（机械电子工程专业论文）基于pc的立体仓库调度与定位系统的研究.pdf

北京邮i b 大学硕士学位论文 摘要 摘要 企业现代化生产规模的不断扩大与深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要 且不可缺少的的环节。立体仓库正以它最小的占地面积和最佳的空间利用率，逐步替代 着面积利用率极低且陈旧落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。为满 足现代化生产与流通的需要，就必须采用以计算机控制技术为主要手段的自动化立体仓 库。针对其应用中效率不高的问题，从以下两个方面着手进行分析和设计，来提高立体 仓库的作业效率： 1 介绍了自动化立体仓库中各种出入库方式的分类和分层结构模式，着重给出一 种基于状态图和数据库表的出入库管理软件及其算法，其中包含了所有各种出入库操作 方式，并给出了立体仓库货位货箱的一种数据库通用表示方法，经实际使用证明，所提 出的软件算法是灵活有效的。 2 克服传统三段式减速定位超调量大，定位精度不高的缺点，首次运用相对认址 与增量式旋转编码器认址相结合，利用模糊控制理论的相关知识，设计了一种新型的具 有运行的快速性和高定位精度的定位方法。 结合出入库调度算法设计及定位系统的设计，达到从整体上提高立体仓库作业效率 的要求。 关键词：立体仓库堆垛机模糊控制定位物流自动控制状态图 j ! 塞塑! 皇查堂堡，! ：堂竺堡兰 塑兰 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h eu n c e a s i n gi n c r e a s eo fp r o d u c t i o ns i z e ，w a r e h o u s eh a v eb e c o m ea n i m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ep a r t o fo r g a n i z a t i o n s d u et oi t sm i n i m a lo c c u p y i n ga r e aa n d o p t i m a ls p a c eu s i n gr a t e ，t h eh i g h r i s ew a r e h o u s ei sr e p l a c i n gt h ep l a n ew a r e h o u s e ，w h i c h i s t o ob e h i n d h a n db e c a u s eo fi t sl o wa r e a - u s i n gr a t e a n dt h i sk i n do fr e p l a c i n gi m p r o v e st h e l e v e lo fm a t e r i a lh a n d l i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ，a u t o m a t i ch i g h r i s ew a r e h o u s em u s tb eu s e dt o s a r i s f yt h en e e d so fm o d e mp r o d u c t i o na n dc i r c u l a t i o n t o c o u n t e rt h ep r o b l e m so fl o w w o r k i n gr a t ei nt h ea p p l i c a t i o n ，w ea n a l y z ea n dd e s i g n t oi m p r o v et h eh i g h - r i s ew a r e h o u s e s r a t ef r o mt w o a s p e c t si nt h ef o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fs t o r a g ea n d r e t r i e v a lm e t h o d si na u t o m a t e d s t o r a g ea n d r e t r i e v a ls y s t e m ( a s r s ) a n dt h e np r e s e n t sa n d a n a l y z e st h ek e r n e la l g o r i t h mt h a ti n c l u d e sa l m o s ta l ls t o r a g ea n dr e t r i e v a lm e t h o d si n w h i c hs e v e r a ln e wm e t h o d sa r eg i v e n t h ew e p r e s e n tag e n e r a lw a y t od e s c r i b et h e l o c a t i o n sa n dt h ep a l l e t so nt h eh i g h - r i s er a c k b a s e do nt h i sa l g o r i t h m ，w ea l s od e s c r i b e t h el o g i ci m p l e m e n t a t i o n so f a l ls t o r a g ea n dr e t r i e v a lm e t h o d si n a s r s 2 w e c o n q u e r t h e d i s a d v a n t a g e o ft r a d i t i o n a l t h r e e s e g m e n t o r i e n t a t i o nw h o s e l a r g e o v e r s h o o ta n dl o wp r e c i s i o n ，a n da d o p tt or e l a t i v e r e c o g n i t i o na n di n c r e m e n t a lr o t a r y e n c o d e r r e c o g n i t i o nf i r s t l y , m a k eu s eo f t h er e l a t i v ek n o w l e d g e o f f u z z y c o n t r o lt h e o r y , w e d e s i g nak i n do fo r i e n t a t i o nm e t h o dt h a th a sm o v e ss p e e d i n e s sa n dh i g ho r i e n t a t i o n s p r e c i s i o n w ec o m b i n ei n o u t s t o r e s c h e d u l i n ga l g o r i t h md e s i g na n do r i e n t a t i o ns y s t e md e s i g n ， r e a c ht h er e q u i r et h a ti m p r o v et h eh i g h - r i s ew a r e h o u s e w o r k i n g r a t ew h o l l y k e yw o r d s ：h i g h - r i s ew a r e h o u s e ；s t a c k i n gc r a n e ；f u z z yc o n t r o l ；o r i e n t a t i o n ；m a t e r i a lh a n d l i n g ； a u t o m a t i cc o n t r o l ；s t a t e d i a g r a m 整塞堕! 杰兰鳖：! ：篓墼鎏塞 。上生二墨! 逛 ， 安 拳纛澎懿定熨 第一章绪论 爨麓纯立体会鬻又称楚鑫秘襻诺，鑫动稳索蘩辘( a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a l s y s t e m ，a s r s ) ，戆一静新黧熬套撩缓零，爨耱料搬邂帮念麓辩掌孛翡门练会辩学接零 工程。宅藩惑餐立体鼗繁麓主要撩悫，辍藏套瓷遴搬运设餐为蘩礁，戳瘫逐熬毒 冀撬接 铡攘术沟未簧手羧，出忿弼惑骥褰簸率辩貔滚、犬窖爨帮秘擎溅镶藏，戳邋瘟溅钱稼生 产、貔舞交漾窝会德熬霭癸。 蓬秘融立豁惫露系绕蹩程诗黪壤誊接控鬣亵瓣骥下畿爨动蟪稃联著察蠛练鸯粪韵 纯蛰爨赞物熬多屡仓黪存德系统，塑动化立嚣仓艨熬嫂划_ 稻浚诗是涉及剿魏流鼗控技 术、毒 冀热建臻投零、暹按技术、设备控裁及赞位绕纯管骥等投寒镰域煞综含工程疆嚣。 1 2 巍体穗瘴瀚发袋掰囊 爨魂像蒎拳在硷赣领域( 爨撬差露念露 率戆发暴露势为五个滁段；a 芏惫嬉除羧、 规城璁愈德玲墩、叁动化念锉玲敬、懿戒他仓德阶段嬲鸳瞧巍劫他仓撩除段。在9 0 零 健活絮及2 l 毯鳃戆若予霉瞧，餐鼹錾动他仓储将憝螽溺纯技术褥主要发麟方藏。 第一阶段，物资的输送、寝德、蛰理翻控制主聚纛入工实现，其襄时性和赢观性楚 瞬篷蛉撬患。人工仓髓技术在锯期设套投资熬经济指檬也矮鸯德越瞧。 第二阶段，耪辩可以通过铸种各样的传带，工娩输送车、机械手、吊车、难垛祝嗣 舞释毒强寒移动窝搬运，爆货絮疆懿耱可移动货黎存储穗秘，道避入工搽手罄枫械京酝设蚕， 嗣鞭镶开头，攥旋辊槭铡幼霸辊械液褥嚣等控稍设餐静运行。祝城纯满足了丸们遴瘦、 赣度、离波、熬爨、熬复存取嗣搬运簿要求。 篱三输段燕巍渤纯仓撩蔑零徐获，程溺纯技术辩仓储技术鞠袋装起了麓要瓣键避 擘 惩。5 0 年代求帮醣警代，穗继磷零l 辩慕羯了鑫貔导攀| 夸车( a g v ) 、鑫磅费巢、鑫躜 存联瓤器天、翥动浚掰帮鑫魂分攘等系统。弼年霞帮8 爵簪代，瓣转贰钵赞絮、黪葫式 赞絮、巷j 羲式臻搽疆鞫其德掇逡浚釜帮赧入了嚣魏控鬣豁行魏，德这露只蹩番令设备魏 弱漤国麓佬并各巷独立应馥，救稼菇“趣舔纯孤岛”。髓饕诗葵瓿投零抟发溪，王掺重患 转淘辏瓷豹控露翻警遴要求实瓣，按溪秘一嚣纯，往熟鑫麓纯技零逐澎戚必惫然蠢凌豫 技术翁棱心。谑、棼橇之瓣、数据聚集惑之涟、辍竣设务煞控制瓣之瓣以及宪 j 与妻诗算 秘之蒯熬邋臻可以及瓣媳汇毖揍崽，瘁诗冀识及对她记滚订赞秘裂赞孵嬲，漫承艨孬 撼，祺。麓太爨珂融方便蟪馋爨供赞决策，德翻翘磁聂程叟产稍么、订 - 么爨、仔么辩藤 发持幺货、管珊人员瓣蹲攀握赞源及嚣藩。稳爨技术嬲艨用已成为仓储技术昀熬要支穗。 撼 贰 北京邮i 乜人学硕i 学位论文 第一章绪论 第四阶段是集成自动化仓储技术阶段，在7 0 年代末和8 0 年代，自动化技术被越来 越多地用到生产和分配领域，显然，“自动化孤岛”需要集成化，于是便形成了“集成系 统”的概念。在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大 大超过各部分独立效益的总和。 集成化仓库技术作为计算机集成制造系统( c i m s - _ c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 中物资存储的中心受到人们的重视。虽然人们在8 0 年代已经注 意到系统集成化，但至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多。在集成化系统里包 括了人、设备和控制系统，前述三个阶段是基础。 7 0 年代初期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。 1 9 8 0 年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓 库在北京汽车制造厂投产。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据不完全统 计，目前我国已建成的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有3 0 多个。我国的 自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研 究工作。 第五阶段是智能自动化仓储技术，人工智能技术的发展了自动化技术向更高级的阶 段智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段，到二十 一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。 自动化仓库的分类方式有： ( 1 ) 按建筑形式分为整体和分离式。 ( 2 ) 按货物存取行式为单元架式，移动货架式和拣选货架式。 ( 3 ) 按货架构造形式分为单元货格式，贯通式，水平循环式和垂直循环式仓库。 ( 4 ) 按所起的作用分为生产性仓库和流通性仓库。 ( 5 ) 按自动化仓库与生产联接的紧密程度分为独立型，半紧密型和紧密型仓库。 1 3 课题研究目的与意义 自动化立体仓库又称为自动存储自动检索系统( a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a l s y s t e m ，a s r s ) ，是一种新型的仓储技术，是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技 术工程。它以高层立体货架为主要标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机 控制技术为主要手段，由此而组成高效率的物流、大容量和科学地储藏，以适应现代化 生产、物资交流和仓储的需要。 自动化立体仓库系统是在训算机直接控制和管理下能自动地存取并实现综合自动化 箭理货物的多层仓库存储系统，自动化立体仓库的规划和设计是涉及到物流监控技术、 讣算机应用技术、通信技术、世备控制及货位优化管理等技术领域的综合工程项目。 自动化立体仓库综合了物流的分析，数据的处理，货架存取机以及其它输送设备的 北京邮l 乜人学颂l 学位论文 第一章绪论 设计，先进的电力拖动技术，高度自动化水平的计算机控制管理技术。它充分利用空间， 减少占地面积，通过计算机有效利用仓储能力，合理减少库存，加快储备资金周转，能 够实现先进先出，高速存取，适应现代企业的柔性化生产。它广泛应用于医药、电子、 汽车、机械、化工、等行业，和企业的e r p 等上位系统的连接后，可实现企业信息管 理的自动化，使物流系统与生产制造、销售、财务等系统有机的联系起来，提高企业管 理水平和经济效益。 自动化物流中心和立体仓库项目在我国尚在起步阶段，它的市场潜力非常巨大。自 从中国第一个立库建成以来，我国在几年时间就已建成全自动立体仓库三十余座，而且 越来越多的企业认识到物流已成为企业发展的瓶颈，建造立库成为当务之急。 立体仓库的信息管理无论是在企业的生产制造过程还是整个物流供应链管理领域 都起着非常重要的作用。对内，它是立体仓库实现智能化控制的基础，没有一套完备的 信息管理反应机制，智能化无从提起；对外，良好的信息管理方式，对于解决电子商务 的交易瓶颈，增加产品的销售，是企业更好盈利的关键。 除了信息管理的完备，立体仓库整体运行效率的提高对促进现代物流的发展也是至 关重要的，作为立体仓库的重要组成部分，堆垛机的快速定位的好坏是立体仓库运作效 率的关键。 对这一新型技术不断的深入开发与研究，对于提高我国的仓储业自动化水平，普及 新型技术的应用，加快我国在电子商务环境下的物流的快捷有很重要的现实意义。为开 展现代物流传输、存储提供一个科研平台，满足多项科研项目的需要。 1 4 课题研究现状 1 4 1 研究方向 作为现代物流的关键技术之一，立体仓库的控制高度智能化和它的信息管理的完备 性，将在很大程度上决定企业的发展状况。所以国内外研究机构在立体仓库系统的理论 和技术研究方面投入了大量的人力物力，因此立体仓库技术发展迅速，特别是在8 0 年 代中后期，随着计算机技术的进一步发展以及人工智能技术的发展与应用，立体仓库控 制技术无论是软件还是硬件均有突飞猛进的发展。 这一发展主要表现在以下几个方面： 1 ) 动态存储系统的发展。例如v l m ( v e r t i c a ll i f t m o d u l e s ) 的应用，s i k o r s k y ss t r a t f o r d c o n n 飞机制造厂采用5 个v l m 存储3 00 0 0 可重用的模具和3 20 0 0 一次性的工具。将 原来的存储区域减少至原来的1 1 0 ，工具的提取时间由原来的3 5 m i n 减少至4 5 s 库存 控制软4 t 。现在也能跟踪工具在何时、何地被何人领取，也因此可以将库存降低到原来的 。卜。并h 操作山原来的人上下移动来取工具，变为工具上下移动到人适合提取的位髯。 北京邮电人学碳：1 学位论文 第一章绪论 再比如通过一个振动的气缸将负载从流动的巷道中移下，由于不是通过重力，所以不需 要有斜坡，负载是在一个水平面上移动，大大节省了空间。 2 ) 控制软件的模块化、标准化。为了便于对控制软件进行修改、扩展或集成，控 制软件模块化、标准化已成为立体仓库控制系统的主要发展趋势。 3 ) 迅速发展新型软件开发已成为控制系统发展的瓶颈，因此一些软件公司不断推 出一些称之为“平台”的支持开发工具，帮助用户来完成自己的工程项目设计和实施。 例如新的w m s ( w a r e h o u s em a n a g e m e n ts o f t w a r e ) 仓库管理软件，提供了一个基于小型机、 p c 机、服务器的，对仓储、分配和制造等操作提供实时的库存管理，并将它们集成在 一个软件包内。 4 ) 积极引入设计新方法。为提高控制系统的正确性和有效性，人们在不断开发新 型控制软件，发展软件开发工具的同时，还积极引入设计新方法。例如面向对象( o o ) 方法。 5 ) 发展新型控制体系结构。立体仓库控制系统的体系结构早期参照传统的生产管 理方式采用集中式分级递阶控制体系结构。这种结构，控制功能的实现比较困难，顶层 控制系统出现故障时立体仓库作业将全部瘫痪，所以逐渐发展为多级分布控制体系结 构。这种控制结构虽然易于实现各种控制功能，可靠性也比较高，但由于控制层数比较 多，工作效率和灵敏性则相对比较差。所以又发展出非递阶或自治协商式控制体系结构。 这种控制结构虽然还是采用分布控制，但响应速度快、柔性好。这种控制结构更适合于 开始先安装一个或几个小型的易于管理的立库单元，然后再集成单元之间的信息流和物 料流的分步实施方法。 6 ) 大力开发应用人工智能技术。单元控制系统功能的增强除了本身控制技术的发 展外，还有一个重要原因，那就是人工智能( a i ) 技术的专家系统在控制、检测监控和仿 真等单元控制技术中的广泛应用。 1 4 2 理论和技术涉及的领域 立体仓库控制系统的理论和技术涉及的领域很多，它主要包括： 生产调度理论与算法的研究。它主要涉及数学规划、图论、对策论、排对论、 人工神经网络方法、p e t r i 网理论等应用数学理论及方法。 一计算机通信及数据库技术的研究。主要涉及数据通讯规范与标准、工程数掘库 管理技术。 一计算机仿真技术研究。主要涉及系统建模理论、数理统计分析技术、计算机仿 真语言等。 一生产组织及控制模式理论和技术的研究。主要涉及动态逻辑单元重构理论、多 黑板结构模型的智能单元控制理论、系统扰动及再调度理论和技术、j 】t 技术、丌放 式体系结构等。 一存储的控制管理理论和技术的研究。主要涉及立体仓库信息镣理理论及技术、 乾隶l l | l b 大学鞭。 学位论文 第一章绪论 运竣设备豹实对调壤等。 一系统运行性能评价的理论研究。主要涉及系统投资评估理论，调度算法评价指 标体系等。 1 4 3 国内研究的具体情况 近几年来上述理论和技术的研究在国际上已成为立体仓库系统研究的主要热点问 题。特别是进入八卡年代鼹期，谗多蓬际会议、期列杂志，如m a n a g e m e n t s c i e n c e ，i n t j p r o d r e s ，o p e r a t i o nr e s e a r c h ，j o fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 等有关立体仓库技术的文 章逐年增如。我国在这方磺的研究工作起步较晚，我国于8 0 年代末9 0 年代初开始夔视、 弓l 进和消化吸收国外的先谶物流系统技术与设备，并在1 9 9 4 年和1 9 9 7 年先后召开了两 届物流技术与装备图际会议，1 9 9 9 年1 0 周又再次锻开物流技术与装各国际会议。国内 一魏自动亿研究实力较强静科研梳构及高校也纷纷投入到立体仓库的开发与研究之中， 在：立体仓库的控制及管理上取得了定进展。如上海铁道大学自动化立库研究所，他们 在鬻内起步较旱，水平连较离，其髑重于难臻辊的研制与开发；出东大学撩铜科学与工 程学院，在立体仓库的优化调度问题上的研究比较深入；还有甘肃理工大学，主要侧重 予女致领域豹专焉立体仓簿静磷究。获发表静文章来看，纛体仓露控澍与镑毽系统正处 于百花齐放、方兴朱艾的研究氛围之中，鼠侧重点备有不同。 1 5 本文研究的方肉 立体仓库的作业效率的提高始终是一个研究的崖点，从硬件到软件的改善，从理论 烈簿法夔撬窭，不弱豹磷究人员毒不同豹舞解。禳攥本天在实际顼瓣吾秀究避程中静俸会， 对立体仓库的作业效率影响最大的不外乎这两个方面： l 。一个设计瀵鳜竣了，算法臻楚豹出入痒调瘦设诗； 2 调度的执行机构堆垛机的运作效率，而堆垛机运作效率的提高就是它的定位 设诗。 切入点 j 一：_ ：= _ 刊译j 砸：葛一曼 、 篱 煳1 1 论文的切入点 弼时这个鼹个方嚣氇怒密不可分豹，黧为潦入库调度瀚实现蕊依靠壹蓬臻秽l 鞠运作来 北京邮i 乜大学硕i 学位论文第一章绪论 贯彻执行的( 图1 1 ) ，本文的设计初衷也基于此。 本文综合国内外对立体仓库的研究状况，结合实际需求，从提高立体仓库的作业效 率角度出发，应用数据库技术，计算机技术，条码识别技术及人工智能工控制的相关理 论，讨论了立体仓库的出入库调度及控制方面定位系统的研究，对于大力发展我国立体 仓库控制的实用技术，提高国产化技术成分，努力赶超世界先进水平，对于发展我国现 代化物流技术有着十分重要的意义。 l i6 “ 北京邮i 乜人学硕 学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 第二章立体仓库作业原理分析 21 立体仓库的结构布局 自动化立体仓库又称为自动存储自动检索系统( a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a l s y s t e m ，a s r s ) ，是物资配送中心的重要环节，它通过仓库管理计算机对存储物资进行 编码、入库、出库、分拣管理，并自动完成物资的存取及输送。自动化立体仓库主要由 立体货架、物资自动存取设备、输送设备、分拣系统以及计算机管理与控制设备组成。 对于存储物资品种多，体积、重量差异大的情况，可选用多形态的物资存储及作业管理 模式。 基于计算机集成控制的多巷道立体仓库平面布置简图如图2 一l 所示。 1 货架2 有轨巷道堆垛机3 上包台 4 a g v 5 出库台6 分拣口 7 入库台 图2 1 多巷道立体仓库平面布置简图 图2 1 中，整个仓库分为入库区、出库区、货物存放区、输送系统和总控室。所 有的货物从总入口入库后力能出库。安装有激光条码识别装置，经过激光扫描确认入库 器材，管理计算机分配入库货位，由输送机将货物送到指定货区的入库台。固定货架区 存符种类型的物资。由存放物料的高层立体货架、货箱( 或托盘) 、存取货物的巷道堆 垛机构成。其中，货架是固定的，货物可以存放在托盘上或货箱内。 北京邮电人学碗f 。学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 出入库台所有的货物从总入口入库后才能出库。安装有激光条码识别装置，经过 激光扫描确认入库器材，管理计算机分配入库货位，由输送机将货物送到指定货区的入 库台。同样，对于出库的货物其信息经激光自动条码识别后货物进入分拣输送系统， 在分拣口处货物自动入箱，不同单位的货物经不同的分拣口分发，包装箱箱满后自动打 印装箱单并发出信号指示。 货物存放区存放各种类型的物资。由存放物料的高层例题货架、货箱( 或托盘) 、 存取货物的巷道堆垛机构成。其中，货架是固定的，货物可以放在托盘上或货箱内。 巷道堆垛机用于固定货架区货物的自动存取。堆垛机控制设计为手动、半自动和 全自动控制3 种。全自动控制是由监控机发送作业命令和地址给堆垛机，而后堆垛机响 应执行。运行中，监控机对堆垛机运行状态实时监控。手动、半自动是由操作员直接在 操作面板上设定作业命令和地址。在实际运行中以全自动控制为主，而手动、半自动控 制则作为维修和调试的辅助手段。 智能运输车( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ，a g v )a g v 是指装备有电磁或光学自动 导引装置，能够沿规定的导引路径形式，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及 各种移载功能的运输小车。入库时，由智能小车负责把入库货物送入指定入库区，出库 时，再负责把货物运送到自动分拣台进行物资分发。 从结构布局图上可以看出，立体库设备布置结构严谨、物流简捷流畅。自动输送系 统将货物包装、仓储与销售融为一体。入出库货盘统一由输送系统在库外进行交接。大 大降低了人为因素的干扰。单一的物流方向，衔接紧凑的各类输送机，确保了货物入、 出库的高节奏。准确、高效、可靠的智能型码垛机器入，堆垛机极大地提高了仓储作业 效率。 2 2 物资管理 出、入库物资作业流程如图2 2 所示。物资管理基本功能叙述如下。 1 ) 作业流程 1 入库作业流程 首次入库将货物放置在入库台上，人工在上位机填写入库单，丌始进行入库作业。 填写的入库单将货物信息传送给计算机监控系统程序，监控系统程序则根据均匀分布、 出库就近以及高号数巷道优先等原则进行入库地址的分配，然后把分配好的地址信息及 “存货”命令下发给相应的堆垛机p l c ，并与相应的堆垛机控制器通信，按顺序下发入 库作业命令，堆垛机进行相应的入库作业。堆垛机完成入库作业后，向上位机监控系统 程序返回作业完成等信息，并等待接收下一个作业命令上位机虢控系统程序把作业完 成等信息返同给数掘库进行入库登帐管理。 第二次( 及以后) 的入库，货物应回到原先存放的货位。 北京邮电人学硕j + 学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 系统设有较完善的系统安全运行的保护措施。如果堆垛机发生故障，上位机监控系 统程序自动发出使堆垛机p l c 停止运行的“s t o p ”命令。并进行相应的故障报警和记录 处理，等候人工处理，且不再向发生故障的巷道分配入库货物。 2 出库作业流程 首先，操作员根据要求将货物信息输入上位机的出库单，并自动传送给监控系统程 序。监控系统程序根据收到的出库单信息，进行库存查询，并按先入先出( f i f o ) 、各 巷道均匀出库和巷道就近出库等原则选择出库的货位地址及相应的堆垛机，形成批出库 命令，并根据当前人出库作业的情况，对出库命令及其他作业命令进行作业的优化调度， 安排各巷道的作业次序，把安排好的作业命令( 列、层、左右排等) 逐条发送给相关的 堆垛机p l c 。堆垛机按监控系统程序的出库命令运行到指定的货位，将货物取出并送到 巷道口的出库台上。推垛机控制器能根据不同的运行距离和高度选择合埋的运行速度， 并具有一系列安全保护和故障处理能力。堆垛机完成一个出库作业后，堆垛机控制器向 上位机监控系统程序返回作业完成信息，等待进行下一个作业。此时，监控系统程序收 到堆垛机的作业完成信息后向数据库管理系统程序返回该货物出库完成信息。数据库管 理系统程序对从监控系统程序收到的完成信息进行货物出库记录，实现了“动态帐本” 动能。 如果堆垛机在作业过程中发生了故障，则堆垛机紧急停车，并向上位机监控系统 程序返回故障及其类别等信息。上位机监控系统程序进行相应的故障报警和记录处理， 根据堆垛机控制器返回的故障信息，自动分停相应巷道的堆垛机，自动或人工进行故障 排除处理。 定购的货物智能小车巷道堆垛机 一+ j 亟二) 夏堕二) 玉妇 a ) 库 牡道堆垛机智能小车分拣装置 递送窖户 臣亟巫 一吒i 巫 卜 巫夏 堕 卜+ b ) 小库 图2 2 出、入库物资作业流程 2 ) 库存管理“库存( i n v e n t o r y ) ”一词的定义是：“以支持生产、维护、操作 和客户服务为目的而存储的各种物料”。对于库存量的制定和控制是物料管理的重要内 容，主要考虑两方而的因素：( 1 ) 尽量减少库存物料，以降低成本，如物料本身的价 值、定货赞、保管费用等：( 2 ) 充分考虑库存短缺造成的损失，如山于物料短缺造成 停工待料的损失、紧急订货的额外开支( 包括加班加点和紧急采购) 、未按期交货造成 笫9 贝 北京郫 毡大学颤 学位论文 第二章赢俸仓瘁俸韭踩理分辑 浆客户索赔、擞澄订襞甚至失去市场等经济攒失。 3 ) 货位编码与贷位管理( 1 ) 货位编码可取为8 维向量。例如熊位代码1 2 0 4 3 5 0 5 ， 其中第一位l 表示仓疼代娼，第二位2 代表仓痒内疼联代码，第三、汹位0 4 表示巷道号( 对应旋转货架的旋转层代码) ，第五、六位3 5 为列号，第七、八位0 5 表示鼷数：( 2 ) 对摩存物资货位分配戤基于模糊决策的方法，综合考虑了会储物资入、 出库频繁程度，物资管理的方便性，以及个剐设备出现故障时对整个仓库工作的影响程 度等因素。 4 ) 入、漱库物汝的调度管理谯批量物资入、粥库时，翻定怒样的作搬顺序叠。能 使各郏分更有效地运作，这娥一个典泌的离散事件调度管理问题，有关这方耐的研究方 法萃瑟成果不少，翔摸襁调度、摊经嘲络方法、遗传算法等。 6 ) 物资的分拣与包装物资出腾时经自动分拣系统分拣出库，该系统设置有多个 妻动分拣凄嚣，霹同辩完残多令蕈佼鼹魏资分发 壬务，在l 壬健时捌菜分拣西哭鸯一个肇 位的货物流出；根据该单位出库物资的多少自动确定包装箱的型号、数量，并且箱满有 声光拯示、羹动打印装籍蕈。 6 ) 清仓斑库对于库存物资要定期进行清仓盘库，为防止出现更多人为的错误，可 采取多毒孛凑患方式。奶j 遴弱方式，也裁是操终卷慰物资擞嚣数潼未知，渍蠢货狻 完毕后输入宾有数量，如果出现误差系统报警显示，并提示樽次清点，若重复几次确认 实际清点数掇无误则系统佟为盘痒锩误数据辕出，最矮作统一处理。 2 3 诗算橇控澍、管遴与整擦调度系绫 爨动化立体仓痒豹核心诗算机警邂、整控谖疫系绫采愿雹辑最为滚嚣载客户援缀 务器结构，w i n d o w sn t s e r v e r 操作繇统。服务器数据库管理系统采用s q ls e r v e r 软件 平台，以便实现数据与信息资源共享。客户枧( 包括仓库管瓒计算机、监控规、成品人 出库计算机嚣) 采用群面灵话、画面丰富的w i n d o w s9 5 9 8 操作系统，管瑷计算机殿 入出鹰计算枫可对服务器数据库s q ls e r v e r 进行访闽，实现熬体网络数据通信。计算机 管理箍控调度系统由网络服务器、管瑷和监控调度客户机、入出库客户机及瓴装码垛客 户机组成。 2 3 1 立体仓库控制系统 立体仓库的自动化控制系统按控制方式可分为集中控制、分离控制和分前i 式控制， 共；p 分匆式按铡跫强跨国际发展豹主溪方蠹。大型立髂仓库逶鬻采翅三级诗算襁分掘式 控制系统，三级控制系统由臀理级计算机( p c ) 、监控级计算机( p c ) 、设备控制级计算 机( 孔c ) 组成。丽嗣翦也有集监控级与管理级予一薅的二级计算极控制系统，朝整个羧 北京邮 u 人学硕l 学位论文第二二章立体仓库作业原理分析 制系统由管理监控级计算机( p c ) 和设备控制级计算机( p l c ) 组成，这样就为上位机与 下位机直接通讯提供了方便，简化了控制过程。整个控制系统使堆垛机按程序指令自动 完成作业任务，同时对库存货物进行自动管理。 2 3 2 管理系统 本文的自动化仓库信息管理系统，它是基于现代计算机信息管理理论与现代生产管 理理论的一种软件产品。对于自动化仓库而言它是独立的，而对干整个企业它又是企业 管理信息系统( m i s ) 的一个子系统。它与m i s 中的库存管理子系统的区别在于：它不 仅对信息流进行管理，同时也对物流进行管理和控制，集信息流与物流于一体。 现代化的立体仓库管理系统结合了目前先进的技术与产品，如条码技术等，使仓库 管理科学化，准确性和可靠性有质的提高。 自动化立体仓库管理系统的主要功能是对仓库所有入出库作业进行最佳分配、登录 和控制，并对数据进行统计、分析。以便决策人对生产实现进行宏观调控，及早发现问 题，采取相应措施，满足生产需求，最大限度地降低库存量及资金的占用，加速资金周 转。 2 3 3 计算机监控调度系统 这里的自动化立体仓库监控调度系统，主要是依据仓库管理计算机下达的作业命 令，经运算与处理后。向堆垛机和输送系统下达各种储运作业、调度命令，并在直观动 态的彩色画面上实时监视命令的执行情况。显示、报告各类故障信息，通过决策与判断， 作出相应的处理。 监控调度系统分两种工作方式： 在线( o nl n q e ) 方式：与管理级联网，自动完成系统监控调度功能，无需人工干 预。 离线( o f fl y n e ) 方式：脱离管理级，作业数据直接由操作者通过监控系统下发， 系统自动进行作业级监视。 2 3 4 计算机管理及监控调度系统的特点 客户机全汉化图形界面( g u i ) 提供了便捷、友好的操作手段，通过直观、形象的 画面，操作者可清晰地观察到整个仓库系统的管理和运行状态。绝大部分功能可通过图 标或工具按钮进行方便、简捷的操作。系统具有良好的开放性，便于客户根据实际使用 要求，对系统功能进行修改和再次开发。 基于计算机控制、管理与监控调度系统的大型立体仓库的功能框矧如下： 北京邮i 乜人学硕卜学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 电子数据处理系统 上培系统 电子数据处理系统 上层系统 - j 增垫薹箕一 氅紫后暂5 汁算机控制于系统( 物辩搬运) 鳖吲鲎荆铬j 骠矧琢却瓣 保管子系统( 高 层货价) 2 4 电气控制系统 表示管理信息或控制信息流 表示物流 图2 - - 3 大型立体仓库的功能框图 堆垛机、输送机、包装线控制系统巷道式堆垛机是实现自动化立体仓库无人作业的 主体，直接关联到整个仓库物料入出库作业的成败。本仓库使用高可靠性、抗电磁干扰 强的编程序控制器( p l c ) 及变频调速器作为控制单元。为了强化系统，本仓库控制系 统还采用如下措施： 模块化结构，分布式控制。其最大优点是简化控制程序，便于操作维护。一旦某控 制单元出现故障，不会导致整个控制系统瘫痪。 所有控制系统包括堆垛机、输送系统、包装线等采用总线联接。堆垛机可以直接访 问输送机特别是入出库台的信息，同样输送机也可以直接访问堆垛机以读取堆垛机的状 态。 当某个模块发生故障时，系统将自动报警提示。维护人员可依照提示在几分钟内更 换备用模块，使系统重新投入运行。 堆垛机可实现全自动手动操作。在全自动工作状态，堆垛机控制系统与监控计算 机山动进行数据、信息交换，实现入出库的自动作业。当网络环境或监控计算机出现故 障时，控制系统可采用于动方式，独立地进行入库作业。 揶i2 “ 北京邮电大学硕：i 学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 采用交流变频及闭环调速满足堆垛机高速运行和平稳入出库操作等不同工作方式。 采取一系列联锁保护措施，可对异常情况进行自动报警或处理，并向监控计算机反 馈处理结果。 监控计算机通过网卡与现场控制系统通信，同时每台堆垛机控制系统是现场控制总 线的一个接点。这样的结构使得通讯速度大大提高，从而提高了整个系统的可靠性。 2 5 作业过程中两个需要改进的方面 从以上的立体仓库作业原理的分析中，我们知道，立体仓库作业的完成是由管理、 监控计算机与电气控制系统的协同工作来实现的。主要是依据仓库管理计算机下达的作 业命令，经运算与处理后。向堆垛机等电器控制系统下达各种储运作业、调度命令，并 由堆垛机根据下达的命令执行批次作业，通过决策与判断，作出相应的处理。 我们从物理角度来看看立体仓库的系统功能图： 在系统功能图中，两大组成部分管理系统、监控系统形成了立体仓库的作业中 一h 臀s ! l t = l 算机承担了货位的分配与管理，出入库调度与管理，库存量调度与管理和自 动分拣与管理的任务，而出入库调度与管理作为立体仓库的作业的关键，是管理系统的 北京邮电人学坝i 学位论文 第二章立体仓库作业原理分析 核心；监控计算机负责接收管理机的任务命令，向堆垛机下达调度命令，并在直观动态 的彩色画面上实时监视命令的执行情况，显示、报告各类故障信息；堆垛机执行调度作 业，选择作业路径，完成调度任务。 由此可见，立体仓库的出入库调度与管理的设计与实现，堆垛机执行调度任务的方 便快捷这两个方面，构成了立体仓库的作业任务能否顺利完成的关键，尽管针对这两个 方面，人们提出了一些解决方案，但一般局限性较大，且随着立体仓库技术的的不断改 进，原有的有关设计理论与方法已不适应现有的现代化的立体仓库，因此必须引进新的 设计理论，设计思路，运用新的技术，新的开发过程方法学，设计出适应现代物流，电 子商务环境下的立体仓库管理与控制系统。 在接下来的两个章节，本文分别从管理与控制角度，对立体仓库的出入库调度设计， 堆垛机的定位实现来进行阐述，从而提高整个立体仓库系统的作业效率。 北京邮i u 人学硕i 等 位论文 第三章立体仓库的入库调度设计 第三章立体仓库的出入库调度设计 在设计与实现自动化立体仓库系统( a s r s ) 管理与控制软件的过程中，为了便于 使用者对仓库的存取操作，通常要求软件系统具有尽可能强的出入库调度功能。但在人 机界面上又要求做到操作方式尽可能简单明了，避免出现过多的存取方式，以使软件的 操作界面统一清晰。为了达到此目的，本文根据实际工作中可能会遇到的各种出入库情 况，在详细分析现有系统操作方式的前提下，提出一种能够描述所有出入库调度操作方 式的状态图及其相应的算法。根据此状态图，不仅能实现现有的单元出入库操作和拣选 出入库操作方式，而且还能够实现各种指定出入库操作方式的内部动态转换机制，允许 货箱( 或托盘) 长时间在货架外面停留，从而使得系统的操作简便灵活，大大提高了巷 道堆垛机的使用效率，使整个自动化立体仓库的使用效率也随之提高，具有明显的经济 效益。 3 1 出入库方式的分类 在自动化立体仓库的出入库操作中，操作人员并 不关心有多少种出入库存取方式，通常只是简单地将 操作分为出库和入库两大类。但在管理和控制软件系 统中则要针对各种具体情况进行分类处理，因而在设 计软件时需要将出库和入库两种方式细分为多种不同 情形的存取方式。 首先，从操作员的观点来看，可以将出库和入库 两类操作各自分为联机操作、脱机操作和直接操作三 种子类型。联机操作是指日常工作中一般的出入库管 理和控制出入库操作，软件系统不仅需要管理所存取 材料的代码、名称、数量等信息，还要根据具体情况 实现向下位控制设备发送控制命令以实现货物的搬运 活动。脱机操作只关心材料信息的出入库登记，而不 向下位机发送任何控制命令。直接操作是指不进行记 帐操作，而只根据操作员所提供的货位及货箱信息对 货架j 二的货位信息进行处理，如果此时处于联机状态， 则还可以向下他机发送控制命令，实行货物材料的移 图3 11 1 j 入库调度信息处坪流秸1 动操作。困此，联机操作实质_ i ：足脱机操作与直接操作的合， ：形式。本文将重点放在联 北京邮i u 火学硕。l 学位论文 第三章立体仓库的j 入库调度设计 机操作的出入库形方式上面。相应于这三种操作方式的信息处理流程框图如图3 1 所 不。 对于出入库操作来说，操作员通常将注意力集中在两个方面：一是以代码为主，二 是以货位( 或货箱) 为单位。因此，在软件系统的菜单上应具有以下4 种出入库方式的 功能：指定代码入库方式指定一种或多种材料代码、数量等信息的入库操作方式， 货位( 或货箱) 由系统根据存储优化策略自动分配，这种方式适用于材料大批量入库， 并且还没有进行具体的装箱操作；指定货位( 或货箱) 入库方式指定某一货位( 或 货箱) ，往其中放入一种或多种代码的材料，这种方式适用于某一指定的货箱已经装入 了某些材料，或将按照装箱单往指定货箱中放人材料：指定代码出库方式指定一 种或多种材料代码、数量等信息的出库操作方式，具体对哪些材料的货箱进行出库操作 是由系统根据指定的出库优化条件( 例如先进先出) 来选择应该出库的货箱，通常会选 出多个货箱同时出库供单元或拣选操作；指定货位( 或货箱) 出库方式指定某一 货位( 或货箱) ，只对该货箱中的各类材料进行出库操作或单元出库。 若再考虑常用的空箱出入库操作和盘库时用的货箱移位操作( 即将某一货位中的货 箱移动故置到另一个货位中) ，那么在软件菜单上就应有7 种常用操作方式可供操作人 员选择。 以上这些操作方式是面向操作人员( 用户) 的。如果从软件系统处理出入库信息的 方式来看，可以将出入库存取方式以货架上货位的占用状态情况来进行分类。可以将操 图3 2 出入库的分类 作方式分成单元出入库和拣选出入库两种类型，并可以再细分成8 种出入库操作方式： 单元出库、单元入库、拣选出库、拣选入库、拣选新出库、拣选新入库、间接拣选入库 和拣选单元出库。如图3 2 所示。 向下位机发送控制的命令具有将货箱从一个位置移动到另一个位置的操作功能。出 库操作是把货箱从货架货位上搬运到出库台，入库操作是货箱从入库台被搬运到货架货 位j ：，而拥：埔：操f l - j j 是货箱从一个货位被搬运到另一个空货位中。 北京邮l 乜大学硕士学位论文 第三章立体仓库的入库调度设计 3 2 出入库操作的分层结构模式 通过以上分析可知，对于软件系统中 不同的管理对象，出入库方式会呈现出不 同的情况，而系统对出入库信息的处理方 式与用户所见的操作方式并不一致。用户 主要是面对材料代码或单个货位( 或货箱) 来处理，而系统则更需要根据仓库货架上 货位的具体情况来进行信息处理，它所面 对的不仅仅是材料信息，还要根据所涉及 货位的当前状态来处理。对于控制软件来 说，它只涉及货箱搬运种操作功能。因 此本文将出入库操作归纳为三个处理层， 如图3 3 所示。 图中第一层是面向用户的各种出入库 操作方式转变为面向