出入库输送系统是整个仓库系统的关键所在，有多种方式可以采用。如 采用进货时货物通过输送机上的扫描仪自动读取物品条码信息并传送至计算机系统，其单位可以是单品 也可以是料箱或托盘等，经由分类输送机按照其单位大小传送到相应的货架进货口处。在控制系统的控 制下经过运输通道运送到指定的货架层，并被存放到系统指定的货位。 出货首先利用射频技术识别贴在货箱上的条形码来确定货物的具体位置，经由系统进行出货运算控 制，得出一个出货的路径，由专门的进出货输送设备来将指定货货输送到指定的出货区h 1 。 立体仓库的自动化控制系统与仓库的信息管理系统是自动化立体仓库的控制中心，它对自动化仓库 的运行进行控制，并协调各个系统工作，控制系统与管理系统结合，监控整个仓库的运行情况。管理系 统能根据需要与企业信息系统进行结合，更好的提高系统的运转效率并为管理者提供决策依据。 自动化立体仓库的优越性对于企业体现以下几个方面晦儿引： ( 1 ) 大大提高仓库空间利用率。早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高仓库空间利用率，充 分节约有限且宝贵的土地资源。在西方有些发达国家，提高空间利用率的观念已有更广泛深刻的含义， 节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。甚至把空间的利用效率作为系统合理性与 先进性考核的重要指标来对待璩1 。目前世界上最高的立体仓库能高达5 0 m 。立体仓库单位面积的存储容 量能比普通仓库提高2 - 1 0 倍。 。( 2 ) 便于形成先进的物流配套系统，提高企业生产管理水平。传统仓库功能单一，只能实现货物储 存功能，保存货物是其主要功能。自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓 库内按需要自动存取、进出，而且可以与仓库外的企业生产环节进行连接，并通过计算机管理系统和 自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的重要一环。企业外协件、外购件与企业自制部件进入 自动化仓库储存成为整个生产过程的一个环节，零件或是部件的短时间储存是为了在指定的时间自动输 送到下一道工艺顺序进行生产，形成了一个自动化的物流系统，形成了“动态储存”哺1 。 ( 3 ) 加快货物的存取节奏，减轻劳动强度的同时提高生产效率。建立以自动化立体仓库为中心的物 流系统，其优越性还表现在自动化立体库具有快速的入库能力，能快速地将货物存入立体仓库中备用。 同时，自动化立体仓库在提高效率的同时也减轻了操作人员的劳动强度，自动化进出货设备的采用取代 人工存放货物和人工取货，方便快捷又节省了人力。操作人员不必进入仓库内工作，工作环境大为改善。 利用计算机管理系统对货物进行管理，大大提高了系统对货物的管理能力，使立体仓库的管理科学化， 仓库管理准确化和可靠性有很大的提高，出入库管理、盘库、输出报表等工作方便快捷，操作人员的劳 动强度大大降低。 ( 4 ) 自动化立体仓库能有效减少库存资金积压。以自动化立体仓库为中心的企业物流系统，协调了 各生产环节的流通问题和供求矛盾。使原材料的供给和零部件的生产数量对于生产所需的实际量达到一 个平衡的最佳值。同时作为企业信息化管理平台的一个部分，自动化立体仓库有助于企业信息化管理， 使原材料和零部件外协件的采购更及时有效满足生产实际需求，大大缩短采购环节对生产的响应时间。 现代的工业企业要求生产过程中各环节紧密相连，成为一个有机整体，必须采用集约化大规模生产 模式。企业要做到科学管理、科学决策，信息来源通畅及时。因此，建立自动化立体仓库系统是其有力 的措施之一。 如前所述，自动化立体仓库做为现代制造与物流系统的关键一环，在最大限度有效利用空间，最大 限度地满足生产要求，减轻劳动强度，提高生产效率，加强企业管理，促进企业信息化建设等方面有无 可比拟的优势，因此在目前及将来，自动化立体仓库必将得到更大的发展。 2 第一章绪论 1 2 课题研究背景 1 2 1 自动化立体仓库的现状 立体仓库产生于第二次世界大战之后，随着工业生产的不断发展及技术的不断进步而产生的。5 0 年 代未6 0 年代未在美国出现了有司机操作的巷道式堆垛机起重机立体仓库，1 9 6 3 年第一座由计算机控制 的立体仓库在美国率先建立了。此后，随着工业进一步发展，自动化立体仓库在美国和欧洲得到了迅速 的发展，形成了专门的学科方向。日本在6 0 年代中期开始兴建立体仓库，随着日本经济的发展，这项技 术的发展速度越来越快，日本成为了当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一踊1 。自动化仓库发 展到现在历经四代怕1 ，目前的第四代自动化立体仓库已经能够自动完成货物出入的整个流程控制，并能 依据生产计划、库存情况及生产速度情况通过自动化系统采用人工智能等方法来初步提出配件与配件库 在计划列表。目前自动化立体仓库正向着集成化、全自动化、智能化、信息化、网络化方向发展，全世 界各大知名厂商都在不断推出高集成化、智能化、自动化的自动化立体仓库系统及其相关设备。这方面 以欧美各国知名厂商的技术发展走在本行业的前列。 国内对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始于1 9 6 3 年，由当时的机械部北京起重运输机械研究所 研制成功第一台桥式堆垛起重机，1 9 7 3 年由机械部起重所负责开始研制成功国内第一座由计算机控制的 自动化立体仓库，该库于1 9 8 0 年投入运行。到2 0 0 3 年为止，国内自动化立体仓库数量已超过2 0 0 座n 引。 其后，随着改革开放和经济的发展，国内在汽车、化工、医药、电子、烟草等行业的应用逐年增长。其 中，最具典型意义的是海尔集团国际物流中心的立体仓库，该仓库高2 2 米，拥有1 8 0 5 6 个标准托盘货位， 包括原材料和成品两大自动化物流系统，全部实现了整个系统的自动化和智能化。立体仓库由于具有很高 的空间利用率、很强的出入库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成 为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。 近年来，随着我国经济的飞速发展及企业对于生产物流周期的要求越来越高，自动化立体仓库在国 内的应用也越来越普遍。尽管普通仓库造价低，仅为自动化立体仓库成本的十分之一，国内人力成本相 对低廉，但是对于目前的经济发展形式与企业整个生产配套及物流系统来说，传统型存储型的仓库已经 不能满足要求。现代企业已经发展到不仅要求单一的自动化仓库来存储货物，同时又要使之成为整个企 业管理信息系统的一个重要组成部分，而且其实效性，科学性及效率均要求很高。 目前在国内的自动化立体仓库品牌众多，以德国、日本等自动化立体仓库应用系统居多。国外品牌 如s i e m e n s 物流与系统装备公司，日本的村田机械、冈村物流等公司，德国的d e m b u c h e ，韩国的三星、 奥地利的r o b o t e c 等国际知名公司与品牌。这些公司的自动化立体仓库及其控制系统在国内的众多行业 都有应用。同时目前也有众多国产品牌自动化仓库系统，如太原刚玉物流工程有限公司，沈阳飞机工业 集团物流装备有限公司、苏州富士得等企业，也有一些原有生产传统仓储设备与货架的公司在原有货架 系统基础上进行自动化改进，作为系统集成商，通常是将成熟的设备进行组合，进而成为用户需要形式 的自动化立体仓库。 1 2 2 自动化立体仓库发展方向 随着自动化技术及机电技术的不断发展，尤其是网络技术的不断发展与普及，再加上企业基于网络的 信息化管理模式的应用与发展。自动化立体仓库向高效能，智能化，网络化方向发展。具体有以下几个 方向。 ( 1 ) 研究新型货架系统方面，各种高效率的类型货架不断被研制出来，应用到各类行业领域中，而 且也有各类专门针对不同领域的货架系统。文献 4 提出了种货位可流动的货架系统模型，希望通过这 事种类型的货架系统来提高运行效率。 ( 2 ) 对于货物进出库的模拟与优化调度上升到一个新的高度，以人工智能与专家系统的研究应用为 3 东南大学硕士学位论文 热点。山东大学刘增晓等在文献 6 中提出在自动化立体仓库中采用旅行商模型优化进出货物运行的路径 方式，陈东、刘希玉等在文献 3 9 中提出了货位优化采用遗传算法的基本过程。陈月婷等在文献 3 8 提出 了货位分配的原则，并采用p a r e t o 遗传算法对于货位的优化进行的讨论。 ( 3 ) 在研制阶段更重计算机系统的仿真与模拟，使自动化立体仓库在设计阶段更接近于实际运行情 况，并可能对其进行效能的综合评价。文献 3 1 讨论了采用i 埘s _ s i m a n i m a t i o n 软件对于自动化立体仓 库进行仿真的一般过程。 ( 4 ) 各类新技术不断得到应用。自动化仓库中的自动输送车的引导方式，由有线导引向激光导引、 惯性导航等无线可柔性自动化引的方向发展，可大幅提高输送能力和行走速度。采用红外、激光等信号 传递方式及网络工作模式提高系统的自动化、信息化程度。现场工作单元p l c 的广泛运用，组合现场总 线技术使立体仓库的控制技术越来越可靠成熟，系统的适用性更强。文献 1 2 、 1 8 、 2 0 3 、 2 6 等均 在这些方面提出了意见与控制方案。 ( 5 ) 在管理系统开发层面，更加注重集成化，网络化，与企业的e r p 信息系统实现有效对接。 我国把自动化立体仓库技术列为“十一五重点研究开发的物流技术”，将在十一五期间大力推动原有 的平面库的立体化改造，加快第三方物流技术装备水平。同时也将自动化立体仓库库存管理技术的研究 与开发列为重要研究方向。重点开发自动化立体仓库计算机管理与设备控制系统的集成应用 1 。 1 2 3 课题研究的意义 目前的自动化仓库大多采用堆垛机系统完成货物的进出与输送。采用巷道堆垛机对仓库的高度有严 格的要求，并且要具有较完备的安全保护措施，系统的造价高且适用性较差h 1 。不利于现有仓库的自动 化改造，这也是制约国内自动化仓库发展的重要冈素，且这种方式的货位占位率较低。本课题拟采用无 堆垛机控制系统的货位可移动式货架，提高仓库和货架利用率，使货架的占位率达接近1 0 0 ，节约成本。 货架系统中货架采用货位可变化的方式，可以适用不同的企业对于所储存不同种类货物的需求，可 以多种货物混合存放，存放品种达到上万种，大大提高自动化仓库的利用效率。相比目前传统的自动化 仓库系统有较大的优势。与新型货架系统匹配的货位优化调度方法的研究也将大大提高货架系统的利用 效率和工作效率。 现代自动化立体库要求与企业级计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连，是当今c l m s ( 计 算机集成制造系统) 及f m s ( 柔性制造系统) 必不可少的关键环节。但是现有的系统不能完成这个任务，基 本是作为单一的控制系统。国内外的从事自动仓库开发与应用的企业也在朝这一方面进行努力，也是技 术发展方向之一，本课题也将在这一方面进行一些讨论。 1 3 本课题主要研究内容 本课题所研究的内容分成以下几个部分： ( 1 ) 研究自动化立体仓库的工作流程，设计了无堆垛机的新型自动化立体仓库进出库、拣货与盘 库等工作流程。 ( 2 ) 研究货位可移动式货架系统，并对其运行过程进行研究。其中包括进出货流程的分析与设计、 射频自动识别技术在货物编码及信息管理系统中的应用。含有自动分类输送机的选择，垂直输送机，单 层旋转式货架及其控制系统的设计。 ( 3 ) 课题对自动化立体仓库的控制系统结构进行设计，采用控制总线将控制系统上下位机及现场工 作单元进行连接组成控制系统。对控制系统的工作流程进行了设计，并讨论控制系统的实现方法。 ( 4 ) 对于货位进出系统进行优化并进行相关研究，建立相应的优化模型，进行立体仓库进出库路径 及运行过程进行详细论证。并进行相关的仿真运算，得出相应的模型。从作业周期与货位分区管理的关 系角度考虑，运用遗传算法，评价优化方案的优劣并修改方案，最终得到合理的货位优化准则。 ( 5 ) 讨论立体仓库的控制与管理系统。 4 第二章自动化立体仓库的工作流程 第二章自动化立体仓库的工作流程 自动化立体仓库是通过自动控制技术来实现货物进出库的全自动动控制，并且相关的管理也由系统 自动完成。不论是何种仓库，其大致工作流程都为入库、出库与盘库等工作。 对于自动化立体仓库而言，作业流程包括信息流程和货物流程，作业流程反映出仓库的实时运行状 态。根据仓库的作业方式和控制顺序，自动化立体仓库的作业流程通常可分为：入库作业流程、库内搬 运作业流程( 拣货) 、出库作业流程、倒库作业流程及与之配套的数据生成和报表查询等工作内容呻儿1 8 1 。 2 1 自动化立体仓库的功能及工作特点 2 1 1 自动化立体仓库的功能 ( 1 ) 可靠存储的功能”。 自动化立体仓库首要的功能是具备可靠存储货物的功能，现代仓库常常不仅是一个货物储存的场所， 还应有相应的专用设备，根据储存物品的特性来保管好储存的物品。对于一些危险物品或是对存储场合 要求比较严格的物品，要设置相应的安全措施与隔离措施。对于特殊物品要设置通风设备、除湿设备等。 有些储存精密仪器的仓库，需要恒温，所以应设置恒温控制设备等。同时自动化立体仓库更要注意在货 物搬运过程中的保护，尽量减少因为货架系统或是搬运系统而带来的物品损耗u 9 。 ( 2 ) 具备高效的运转效率。 立体仓库通常使用多层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间， 因此节省了仓库占地面积，提高了仓库的空间利用率n 引。 ( 2 ) 具备相应的管理系统功能。 现代化的立体仓库要求完备的管理信息系统，能够对于自身的工作情况实时监控，并且及时反馈工 作情况。要能形成相应的数据给管理系统，并且辅助管理者做出相应管理决策。 2 1 2 自动化立体仓库工作特点 ( 1 ) 货物的自动识别。 货物的自动识别是自动化仓库运行的关键。货物的自动识别技术通常采用编码技术，对货箱、料箱 ( 托盘) 进行编码，系统通过条形码或是射频卡技术来进行识别。当采用条形码贴在料箱( 托盘) 的适 当部位，当货箱通过入库传送通道时，条形码扫描器自动扫描条形码并译码，将货箱的有关信息自动输 入计算机。当采用射频卡技术时，在入库前对货物进行编码并输入射频卡中，同时相关信息进入监控系 统与管理系统，系统指定货物相应的存放位置，随后通过货架输送系统使货物到达指定位置乜引。 ( 2 ) 自动存取。 自动化立体仓库使用机械和自动化设备，运行与处理速度快，提高了劳动生产率、降低了操作人员 的劳动强度。同时，能方便地接入企业的物流管理系统，使企业物流系统更趋合理化。采用自动化技术 后，可以无人操作，能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物物存储需要n 引。 ( 3 ) 计算机控制。 计算机能够始终如一并且准确无误地对各种信息进行存储和管理，因此能减少货物处理和信息处理 过程小的差错，人工管理很难做到这一点。自动化仓库的控制主要是对输送设备的控制，控制的主要工 作是入库、盘库和出库。 同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快储备资金 5 东南大学硕士学位论文 周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平u 引。 ( 4 ) 计算机管理。 自动化仓库的计算机管理包括货物管理、数据管理、货位管理及信息管理。入库时将货箱合理分配到 各个输送作业区，出库时按优化算法，或其他排队原则，提高出库的效率。系统可随时打印相关报表，并 可随时查询货物存放的位置。 自动化仓库的信息系统还可以与企业的管理信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时由于使 用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，提高了操作人员素质和管理人员的水 平。自动化立体仓库的仓储管理信息准确及时，方便企业时刻掌握库存情况，根据生产及市场情况及时反 应，提高了生产的应变能力和决策能力u 。 2 2 自动化立体仓库组成 2 2 1 自动化立体仓库结构 自动化立体仓库除存储库房、货架系统外，为了实现货物的自动存储和取出，还需要相应的管理、监 控以及执行系统。本文所讨论为无堆垛机式自动化立体仓库，其自动化立体仓库的构成如图2 1 所示n 副。 图2 - 1自动化立体仓库结构图 在整个系统中，控制系统与管理系统控制整个仓库系统的运行，控制系统的组成为本文论述的重点， 将在第四章中作详细表述。 2 2 1 自动化立体仓库组成设备 本文中涉及的主要设备选择及设计结合控制系统将在第三、四章中进行详细表述，在此为了更好理解 自动化立体仓库的工作流程，在此作简单表述。 ( 1 ) 货物编码与识别设备旧训 目前自动化仓储系统中的分拣系统的信号输入与识别通常有四种方式：分别为键盘录入方式、声音 识别输入方式、光学识别设备及条形码和激光扫描器配合方式、电子标签与无线射频识别技术( r f i d ) 等 方式n 9 1 剐。 本文中货物编码与识别系统采用电子标签与无线射频识别技术来对货物进行编码与识别。电子标签附 着在被识别的物体上( 表面或内部) ，标签中存储了该货物的相关信息，当带有电子标签的货物或料箱通过 读卡器可识读范围时，阅读器自动以无线方式将电子标签中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物 品或自动收集物品标志信息的功能幢引。 ( 2 ) 输入与输出设备 6 第二章自动化立体仓库的丁作流程 输入输出系统采用滚筒输送机结构的系统，负责将货物运往到货架入口区及将出口货物输送到相应 位置。货物分类系统选择平推式分类输送机。垂直输送机为与货架系统匹配，采用循环运动的垂直输送机 来进行货箱的垂直上下升降运输。 ( 3 ) 货位可移动式货架 货架系统采用货位可移动式货架，可以分层制造，按需要进行组装。货架的货位是通过个地址编码 系统来进行编址，其地址系统初始化后存储于管理系统中。采用射频技术标识的货物编号与地址代码相对 应。货架可按照一定的顺序进行货位轮换作业，将需要出货的货物移至出货口。 ( 4 ) 工控机 工业控制计算机作为所有运转设备的监控设备