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硕上论文自动化立体仓库物流系统的研究与开发 摘要 随着企业现代化生产规模的不断扩大，仓库己成为物流系统中的一个重要且不可 缺少的环节。基于现代物流技术的应用和发展要求，本文介绍了自动化立体仓库物流 系统的功能和作用；进而结合现代科技的发展，特别是计算机技术、通信技术以及信 息技术等的应用，着重研究了自动化立体仓库物流系统的控制及管理技术。 本文首先介绍了自动化立体仓库的基本概念，在此基础上详细介绍了所研究系统 的基本情况，进而面向当代仓储业设计出了适合于本系统的总体结构形式。对于终端 控制系统中的缺点和不足，本文进行了深入研究，并设计出了不同仓储类型下的不同 控制模式。在立体仓库管理上，本系统的功能较为简单，所有的数据处理都是由人工 来完成的。鉴于此，本文在该系统中引进了条形码和射频识别( r f i d ) 的相关技术。 条形码是现代仓储业中应用最为广泛的自动识别方式之一，而r f i d 则是仓储业自动 识别发展的方向。它们在本系统中的应用大大提高了系统的管理水平，简化了许多由 人工来完成的操作。为了完善系统的信息管理功能，还开发了相应的信息报表打印模 块，对于本系统的管理操作具有良好的实用价值。 总之，以上所开发的内容，在本系统中均得到了良好的运行和验证。系统的试运 行和测试表明：该系统运行可靠、稳定、操作方便，对信息的处理方便快捷，达到了 预期目标，满足了物流实验室的实际需求。系统的开发过程与经验可供相关企业和单 位参考。 关键词：物流系统，自动化立体仓库，终端控制，条形码，射频识别( r f i d ) a b s t r a c t a st h ee x p a n d i n go fm o d e me n t e r p r i s e s c a l e ，w a r e h o u s eh a sb e c o m et h em o s t i m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l el i n ki nl o g i s t i c ss y s t e m t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo f a u t o m a t e dw a r e h o u s ea r ei n t r o d u c e db a s i n go na p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm o d e r n l o g i s t i c st e c h n i q u e s t h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tt e c h n i q u e sw e r es t u d i e de m p h a t i c a l l vi n l o g i s t i c ss y s t e mo fa u t o m a t e dw a r e h o u s ec o m b i n i n gm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n i q u e s ， e s p e c i a l l yc o m p u t e rt e c h n i q u e s ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa n di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e s a tt h eb e g i n n i n g , t h eb a s i cc o n c e p t i o na b o u ta u t o m a t e dw a r e h o u s ei si 1 1 n 0 d u c e d a n d t h er e s e a r c hd e t a i l sa b o u tt h i ss y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e di n t h i sf o u n d a t i o n t h eo v e r a l l s t r u c t u r a ls t y l ef o rt h i ss y s t e mw a sd e s i g n e di nf a c eo ft h em o d e m w a r e h o u s i n gi n d u s t r y w i t hr e g a r d i n gt ot h e s h o r t c o m i n ga n di n s u f f i c i e n c yi n t h i st e r m i n a lc o n t r o ls y s t e m ， t h o r o u g hr e s e a r c hw a sc o n d u c t e d ，a n dd i f f e r e n tc o n t r o lp a t t e r n sw e r ed e s i g n e du n d e r d i f f e r e n tw a r e h o u s et y p e s i nt h ew a r e h o u s em a n a g e m e n t ，t h ef u n c t i o no fs y s t e mw a s v e r y s i m p l e ，a n da l lt h ed a t aw e r eo p e r a t e dc o m p l e t e l yb ya r t i f i c i a lp a t t e m s i nv i e wo ft h i s ，t h e r e l a t e dt e c h n o l o g yo fb a rc o d ea n dr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) w e r ei n t r o d u c e d i n t ot h i ss y s t e m t h eb a rc o d ei so n eo ft h em o s t w i d e s p r e a da u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nw a v s i nm o d e mw a r e h o u s i n gi n d u s t r y , b u tr f i di st h ed i r e c t i o no fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t h e s et e c h n i q u e s h a v eg r e a t l yr a i s e dt h es y s t e m m a n a g e m e n tl e v e l ，s i m p l i f i e dt h e o p e r a t i o nw h i c hm u s tb ed o n eb ya r t i f i c i a l p a t t e r n s t h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l eo f i n f o r m a t i o nr e p o r t sf o rp r i n t i n gw a sa l s od e v e l o p e dt op e r f e c tt h ef u n c t i o no fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t t h em o d u l eh a sg o o dp e r f o r m a n c ei nt h i ss y s t e m i naw o r d ，t h ec o n t e n t sd e v e l o p e da b o v ew e r ec o r r e c t e db yr u n n i n ga n d v a l i d a t i n gi n t h es y s t e m t h es y s t e mi sp r o v e dt ob er e l i a b l e ，s t a b l e ，a n dc a nb eo p e r a t e d e a s i l y i ti s c o n v e n i e n ta n ds m a r ti nd e a l i n gw i t hi n f o r m a t i o n i tf u l f i l st h ep r e d e t e r m i n e dg o a la n d m e e t st h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so ft h el o g i s t i c sl a b t h ec o u r s ea n d e x p e r i e n c eo fd e v e l o p i n g c o u l db ec o n s u l t e db yt h er e l e v a n te n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：l o g i s t i c ss y s t e m ，a u t o m a t e dw a r e h o u s e ，t e r m i n a lc o n t r o l ，b a rc o d e ， r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：；双坠夥啡9 加2 7 h 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：；虱叁垫加僻。臼刁日 硕上论文自动化立体仓库物流系统的研究与开发 1 绪论 1 1 自动化立体仓库简介 1 1 1 自动化立体仓库的含义 自动化立体仓库又称自动仓储a s r s ( 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 ) ， 是一种用高层立体货架储存物资，用电子计算机控制管理以及用自动控制堆垛运输车 进行存储作业的仓库。它是一种融合了计算机网络数据库管理技术、自动控制技术、 通讯技术、机电技术的综合系统，科技含量高，具有一定的复杂性。自动化立体仓库 是现代物流技术的核心之一，它的功能从单纯的物资储存保管，发展到担负物资的接 收、分类、计量、包装、分拣、配送、存档等多种功能，有助于实现高效率物流和大 容量储藏，能够满足现代化生产和商品流通的需要【1 】。 自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分。自动化立体仓 库的优点有：占地面积小、仓储容量大；能够减轻工人的劳动强度，提高管理和操作 人员素质；采用立体货架存储方式提高保管质量；可方便迅速地进行货物的出入库 作业，。提高出入库自动化水平和仓储管理水平；能够大大提高货物存储的经济效益 2 ，3 】 o 1 1 2 自动化立体仓库的基本构成 自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货 物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统组成，还有与之配套的供 电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、监控系统和信息通信系统等组成 4 】 o 1 ) 货物储存系统 该系统由立体货架的货位组成。立体货架机械结构可分为分离式、整体式和柜式 三种，其高度分为高层货架、中层货架、低层货架。货架按照排、列、层组合而成立 体仓库储存系统。 2 ) 货物存取和传送系统 该系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、 装卸机械等设备组成。 3 ) 控制和管理系统 该系统一般采用计算机控制和管理，视自动化立体仓库的不同情况，采取不同的 控制方式。有的仓库只采用对存取堆垛机、出入库输送机的单台p l c 控制，机与机 无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制；更高级的自动化立体仓库的控制系统 1 绪论硕1 ：论文 采用集中式控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆 垛机、出入库输送机等直接控制的可编程控制机械组成控制系统。 1 2 自动化立体仓库的发展现状与趋势 自动化技术在仓储领域中的发展可分为以下五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓 储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和正在发展的智能自动化仓储阶段【5 1 。时 至今r ，以全自动化、智能化、集成化、信息化为主要特点的第五代立体仓库f 在逐 步推广使用。 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产技术发展的结果。1 9 5 9 年世 界上第一座自动化立体仓库在美国阿尔巴尔州建成。美国于1 9 6 3 年建成了世界上第 一座计算机控制的自动化立体仓库。后来德国和日本也相继丌发了自动化立体仓库。 美国h a l l m a r k 公司安装的多达1 2 0 几个巷道的系统已达到了顶峰，甚至1 0 2 0 个巷道 的系统也通常不是首选的了【6 l 。目前应用最多、发展速度最快的国家是日本，近年来 每年约有上千种不同类型的自动化物流系统投入使用，其中每年建成的自动化立体仓 库多达三百余座，累计已有四千余座，堆垛机累计拥有七千余台，货位近五百个，拥 有托盘几亿个，物料搬运产业年产值超过2 0 0 亿美元( 7 】。在德国，自1 9 9 2 年以来， 自动化物流系统的产品已经发展成为机械制造业中最大的专业分支，1 9 9 6 年产值为 1 7 5 亿马克【8 】。 我国自2 0 世纪7 0 年代丌始进行立体仓库的开发研究工作，8 0 年代通过科技引进及 自主研发在全国建成了5 0 多座立体仓库，但技术含量较低。进入9 0 年代以后，自动化 物流系统的丌发和应用得到了很大发展。目自订已经有几十家企业、科研院校和高等学 府从事自动化物流系统的丌发研究和工程应用【9 】。1 9 9 2 年清华大学等单位建成了我国 第一个c i m s 环境下的试验工程物流系统，中科院沈阳自动化研究所丌发研制了电磁 导引自动车。从1 9 9 6 年起，昆明船舶设备集团有限公司通过技术引进和集成创新在自 动化物流系统方面进行了系统的开发和研制工作，建成了如青岛颐中集团、青岛海尔 集团、玉溪及红河卷烟厂等大型自动化物流系统 1 0 1h o 至u 2 0 0 3 年为止，我国自动化立 体仓库数量已超过2 0 0 座。目前我国已拥有数百座自动化立体仓库，多数是中小型仓 库。大型自动化仓库对技术性能和可靠性要求高，工艺性强，设计制造难度大，大多 由外国进口。采用自动化立体仓库后大都明显降低了存储成本和货物周转时间。以青 岛海尔集团国际物流中，t 5 立体仓库为例，该库投入使用后，库存资金占用从每年1 5 亿元降至6 亿元，平均库存时间由3 0 天减至1 2 天，对订单的相应速度从原来的3 6 天， 降低到目前的不n l o 天【旧。 自动化立体仓库的发展趋势表现为【1 3 】： 1 ) 自动化程度不断提高 硕士论文自动化也体仓库物流系统的研究o j 开发 近年来，自动化立体仓库在全部立体仓库中的比重不断增加，日本1 9 9 1 年投产的 1 6 2 8 座自动化立体仓库中，6 4 是计算机管理和控制的全自动化仓库，而单靠人工操 纵的仓库一座也没有。在生产企业，自动化立体仓库作为全厂计算机集成制造系统 ( c i m s ) 的一部分与全厂计算机系统联网的应用也日渐增多，成为今后发展的趋势。 2 ) 与工艺流程结合更为紧密 a s r s 高架仓库与生产企业的工艺流程密切结合，成为生产物流的一个组成部 分。例如，柔性加工系统中的自动化仓库就是一个典型例子。在配送中心，自动化仓 库与物品的拣选、配送相结合成为分配中心的一个重要组成部分。 3 ) 仓库储存货物品种多样化 大到长6 米以上、重4 1 0 吨的钢板、钢管等长大件，小到电子元器件的高架仓库， 还有专门用作汽车储存的高架仓库等均已出现。 4 ) 仓库出入库周转率不断提高 除管理因素外，技术上主要是提高物料搬运设备的工作速度。巷道堆垛起重机的 提升速度己达9 0 米分，运行速度2 4 0 米分，货叉伸缩速度达3 0 米分，在有的高度较 大的高架仓库中，采用上下两层分别用巷道堆垛起重机进行搬运作业的方法提高出入 库能力。 5 ) 提高仓库运转的可靠性与安全性及降低噪声 在自动控制与信息传输中采用高可靠性的硬、软件，增强抗干扰能力；采用自动 消防系统，货架涂刷耐火涂层；开发新的更可靠的捡测与认址器件；采用低噪声车轮 和传动元件等。 6 ) 开发可供实用的拣选自动化设备和系统 在拣选作业自动化方面正加紧研究丌发，但尚未真正达到能可靠实用的阶段。目 前，提高拣选作业自动化程度的途径主要仍限于计算机指导拣选，包括优选作业路线、 自动认址、提示拣选品种和数量等，而当前拣选操作大多仍由人工完成。 1 3 仓库控制与管理系统介绍 在现代的自动化立体仓库物流系统中，计算机的应用已经是必不可少的设备了。 计算机的应用可以分为对堆垛机、运输设备等的控制功能和以物品库存管理为中心的 信息管理功能。 本文所研究的自动化立体仓库物流系统是指自动化立体仓库中的软构成，它主要 包括仓库中的控制系统与管理系统。自动化立体仓库计算机控制及管理系统，是基于 现代计算机通信技术、控制技术及信息技术等而发展起来的综合应用系统。仓库控制 及管理的计算机网络系统，对仓库而言是相对独立的，但又是相互关联的。自动化仓 库控制与管理系统的主要任务是控制仓库中的自动化设备，实现仓库中材料的自动出 3 1 绪论硕i 论文 入库操作，并对仓库中的物品、货位等基本信息进行管理，提高仓库存储的效率，管 理材料的库存信息。它不仅对信息进行管理，也对物流及设备进行管理和控制，是现 代化企业物流和信息流管理的重要组成部分。 1 3 1 仓库计算机控制系统 自动化立体仓库有两种最基本设备：堆垛机和出入库输送系统。堆垛机自动控制 系统由控制器、通讯接口、操作器、传感检测系统、速度、位置控制系统、控制软件 等组成。出入库输送设备自动控制系统由主控制器、通讯接口、输入及显示操作系统、 传感检测系统、货物运动控制系统、控制软件等组成。 货物运动控制系统是出入库输送设备自动控制系统的关键部分。当我们将货物运 动链的动态生成、实时跟踪管理和动态调度以及实时避免并发任务的路由冲突等功能 交由仓库路由( 调度) 系统实现后，出入库的货物运动控制系统就变得较为简单了【。 自动化立体仓库的控制方式可分为手动控制、半自动控制、遥控和全自动控制以 及计算机集成制造系统( c i m s ) 控制方式等【1 5 】。 1 ) 手动控制：是指物品的搬运和存储作业是由人工完成或者人工操作机械末完 成的。 2 ) 半自动控制：是指物品的搬运和存储作业有一部分由人工来完成，整个仓库 作业活动可以通过可编程控制器( p l c ) 或微型计算机控制，堆垛机具有自动认址、 自动换速、自动停准等一项或多项功能，从而显著降低司机操作的疲劳程度，提高作 业效率。 3 ) 单机半自动控制：堆垛机停在立体仓库巷道端部原位，出操作人员用机上设 定器设定出入库作业方式和货位地址，起重机自动完成存取作业，并返回原址。 4 ) 遥控：是将仓库内的全部作业机械( 如堆垛机和运输设备) 的控制全部集中 到一个控制室内，控制室的操作人员通过电子计算机进行仓库作业活动的远距离控 制。 5 ) 全自动控制( 联机自动控制) ：如果把仓库管理计算机和集中自动控制系统实 时联机，便组成了全自动控制方式。 。 6 ) 计算机集成制造系统( c i m s ) 控制方式：仓库本身仍按全自动控制方式运转， 但其管理计算机与企业c i m s 联网，实现信息资源共享。仓库可以由车间或全企业的 c i m s 根据自动化生产系统的需要进行管理与控制。这种控制方式是立体仓库的高级 控制形式，可用于无人化工厂的生产。 1 3 2 仓库计算机管理系统 根据操作手段的不同，立体仓库的管理大致可以分为三种【1 6 】： 1 ) 台账管理：库存情况全部记载在账册内，分类统计，通过人工选择出入库货 4 硕l 论文 自动化记体仓库物流系统的研究1 j 开发 位地址。这是一种比较落后的管理方式，只是在规模比较小的机械化作业的仓库中使 用。 2 ) 穿孔卡片结合台账管理：这种卡片的下部用穿孔代表货位地址，入库时从中 选择适当的卡片进行操作。这种方式目前使用的也比较少。 3 ) 计算机管理：随着计算机硬件性能的提高和价格的下降以及应用软件的丰富 和完善，计算机在高架自动化仓库管理中的应用越来越普遍。目前，不仅自动控制的 立体仓库，而且许多不是自动控制的立体仓库也同样采用计算机管理。计算机管理具 有以下优点： 选择最佳货位地址进行出入库，提高出入库频率，并能充分利用所有货位的 存储能力。 由于计算机存储信息量大及运算速度高，能及时、准确和全面地了解库存情 况，进行库存分析和预测，合理安排销售和生产，减少库存资金积压。 管理计算机在运行货位管理的同时还能向执行设备传达作业命令，提高作业 效率。 自动化立体仓库采用计算机管理主要包括以下功能【1 5 】： 1 ) 库存管理：计算机库存管理主要是将库存物品的实时信息，诸如物品种类、 数量、单价、来源、入库时间、货位地址、物品属性以及其它必要数据都存储起来， 并在必要的时候经过数据处理提供给相关人员使用( 查询、打印报表、预测分析和报 警等) 。 2 ) 货位管理：对于自动化立体仓库，计算机管理的一项重要内容是货位管理。 计算机管理的自动化立体仓库一般都采用“自由货位”储存法，即各种物品并没有固 定的存放货位，任意货位都可以存放各种物品单元。计算机货位管理的任务便是根据 事先指定的原则，为需要入库或出库的物品单元选定最佳货位地址。 1 4 论文的意义与研究内容 1 4 1 课题的目的和意义 国内外的实践经验表明，在社会生产过程中，仅有5 的时间用于产品加工和制 造，其余9 5 的时间用于存储、装卸、检测、包装、运输，而存储和运输占生产成 本的4 0 左右【m 。生产材料的采购运进、入库验收、存放、加工制造、成品入库、 成品出库等一系列动态流通过程均包含了存储环节。企业采用先进的自动化立体仓库 可实现如下目标： 1 ) 科学存储、提高空间利用率与物品调节水平； 2 ) 加快物品的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率i 3 ) 有效衔接生产和销售，加快物资周转，减少库存资会积压，降低成本； 5 1 绪论硕j j = 论义 4 ) 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平； 5 ) 方便、快捷地显示库存信息，能及时有效地应对突发事件，为企业生产决策 提供依据。 尽管自动化立体仓库一次性投资成本较高，但它在实现物流的自动化管理，加速 资金周转，降低劳动强度，保证生产均衡等方面所带来的效益是巨大的。它已经成为 现代化企业的重要标志之一。因此，研究和讨论这一领域的课题具有重大的经济和社 会效益。 本课题是依托南京理工大学物流工程实验中心的建设而提出的，是对自动化立体 仓库物流控制系统进行的优化研究。它是面向现代仓储业而设计开发的一套以加快响 应速度和应变能力为主要目的，以信息技术、计算机技术和先进管理思想为基础，以 实际需求为驱动的先进的物流系统，并可成功应用于物流实验室，满足大学生工业现 场实习与实验的需求。 此外，本论文研究的主要目的还在于研究中小型仓库如何结合自身的特点来优化 企业物流系统，具有一定的理论意义和现实意义。 1 4 2 研究的相关内容及其章节安排 针对论文中研究的内容和类别，现将论文章节安排规划如下： 第一章主要介绍自动化立体仓库的基本概念、结构以及它的发展背景和现状， 使读者对自动化立体仓库有个比较清晰的概念。然后丌始讨论控制与管理系统以及该 课题研究的现实意义。最后对本文的研究内容和结构做出规划。 第二章主要分析自动化立体仓库物流系统的组成和特点，包括主要设备及其功 能，系统特点与作业规划，控制及管理系统的分析研究等。最后针对系统的缺点和不 足做出需求分析，并给出本系统的总体结构设计。 第三章首先介绍开发工具语言v i s u a lc + + 6 0 ，之后详细介绍自动化立体仓库终 端控制系统的开发过程以及相关功能的实现，针对不同的仓库存储类型开发不同的运 行控制模式。 第四章介绍条形码和r f i d 系统的组成与工作原理。主要设计开发适应于本系 统的仓库信息管理方式，实现条形码与r f i d 的多种管理模式。此外本章还需对相关 的信息报表的打印功能模块进行开发设计。 第五章对所研究开发的系统进行运行和验证，包括终端控制系统、信息管理系 统中的条形码与r f i d 系统的运行与实现。 第六章对本论文的研究内容进行总结，并对系统中存在的不足之处以及需要继 续开发的内容进行分析与阐述。 6 顺- j 。论立自动化t 仲仓库流系统的究i * r 2 自动化立体仓库物流系统的分析与研究 2 1 自动化立体仓库相关设备与功能 2 1 l 系统构成 本自动化立体仓库研究平台的构成如图2 】1l 所示，整个系统配置可以分为四 大部分： 1 ) 自动化立体仓库物流配送中心： 2 ) 原料供应商； 3 ) 生产制造企业： 4 ) 物流服务及产品销售商。 由这四部分构成了一个基本的仓库物流供应链运作流程，在这个物流供应链中， 自动化立体仓库物流配送中心是组织者，通过其信息管理系统( 包括供应链管理软件、 仓储配送管理软件等) 将供应链的各个节点( 包括原料供应商、生产制造商、物流服 务及销售商等) 及交通运输工具( 包括a g v 小车、托板车等) 等链接起来。 淄黧 审 1 目自* gm # i # q q* m # tm # “* * 圈21 ll 白动化立体仓库平面布局圈 此外，该系统中还融合了工业监控系统、人机工程系统、r f i d 识别系统等。这 些设施和系统完全是一个工业系统的微型化在此基础上进行工业现场的研究既减少 2 自动化j 体仓库物流系统的分析与研究 硕j ：论文 了投入成本，又具有相当复杂的研究内容。 2 1 2 主要设备与功能 系统研究平台的主要设备分为自动化立体仓库、堆垛机、混合式流水线、a g v 小车、装配加工中心、零件仓库、监控系统以及模拟供应商、销售商等。其具体结构 和功能简介如下。 1 ) 自动化立体仓库 自动化立体仓库是物流系统的核心，无论在企业物流还是在商业物流中，都是作 为原材料或者成品的存贮中心。所研究系统中的立体仓库由两列组合式货架和一个巷 道式堆垛机组成，一共设有8 0 个货位，可以存放不同的物品。 在仓储中心，为了合理、有效地利用空l 剀，企业都会建立各种类型的立体仓库。 这种仓库有的高达几十米，长几百米，由几十列货架和多个巷道式堆垛机组成，配以 专用出库流水线和出入货台，可以快速的定位仓库中的物品，并且进行高效的入库、 出库、移库和盘库等操作，再用条形码以及电子标签等先进检测设备完成系统的库存 管理。 2 ) 堆垛机 全自动堆垛机是立体仓库的核心部件，它的结构主要由起升机构、运行机构、货 叉伸缩机构、金属结构( 上横梁、下横梁、立柱) 、电气设备和安全及连锁保护机构等 组成。主要用于将立体仓库中的物品取出到出货台，或者将入货台上的物品放置到设 定的货位。自动化立体仓库的发展水平就是以堆垛机的发展为主要标志的。堆垛机控 制系统的工作效率、可靠性及稳定性等的优劣在自动化立体仓库系统中起着重要的作 用。 系统中全自动堆垛机具有的特点为： 安全性：在堆垛机上设置了三层保护：软件限位、硬件限位和碰撞缓冲挡块， 充分保证了设备的运行安全。 先进性：主驱动采用运动控制器+ 交流伺服电机方式，具有噪音低、速度快、 定位精度高等特点，专用运动控制器核心是高性能的d s p 和f p g a 技术，可以实现 4 个运动控制轴的协调控制，控制速度和定位精度远高于p l c + 变频器控制方式。 开放性：核心控制部件为精密嵌入式四轴运动控制器，为开放性运控平台，能 够提供丰富的软硬件接口。 可扩展性：该全自动堆垛机为类工业产品，可实现双排货架的双向工作。 堆垛机采用x y z 三自由度模式。x 方向用一个7 5 0 w 交流伺服电机驱动，配以 行星齿轮减速器，采用齿轮齿条传动形式，齿轮直径d = 8 0 m m 。y 方向采用一个7 5 0 w 交流伺服电机驱动，配以蜗轮蜗杆减速机，采用链条链轮传动形式。z 方向采用三级 货叉伸出形式，用增倍机构，实现两级增倍，并可以实现双向取货。 r 硕士论文 自动化休仓库物流系统的研究t j 开发 3 ) 混合式流水线 混合式流水线主要由出入货台、皮带式输送线、动力式辊筒线、倍速链输送线、 9 0 度转角机等部件组成。 出入货台：立体仓库和外界输送线的衔接使用了具有平移功能的出入货台。输送 线上需要存放的物品先要经过入货台转换，然后进入仓库存储；同样，立体仓库堆垛 机从货架上取出物品后放到出货台上，才能转运到输送线。出入货台上都具有专用漫 反射传感器，作为检测信号的来源t 平移式出货台和入货台唯一不同的地方就在于出货台上安装了四块尼龙导向块， 其主要用途就是防止当堆垛机从仓库中取出托盘送至出货台出现位置偏差时，仍可将 托盘安全的放置在出货台上。 。 皮带式输送线：皮带式输送线一般用于电子装配输送线或者食品线。在该系统中 的皮带线上为了能够实现流水线上的装配工位，在皮带线上的特定位置设定了3 个欧 姆龙光电感应开关，当托盘经过这些开关的时候，系统会收到反馈信号，然后根据终 端计算机设定的每个虚拟工位停留的时间让皮带线停下。 动力式辊筒线：动力辊筒线上的特定位置设定了专用行程开关，用来检测托盘在 流水线上的状态、并在特定的位置设置了虚拟工位检测开关，可以在这些位置进行工 位操作。 倍速链输送线：倍速链经常备用为家电装配线。系统中的倍速链输送线也根据工 业标准配备了气动阻挡器和行程检测开关，用来阻挡和检测在倍速链上通过的托盘。 因此系统中也配置了空气压缩机等设备。 9 0 度转角机：在系统中，9 0 度转角机用来在生产流水线之间中转托盘时使用， 采用转角气缸和单相a c 2 2 0 v 交流电机驱动。 4 ) a g v 小车 a g v 控制系统选用一台以a r m 7 内核芯片4 4 b o x 为车载控制核心的三频磁导 引a g v 小车。a g v 小车的车载控制器通过无线电通讯系统与a g v 控制计算机保持 实时通讯，这样，远在控制室内的调度人员便可通过a g v 控制计算机对a g v 小车 的配装及行走路径进行远程填表式编程优化设计( 可预设3 2 条路径信息) ，并及时反 馈当前小车的所有状态，如：所在地址、控制方式、运行方向、障碍信息、当前路径 的i d 号、所在导引线号、停车倒计时等信息。该种a g v 具有行走速度快( 6 0 m s ) ， 定位精度高( 1 0 m m ) ，负荷大( 1 0 0 k g ) 等优点，功能是实现物品的配送。 2 2 系统特点及作业分析 2 2 1 系统的组成特点 以物流工程为背景，以优化系统、提高自动化程度为终极目标，丌发出具有一定 0 2 自动化立体仓库物流系统的分析。j 研究 硕上论文 集成度的、系统功能完善的、先进的和模块化的系统是本论文的主要目标。所研究系 统中的单元设备基本涵盖了工业领域正在得到广泛应用的各种先进控制技术和正处 于工业前沿领域的特种加工技术。它具有以下主要特点： 1 ) 高度集成。在所研究系统中，通过工业现场总线形式的网络通讯手段将系统 中的所有单机设备进行高度、高效的集成。采用符合国家和国际标准和行规的 p r o f i b u s d p 工业现场总线，将系统中的物流装备( 堆垛机、皮带线、辊筒链、倍速 链等) 有效地整合为一个具有极强实际操作能力、加工能力和二次丌发能力的全自动 生产加工系统。 2 ) 高度开放性。包括硬件丌放性和软件丌放性，由于所研究的系统中应用到了 精密运动控制技术和p r o f i b u s d p 工业现场总线通讯技术，系统中以运动控制技术为 主的单元装备均具有良好的硬件丌放性，可以和工业上众多装备进行接口，进行系统 集成。软件系统由于采用丌放式源代码和通用软件开发平台( m sv c + + ) ，可以进一 步进行深入层次的软件系统二次开发，以便于开发出适合用户需求的系统调度程序和 单机运行程序。 3 ) 先进性。主要体现在两个方面：第一，系统中单元设备采用目前在工业领域 中最前沿的“开放式运动控制器+ 伺服电机驱动”的精密伺服系统，可以使该系统获 得以往“p l c + 变频电机驱动”的系统所无法达到的高速、高精度和低噪声的良好系 统品质。第二，系统中集成了工业物流系统中的标准物流输送装备，并且采用混合式 流水线基本包含了绝大部分工业物流现场中所用到的物流装备：皮带式输送线、辊筒 式输送线、倍速链和流利链等。 4 ) 模块化。系统中的单元设备( 全自动堆垛机和混合式流水线) 具有“联机 单机”两种操作模式。所有的单元设备的软硬件均可以独立操作，能够以单机设备为 平台，进行单项技术的研发。 5 ) 完善的系统功能。系统的功能在软、硬件两方面均有体现。 在硬件系统方面：合理地应用了网络通讯技术；不但涉及到了先进的运动控制技 术，同时也涵盖了传统的“p l c + 交流变频驱动技术；几乎所有装备上都应用到了 光电传感技术或者磁感应传感技术；在工业混合式流水线上应用了气动技术和交流驱 动技术；通过e m 2 2 7 的扩展模块来实现同p r o f i b u s d p 工业现场总线的通讯。 在软件系统方面：系统集成了包括堆垛机嵌入式控制软件和线路板制作系统等单 机控制软件以及f m s 调度系统、仓储管理系统等系统联机控制软件。 6 ) 工业化。系统所有单元设备都采用了标准工业级的装备和系统集成手段。物 流系统均为标准工业化的巷道式堆垛机和各种流水线体；此外，系统还配备了网络监 控摄像头、全自动变焦镜头和云台。 硕士论文 白动化证体仓库物流系统的研究。巧开发 2 2 2 系统功能与作业流程规划 自动化立体仓库物流系统如果要实现它应有的功能，需要对系统的运行模式进行 一定的规划，也就是要求系统具有合理化、简单化和机械化的物流配送功能。所谓合 理化，就是各项物流作业流程具有必要性和合理性：所谓简单化，就是整个系统的物 流作业简单、明确和易操作，并努力做到作业标准化；所谓机械化，就是规划设计的 现代物流系统应该力求减少人工作业，尽量采用机械化或自动化设备来提高生产效 率，降低人为因素可能造成的错误【l 引。 自动化立体仓库物流系统的主要活动为进货、验收、入库、仓储管理、订单拣货、 流通加工和配送作业等。首先确定仓库物流中一l b 的主要活动及其程序之后，才能规划 设计流程。在本仓库中集成了相应的生产线设备，故还具有流通加工以及包装，粘贴 条形码或者l 心i d 标签等功能。 供货厂商立体仓库物流中心客户 发货 进货帐务管理 ( 出库订单_ - 客户需求 ir 结束、 ( 进货订单( 进货验收 - ( 验货清单( 不进例 l 订单处理 壬岱 j l 进j i 1 1 物品标识l 有货 入库准备 ( 出库清单i 出货准备 包装处理 1r 1r 流通加工拣货出库 入库搬运 需加工 不需加工 r 物品暂存 入库 存货整理 l 审核清单( l 1r ， 库存管理ji 库存报表审核处理卜l 发货审核 有问题 没问置 盘库 i 装载上车 采购补货 配送 收货检验 实体物流信息流 图2 2 2 1 立体仓库物流作业流程图 在图2 2 2 1 中，不仅包括了立体仓库物流系统中的操作流程，而且还包含了在 运作之中所需要处理的信息表单，这样就组成了系统运行的事务流程，从而可以实现 合理化的物流作业。它的主要结构可以分成两个部分： 2 自动化立体仓库物流系统的分析与研究 顾j ：论文 1 ) 采购进货业务流程 仓库管理中心根据库存的需求发出采购信息，根据进货订单客户厂商开始提供相 应的物品供应。仓库部门接收到物品之后，完成一系列的入库操作，包括验收、整理、 搬运，入库等。在此过程之中，又包含了仓库运行规划，完善库区分配与管理。根据 需要可以打印、查询相应的各种表单。 2 ) 接单发货业务流程 客户向仓库管理中心下达订货单，仓库管理中心根据订货单进行资料的统计、入 账及订单资料的查询。如果库存中的物品可以满足客户的需要，则按照订货单进行相 应的出库配送。在此过程之中，根据客户的需要还可以实现原料的流通加工，满足多 方客户的需求。如果库存中没有相应的物品，根据仓库需要结束此次订货或进行补货 处理。 2 3 控制与管理系统分析研究 2 3 1 终端控制系统 1 ) 设备控制模式分析 。自动化立体仓库有两种最基本设备：堆垛机和出入库输送线。本终端控制系统将 这两个部分采用了集成控制方式。堆垛机自动控制部分由控制器、通讯接口、操作器、 传感检测系统、速度与位置控制系统、控制软件等组成；出入库输送设备自动控制部 分由主控制器、通讯接口、输入及显示操作系统、传感检测系统、物品运动控制系统 等组成。 自动化立体仓库自动控制系统采用p r o f i b u s d p 总线方式，如图2 3 1 1 所示。它 是当前非常先进的一种仓库自动控制系统，采用了当前国际先进的现场总线技术。通 过分布式控制将总线控制器、检测传感系统、速度位置控制系统、输入及显示操作系 统、上位机通信接口等用p r o f i b u s d p 组网技术组成一个工控网络，用来控制设备运 行，实现对物品的运送与存储。p r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送，除周期性 用户数据传输外，p r o f i b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组 态、诊断和报警处理。此外还可以向上位机发送设备的实时状态信息，实现仓库实时 监控系统对自动化立体仓库所有设备的实时监控。 珂! 土论文 自动化口体仓库物流系统的研究j 开发 控制箱终端终端控制计算机手持盒终端 p r o f i b u s - d p 总线 l 带传送入货台水平位起升位货叉运 出货台滚筒链 9 0 度转角机 i 控制控制置检测置检测行检测 控制控制 控制 水平运行速起升运行速货叉运行速设备状态 度、位置控制 度、位置控制度、位置控制安全检测 图2 3 1 1p r o f i b u s - d p 总线控制迎接图 p r o f i b u s d p 现场总线具有的突出特点为：布线简单节省；节约空间、便于维护， 减少了设备维护开销；使用户具有高度的系统集成主动权；提高了抗干扰能力：提高 了系统的准确性和可靠性；能够获得更多的设备信息等。 2 ) 控制信息传递分析 在本立体仓库的控制系统中，信息的传递如图2 3 1 2 所示。 仓储管理系f t c p i i p i 终端控制系1 p 咖即s 中p 1 堆垛机、输送 统i i统i i线等设备 图2 3 1 2 控制系统信思传递图 由图2 3 1 2 可以看出，各个部分的信息是双向流动的，它们之间的信息通讯如 下：首先将条形码阅读器或者r f i d 读写器扫描的信息输入到仓储管理系统，根据此 信息，终端控制系统和服务器进行通讯和认证( 认证信息包括物品信息的种类、数据 库中是否有此信息等) 。认证通过后，服务器返回给终端控制系统一个确认的信息， 包括分配给物品的货位信息等。将返回的货位信息发给堆垛机，当堆垛机获得控制信 号后，控制相关设备进行运动( 出入库、移库或者调库等操作) 。堆垛机在任务完成后 自动发出操作结束信号，通知终端控制系统任务已经完成。同时终端控制系统往服务 器数据库里写下物品的现在在库状态信息，以及相应的操作记录信息等。 需要传送的信息如下： 终端控制系统 堆垛机等设备( 调度控制指令) ： 终端控制系统向堆垛机等设备发送目的货位号及入库或出库等信息； 堆垛机等设备向终端控制系统返回确认信息； 堆垛机等设备完成操作后向终端控制系统返回完成信息； 1 3 2 自动化立体仓库物流系统的分析与研究 硕卜论文 终端控制系统向堆垛机等设备返回确认信息。 堆垛机等设备 终端控制系统( 故障处理信息) ： 堆垛机等设备向终端控制系统发送故障信息： 终端控制系统向堆垛机等设备返回确认信息。 3 ) 软件结构组成分析 自动化立体仓库终端控制软件作为自动控制系统的核心，它的性能将对设备运行 效率起到决定性的作用。 一般控制软件由通信模块、输入与信息显示模块、运动( 位置、速度) 控制模块、 故障检测与处理模块、特殊功能模块等组成。如图2 3 1 3 所示。 图2 3 1 3 控制系统软件功能图 通信模块实现与上位机的通信联系。接收上位机或操作器输入的任务信息，发送 设备的任务及状态信息。 输入与信息显示模块用来管理显示系统的任务信息或者仓储信息等。 运动( 位置、速度) 控制模块控制设备可靠快速地完成给定的任务，具有一定的智 能处理与控制功能。 故障检测与处理模块应具备完善的检测与处理非e 常状态的功能，具有故障诊 断、保护及故障自恢复性能。 特殊功能模块满足各种特定应用场合的功能要求。如：拣选功能，动作分解控制 功能，信息采集功能等。 2 3 2 信息管理系统 基于c s ( c l i e n t s e r v e r ) 和b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 这两种主流技术开发的仓储管理系 统是在网络的基础上发展起来的，基本满足了物流领域内信息革命的需求，可以较大 地提高仓储式企业的竞争力，