自动化立体仓库

1、、项目背景1.1自动化立体仓库的定义货架自动化立体仓库简称立体仓库。 一般是指采用几层、十几层乃至几十层 高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓 库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。自动化立体仓 库（AS/RS）是由立体货架、有轨巷道 堆垛机、出入库托 盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算 机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调 节平台、钢结构平台等辅助设备 组成的复杂的自动化系统。运用一流的集 成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备 的协调动作，按

2、照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效 的入库出库作业。1.2白动化立体仓库的优点自动化立体仓库的主要优点有以下几个方面：1. 由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库（一般是单层仓库的4-7倍）。目前，世界上最高的立体仓库可达 40多米， 容量多达30万个货位。2. 仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省人力，减少劳动力 费用的支出，另一方面能大大提高作业效率。3. 采用计算机进行仓储管理，可以方便地做到”先进先出”，并可防止货物自 然老化、变质、生锈，也能避免货物的丢失。4. 货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业

3、 的自动控制，而且能够进行信息处理。5. 能更好地适应黑暗、低温、有蠹等特殊环境的要求。例如，胶片厂把胶片 卷轴存放在自动化立体仓库里，在完全黑暗的条件下，通过计算机控制可以实现 胶片卷轴的自动出入库。6. 采用托盘或货箱存储货物，货物的破损率显著降低。7. 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。1.3白动化立体仓库的发展高层货架仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。 在生产发展的实际需要和科学技术发展的现实可能情况下，五十年代初开始出现 了自动化立体仓库，并在实践中显示出了其优越性，随即得到迅速的推广和发展。 1950年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种

4、起重机的大梁上悬:挂 一个门架（立柱）,利用门架的上下和旋转运动来搬运货物，与此同时也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。1960年左右在美国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机。1963年美国的一个食品厂在仓库工作中采用电子计算机， 成为世界上最早的全自动化仓库。此后，从1963年开始，在欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造2530米的高层自动化仓库.从1967年开始，相继完成了 一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。1970年安装了由货架支承式改变为地面支承式的高度达 40米的堆垛机。70年代还提出了采用50米

5、高堆垛机 的可能性。进入90年代后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展。在日本，从1967年开始安装了高度为2025米的高层堆垛机，1969年出现 了联机全自动化仓库。此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突飞猛 进的发展，在各个部门都安装了各种各样的堆垛机。特别是 1973年建成了一座 贮藏生鲜食品的自动化冷藏库。这是世界上第一座温度在零下40摄氏度的极低温仓库，解决了低温条件下堆垛机工作的可靠性和技术方面的问题，取得了引人注目的成果。日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅。美国学者J.A.Whlte将自动化技术在仓储领域（包括立体仓库）中的发展分 为五个阶段：人工仓

6、储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段集成化仓储阶段 和智能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的若十年 内，将是仓库自动化技术的主要发展方向。第一阶段是人工仓储技术阶段，在这一阶段，物资的输送、存储、管理和控 制主要依靠人工实现，至今国内外生产和服务行业中的许多环节都是这一技术的 实例，它具有直观、便于联系、减少了过程衔接之间问题等优点。第二阶段是机械化仓储技术阶段，它包括通过各种各样的传送带、工业输送 车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运物料，用货架、托盘和可移动 式货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关、螺旋机械制动和机 械监视器等控制设备的运行。这

7、一阶段经历的时间比较长。第三阶段是自动化仓储技术阶段，五十年代末和六十年代，相继研制和采用 了自动导引小车（AGV）、自动货架、自动识别和自动分拣系统。七十年代和八十 年代，旋转式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控 制的行列，但这时只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为”自动化孤岛”。随着计算机技术的发展，工作的重点转向物资的控制和管理要求实时、 协调和一体化，信息自动化技术逐渐成为仓储自动化技术的核心。计算机之间， 数据采集点之间，机械设备的控制器之间以及它们与计算机之间的通信可以及时 地汇总信息，仓库计算机及时地记录到货和出货时间， 显示库存量，管理人员随

8、时掌握货物信息和库存信息.信息技术的应用己成为仓储技术的重要支杜。第四阶段是集成自动化阶段，在七十年代末和八十年代，自动化技术被越来 越多地应用到生产和分配领域，”自动化孤岛”被集成，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。第五阶段是智能自动化仓储技术阶段，人工智能技术的发展推动了自动化向更高 级的阶段一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更广阔的前景。1.4国内外白动化立体仓库的发展现状我国自动化立体仓库各主要设备的技术现状大致如下 :1.高层货架及托盘、货箱高层货架是自

9、动化立体仓库的主体结构部分。一般是钢结构采用焊接或组装而成。每排货架分若十列、层单元货格，每货格中一般存放1- 3个托盘（货 箱）。目前国内制造的高层货架一般在 20米以下，以10 15米居多。货架所 用型钢，焊接式货架多采用热轧型钢。组装式货架多采用薄型冷轧型钢。焊接式 结构牢固、耐用，但笨重。组装式外形美观，拆装性能好，运输方便。因冷轧薄 壁钢截面力学性能好，因此重量轻省钢材，降低成本，潜力很大。如接插部件设 十分合理亦很牢固.是高层货架的发展方向。货架结构型式设计一般是当托盘（货 箱对泛寸较大时采用牛腿式结构， 每货格存放一个托盘（货箱）。托盘尺寸较小时 采用横梁式结构。每货格可存放1-

10、3个托盘（货箱）单元。目前横梁式货架结构的 使用用户多于牛腿式.并有进一步增加趋势。托盘（货箱）目前使用较多的是钢结 构或钢木结构，但随着轻型塑料工业和注塑技术的发展.塑料托盘（货箱）以其美观、耐腐蚀、重量轻等优点，在较小尺寸及重量的托盘（货箱）中将占重要地位。2 .堆垛起重机堆垛机是自动化立体仓库中存、 取货物作业的主要执行设备。它在货架的 巷道中可承载货物水平运行、升降、左右伸义，完成入库、出库、倒库等各种作 业功能。为使堆垛机认址准确。水平、垂直、伸义运动均设置正常运行速度和慢 速两种以上速度（或用变频无级调速）.以减少停车时冲击.并能准确到位，达到水 平运行士 lOmm垂直升降士 lO

11、mm左右伸义士 5mm勺停准精度要求。堆垛机设 置货位和载货台虚实检测装置，防止由于控制（或管理）失误，在货位已被占用的 情况下重复入库造成事故。堆垛机设置原位及停准指示.如因惯性或其它原因未 停准，堆垛机将按照PC;程序控制自动“纠偏。此外，堆垛机还设置运行、起 止的终端限速、限位开关，并在最终端设机械车挡.防止堆垛机各机构运行超过 极限位置。为确保带司机室的堆垛机司机和货物的安全，载货台设断绳保护装置 或限速防坠装置。堆垛机电器系统还设有常规的电器互锁， 失压保护、零位保护、 过载保护等功能目前堆垛机各机构运行速度为：水平运行80m/min:升降 10-16m/min:货义 8-15m/m

12、in。3. 人出库分配系统在自动控制的立体仓库中。入、出库分配系统按照计算机指令将入库货物 分配至某一巷道口，再由该巷道堆垛机按照指令送到指定的排、列、层货位。出 库时按照相反方向输出。在货物的入口处可设置称重装置。 超高、超宽尺寸检测 装置使进入库区的货物不会出现超载超重或超尺寸引发事故。目前输送货物大多根据货物、托盘或货箱的结构、重量确定用辗式或链式 输送机。输送货物的交义路口处往往使用升降机解决高差问题。另外，应设一个输送通道，使重量、尺寸不合格的货物(托盘)输送到指定点整理后再进入库区。 也可用于拣选入、出库时(散件入、出库)，将单元货物送入该处，拣选后返回。 当入、出库频率要求不高时

13、，可考虑几个巷道共用一台堆垛机。 此时应配备转轨 车或其它转轨设备。以便使堆垛机转入另一巷道。4. 自控系统库区全部可运行设备，如堆垛机、输送机、升降机、分配车、转轨车等， 以及这些设备的运行保障系统，均应由计算机统一程序控制。控制系统有对机、 电及其它故障的报警及诊断显示功能。并对某些报警可自行处理。各设备运行实 现自动衔接，动作可靠。一般选用高质量的可编程控制器(PC)o为确保各机构运 行平稳可靠、认址准确，亦应选用高质量的变频器、光电元件及其它优质控制元 件。5. 计算机管理系统计算机管理系统应能对全部货位和全部库存货物完成以下主要管理功能：(1) 按照要求实现货物的先进先出、某巷道优先

14、、均匀分布等管理功能，进 行入、出库货位管理；(2) 按照货位和货物品种盘库、查询；(3) 打印各种统计报表；(4) 库存情况分析；(5) 修改数据文件各项内容。管理机可选用486,586各档微机，能与下级监控、控制机实现联机通信。 通信方式可采用电缆或封闭型安全滑线，最好采用红外线信号传输系统。安装简 便，传输可靠寿命长。根据需要可在库区显要位置和机房内设置设备运行和作业目标的数字、文字或图形模拟显示装置以便监控全部作业过程。综上所述我国立体仓库行业已形成一定规模和开发能力日前立库市场的主流是：单机自动控制、变频调速运行机构（因水平运行和货乂伸缩不能同时动作。可使用同一变频器）、封闭滑触线供

15、电、载重量 600公斤以下，高度10-15 米的堆垛机.配以冷轧薄壁型钢组合式货架，入、出库输送机或手推车。可配备 一个管理机负责库房账目管理的立体仓库。但与发达国家相比还有很大差距。1.5白动化立体仓库的发展趋势立体仓库的出现与发展，是与工业、科技发展相适应的。现代化大生产，越来越促 使工业生产社会化、专业化、集中化。生产的高度机械化，自动化必然要求物资的 供应分发及时、迅速、准确。这就促使立体仓库技术得到迅速的发展，并已成为工 厂设计中高科技的一个象征。立体仓库的分类按高度划分：低层（货架高度5M以下）/中层（货架高度 512M） /高层（货架高度12M以上）；按规模划分：小型（库容量20

16、00个托盘以下）/中型（库容量 20005000个托盘）/大型（库容量 5000个托盘以上）；按形式划分：自动化有轨仓库/无轨仓库（窄通道三向堆垛叉车）。自动化有轨仓库近几年来，自动化搬运的概念已出现了很久，但自动化搬运实施的时间并不长。自动化搬运开始实施时主要用在纸箱的拣选上，目前自动化搬运已经转向高层仓库自动化存取系统（ASRS 。自动化的优势在于：它将资金投资于自动化设备，而不是将资金用来作为机械化搬运系统的人工费用投资。除了减少直接的人员数量以外，自动化系统还提高了操作的速度和准确性。自动化的缺点是：投资大，开发和应用复杂。根据国际自动化仓库会议（International Confe

17、rence on Automatic Warehousing） 的定义，所谓自动化仓 库就是采用高层货架存放货物，以巷道堆垛起重机为主、并结合入出库周边设备来 进行作业的一种仓库。其基本系统有四个组成部分：储存货架、存取设备、输入输出设备、控制系统。自动化仓库的形式有整体式仓库(Building tyue:Building in rack supported) 和分离式仓库(Unit type:Building is freestanding front rack structure) 两个基本类型。自动化仓库起始于 12米以上的高层货架仓库，这种仓库的货架结构不但用于存放货物，同时又是仓库基

18、筑的柱子和仓库侧壁的支撑，即仓库建筑与货架结构成为一个不可分开的整体，顾称整体式仓库。整体式仓库具有技术水平高、投资大和建设周 期长等问题，适用于大型企业和流通中心。相反，货架结构自成一个单元与建筑无 关的仓库，则称分离式仓库。分离式仓库与整体式仓库比较有下述优点：(1) 因与建筑无关，所以利用车间内部一隅就可建设与生产工艺密切连接的仓库，也可把现有建筑改造成为仓库；(2) 当现有建筑地面耐压为3吨/平方米、不平度为3050毫米时，地面无需处理即可建设分离式仓库。而整体式仓库地基和地面的处理较为复杂，费用约占总费用的 5-15%;(3) 建设周期短，整体式仓库的建设周期一般需1.52年，但分离

19、式仓库的建设周期则较短；(4) 分离式仓库的货架、巷道式堆垛起重机和自动化控制等机械设备易标准化、 系列化，可实现批量化生产，达到价廉的效果。由于上述原因，国外小型分离式仓库的发展速度要比大型整体式仓库更为迅速， 约占总量的80%而大型整体式仓库随着科学技术和生产力的发展，仓库技术有进 一步向系统化、自动化、无人化方向发展，仓库管理向计算机化、网络化发展的趋 势，不但追求仓库的经济效益，而且希望为进一步提高企业的综合经济效益作出重 要贡献。例如：年销售量大 200万台、多种型号的丰田汽车公司为了在减少库存、减少积压资金的同时，及时向世界各用户供应配件以提高服务质量。加强竞争建造了库存容量是13

20、570个货位、库存品种 3000余种、仓库高为 22米的自动化仓库。该仓库采用FACOM270-30计算机进行仓库的在线控制和帐目管理，并通过通信网络直接 与总公司的 旧M360-50大型计算机连接，因此它不但提高了仓库的经济效益，而且 由于总公司具备了正确掌握库存量，及时地部署生产，正确、迅速地调整接受订货 的交货期，及时地对迟误的交货进行督促；快速地向生产部门指出急需安排的产品 等条件，从而使库存、生产、销售、服务等成为一个有机的整体，大大提高了企业 的经营效果和经济效益。高层仓库的设施是钢制的，可达40米高。典型的高层仓库设施是由一排排储存架组成，每排储存架被30-200米的通道隔开，主

21、要的存取作业都在这些通道里完成。存取机在通道里来回行走，把商品搬运到储存架上或搬离储 存架。仓库中有许多存取机可供使用。为了达到水平移动和垂直升降所需的一定的稳定性，多数存取机自始至终都需要引导，存取机水平移动的速度可达90-120米/分,升降速度可达30米/分或更高。存取机的第一个作用是快速到达指定的储存位置， 第二个作用是存取商品。多数情况小，存取商品都是由穿梭运输的放料盘(shuttle tables )完成的。当前，大量的转运规划和布局安排已得到发展。转运 车有专用的和非专用的两种：专用的转运车总是配备在通道的一端；非专用的转运 车在几个通道中作业，按计划提取货物，这种转运车设备可达到

22、最大利用率。关于 是否要在高层仓库系统的通道之间转运，要视生产率和整个系统的通道数量而定。 高层仓库的输入、输出系统与将货物移入移出货架区有关。这里要涉及两种移动：第一种是货物从收货区(或商品线)运到储存区；第二 种是在货架最接近的外围区域内，货物的进出移动安置。这里最大的潜在的搬运问 题出在外围区。为了充分利用存取设备，一般要使分拣和卸货站为每个通道提供足 够的货物供应。为了实现高绩效的输入、输出工作，对于同一个通道要设置几个不 同的站点以完成货物的输入和输出工作。分拣和卸货站与搬运系统连接在一起，搬 运系统可将商品转运到储存区或运出储存区。高层仓库的控制系统与自动化拣选系 统是相似的。在高

23、层仓库系统中，为了充分利用设备以及达到快速系统循环的目的，编程要求和控制方法十分复杂。近期，由于微处理器的速度提高且成本下降，ASRS已经大量使用计算机。高层仓库系统如图所示，该中心的大型ASRS包括一个高达30余米的仓库。商品自动堆 垛形成一个单位荷载，然后单位荷载由电力输送机将其运送到相应的分选站，最后 由存取设备把货物放置到计划储存位置上。除了对货物到达和定位以外，控制系统 还搬运用于盘存和周转的存货，命令控制系统可以指导货物的提取。电力和重力输 送机将单位载荷从输出站运送到相应的出运区。在提取和输出货物工作正在所需的文件工作也正在完成。目前国内的自动化立体仓库主要应用于烟草、汽车及机械

24、行 业。无轨高架仓库（窄通道三向堆垛叉车）无轨高架立体仓库在制药、家电、机械/汽车零配件仓库和超市配送中心的应用 最为广泛，并具有以下优点：1 ）大幅度增加储存密度，提高仓容利用率，以降低成本。立体高架库与中低位 存取模式相比，通过以下方法增加库容：a采用高垛的方法，增加存储的高度以海尔国际物流中心库中采用的无轨三向堆垛叉车为例，其提升高度为12890mm在单层货架高度 1400mm的情况下，货架层数布置高达10层；若采用平衡重式叉车低位堆垛的传统存储模式，由于提升能力的限制，一般而言其堆垛层高仅为3层。由此可见，高架库模式较之中低位货架方案，其空间利用率提高 34倍。b缩小库内通道宽度以增加

25、存储有限面积。由于无轨堆垛机具有三向堆垛作业特性，无需作 90度直角堆垛，其通道宽度仅为1750mm （货架间距1950mm）,远低于传统的平衡重式叉车 （以1.5吨电瓶车为例，通道宽度2950mm货架间距3150mn） c 单位托盘平均投影占地面积降低38% （尚未考虑层高因素）。2 ）作业效率极大提高由于高架仓库的地面及空间的利用率得到极大地提高，因此在满足客户一定货物周转量的前提下，采用无轨窄通道堆垛机方案使得库区面积及库内通道数量均大大减少，其直接结果是使得叉车的单位循环中的行驶距离缩短， 从而使得作业效率明显高于传统叉车3 ）作业安全性得到进一步的提高，由于在高架库中使用的K15采用

26、高位驾驶操作方式，无论任何高度操作者均能极好的地控制货物的存取作业，与传统的低位驾驶平衡重式叉车相比较，货物及操作人员相可减少货物的存储损耗。4 ）具有捡选功能并方便货物检视和盘点高位驾驶窄通道叉车还具有拣选作业功能，是传统叉车不具备的，对于零配件管理及货物的检视盘点非常重要，并为将来 作业方式的变化具有极大的灵活性。5 ）良好的可靠性、扩展性及经济性与无轨 ASRS自动控制仓库相比较，无轨VNA 叉车具有较高的可靠性，工程的总体投资较小，且可根据企业生产规模的发展具有良好的可扩展性，如上海Glaxo制药成品库的 VNA立体仓库的建设就分阶段进行。VNA 无轨立体仓库主要由货架、无轨高架堆垛机

27、、物料搬运辅助设备和必要的信息处理系统构成。VNA叉车提升能力为1.01.5吨，最大堆垛高度可达 1,根据用户不同的作业要求，有低位驾驶和高位拣选两种不同的形式供选。VNA车主要在高层货架区域内作业，作业通道内安装有导轨，单台VNA可负责多个巷道，巷道转换灵活机动，叉车具有巷道自动确认功能，及定位系统。货架区至进出货暂存区的 喂料工作一般由少量普通叉车来实现。为了提高仓库作业的自动化管理水平，越来越多的现代化立体仓库普遍运用了信息引导系统，这一系统的仓库布置和设计，与使用机械化操作的设施是一样的，不同之处在于所有的叉车移动由计算机指导和监控。在作业时，所有的搬运移动都被输入计算机，由计算机来分

28、析搬运需求和安排设备，这样可以确保有效的移动和减少空载移动。叉车移动由安装在叉车上的终端来安排，计算机与叉车之间的通信则利用射频（RD波来完成，叉车上的天线和仓库高处的天线可以接受和发射射频。信息引导搬运系统具有明显的优势，因为该系统在不需大量投资的情况下，可获得 自动化分选的益处，并提高生产率。1.6研究意义1. 社会意义立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，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， 高效率地利用仓储空间，节约时间和人力 进行各种作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、 电器制造业、航空港、轻工和化工企业、冏储业、军需部门等各行

29、各业。其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点， 在 物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好 的应用。从制造工厂、商场、机场，到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体 仓库的身影，特别是随着人们生活水平的提高，自我国的机动车数量日益猛增， 传统的停车场已经不能满足人们的需求， 于是人们将立体仓库这一理念和技术应 用于停车库，很多城市都相继出现了立体停车库，使停车难的问题逐渐得以缓解， 所以为了更好的合理利用资源、 保证产需均衡、提高物流效率，我们对于自动化 立体仓库的研究迫

30、在眉睫。2. 科技意义近些年我国自动化仓库技术发展很快， 尽管如此，至今在我国已建成的集成 化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比， 无论是从数量 上还是从建设水平上都有着比较大的差距， 究其原因，自动化程度不够是一个很 大的缺陷。对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统中采用PLC控制器，因为PLC功能强大，可靠性高，抗十扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化， 可以完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过PLC控制的立体仓库克 服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，乂照顾到现场电气操作维修人员 的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识， 而 是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调