1引言

　　隨著生產技術的增強和生產規模的擴大，企業對密集式倉庫存儲系統的需求也更加急迫。傳統的巷道式堆垛機的解決方案具有自動化程度高的優點，但是其單伸位甚至是雙伸位的貨叉結構不能充分地利用倉儲空間；穿梭板配合叉車的工作模式雖然具有空間利用率高的優點，但是它難以建立合理的信息管理系統，不能實現全自動化作業。

　　由北京機械工業自動化研究所物流中心所承建的穿梭式自動化立體倉庫結合了上兩類傳統立庫的優點，實現了高度自動化和高度的空間利用率。圖1是穿梭式自動化立體倉庫中正在配合作業的堆垛機與穿梭車。

圖 1 穿梭式自動化立體倉庫中正在配合作業的堆垛機與穿梭車

　　穿梭式自動化立體倉庫的設計理念不僅需要滿足用戶的基本使用要求，而且還需要兼顧作業效率和用戶體驗等多方面因素，主要包括以下幾點：

　　高度的空間利用率：密集式倉庫存儲系統是解決“小占地大庫存”的最好的選擇方式。

　　科學的規劃布局：倉庫內各功能區的科學規劃布局，不僅更進一步節約了用地，而且從生產到入庫，再到出庫，最后到裝車，實現了叉車線路最短，人工干預度最小的好結果。

　　高效的自動化作業：通過先進的作業調度算法和全自動化設備實現高效的自動化作業。

　　先進的信息系系統：入庫在生產端，出庫在庫房端，匯總準確信息，提高管理效率，降低管理成本。

　　2總體規劃描述

　　圖2是該倉庫的平面布局圖，主要包括南側入庫口、密集貨架存儲區、北側出庫口、貨物周轉區、裝車平臺、抽檢出庫口和中央控制室等。

圖 2 穿梭式自動化立體倉庫的平面布局圖

　　倉庫的南北兩側均有單排貨架和堆垛機運行的巷道，兩巷道間是密集存儲的主體區域，主體區域采用5層86列23排的貨架排列結構，按照每列（通道）只能放入同一種貨物的存儲原則。貨物的存取任務是通過兩個巷道的單深位對跑堆垛機（共四臺）和六臺穿梭板來完成的，同時通過倉庫管理系統（WMS）和倉庫監控系統（WCS）對倉庫的物流信息進行實時監控、調度和信息流的維護。

　　南側入庫口：它通過入庫周轉區與生產車間直接相連，貨物碼垛完畢后，需要將貨物名稱和數量與托盤信息綁定并上傳至WMS，托盤信息是整個物流系統的信息載體。叉車將入庫貨物放在入庫口的輸送機上，準備入庫。同時，南側出庫口也可以實現產品的先進后出、抽檢、更改包裝、出空托盤等出庫作業功能，并且可以指定具體的出庫站臺。

　　北側出庫口：它通過出庫周轉區與裝車平臺直接相連，物流信息系統根據出庫訂單的要求，并按照指定日期、先進先出等原則自動分配出庫作業，進行整托盤貨物出庫，并可揀選回庫。

　　單排貨架的主要功能：當執行揀選回庫、需要臨時存放的某些特殊貨物的入庫作業時，或是執行隨機抽檢、盤庫等作業時不可避免的需要生成搬庫作業，單排貨架上可以快速存放這幾類作業的貨物。

　　3穿梭式自動化立體倉庫中自動化設備的特點

　　穿梭式自動化立體倉庫物流系統的自動化設備包括堆垛機、穿梭板和出入庫端站臺。倉庫的網絡架構采用集成現場總線PROFIBUS、100/1000M高速以太網混合體系結構，堆垛機和穿梭板的控制系統的網絡采用無線通信，上層管理級網絡采用以太網方式。

　　3.1 巷道式對跑堆垛機

　　堆垛機是倉庫物流系統的基本設備和重要環節，它接收并執行WCS下發的作業任務。倉庫采用南側入庫北側出庫的管理方式，因此，與以往單巷道的堆垛機自身存取貨物的方式不同的是，執行入庫、出庫作業的分別是南北側的不同對跑堆垛機，分工明確的作業思路也將會提升了作業效率。

　　3.2 穿梭板

　　作業方式解析：穿梭板在其專用軌道中沿軌道進行南北方向上的水平運行，配合升降動作可以進行存取貨物的作業。當穿梭板需要更換作業通道時，它將停在貨架端頭處，等待WCS系統調度堆垛機前來搬運；當穿梭車在工作通道執行作業時，它可以執行存貨、取貨、理貨和盤點等作業任務。

　　自動充電功能：由于穿梭式自動化立體倉庫網絡架構的強大性，它能夠解決在穿梭板配合叉車模式的立體庫中，穿梭板不能自動充電的難題。當穿梭板電量低于一定閾值時，它將向WCS申請“請求充電”，WCS根據其作業狀態和實時電量，判斷是否讓穿梭板繼續執行完該通道的出庫作業還是立即充電。這種調度方式可以使穿梭板在低于警戒電量之前仍然執行部分出庫任務，保障了作業效率。

圖 3 穿梭板的自動充電樁

　　3.3 出入庫站臺

　　根據總體布局規劃中的說明，南、北側出入庫站臺在本倉儲物流系統中的功能不盡相同。除上述以外，入庫站臺具有尺寸檢測功能，能夠及時的檢測出生產時碼放歪斜的貨物；它還擁有條碼掃描器，實現了托盤號碼的自動掃描。圖4中左側的鏈式機是出庫站臺，此貨物要退回生產車間更改包裝，右側的鏈式機是入庫站臺，它擁有尺寸檢測裝置和條形碼掃描器。

圖 4 南側出庫和入庫站臺

　　圖5為北側出庫及揀選回庫一體站臺，各出庫站臺擁有一塊獨立的LED顯示屏，它可以準確提示正在出庫的貨物名稱、托盤號和揀選個數等重要信息。

圖 5 北側出庫及揀選回庫一體站臺

　　4信息管理系統

　　4.1 中央控制室

　　中央控制室是庫房管理員進行辦公的地方，也是信息系統設備的放置場所。在系統進行自動化作業時，庫房管理員只需在中央控制室實時監測管理機和監控機，當設備遇到異常時，庫房管理員根據報警類型，選擇遠程監控處置和現場處置。

　　管理機：對倉庫運行參數和數據進行定義、管理和維護，它能有效地控制并跟蹤倉庫物流的全過程，并且具備與ERP、MES等系統的接口模塊，所有重要單據都具有按時間導出打印的功能，實現全面的企業倉儲信息管理。

　　監控機：從WMS、掃描終端、PLC和數據采集設備處接收信息，通過對物流設備進行的動態監測、控制與調度，執行倉儲系統的作業任務。

圖 6 穿梭式自動化立體倉庫的中控室

　　4.2 作業流程

　　入庫作業流程：綁定信息后的貨物在入庫站臺生成入庫請求，WCS根據已知的庫存信息等條件分配最優的入庫通道地址。相應的堆垛機執行入庫作業，將貨物送至該通道的貨架端頭處，而后通道內的穿梭板執行單存作業，將貨物存入指定的貨位中，完成單存作業后，管理系統自動記錄賬目信息并生成歷史入庫作業記錄。至此，完成一條入庫作業。

　　出庫作業流程：庫房管理員通過ERP所建立的單據，自動地在數據庫中的查找出符合要求的貨物及其地址，并生成出庫作業隊列。通道內的穿梭板執行單取作業，將貨物送至該通道的貨架端頭處，完成單取作業。堆垛機執行出庫作業，將貨物出庫至指定出庫站臺，管理系統自動銷除賬目信息并生成歷史出庫記錄。至此，完成一條出庫作業。

　　提高入、出效率的算法：入庫和出庫的調度算法是倉儲物流調度系統中最為核心的兩個環節。比常規立庫復雜的是，該立庫除堆垛機的作業調度之外，還需要調度穿梭板，以及需要解決堆垛機與穿梭板的配合問題。調度算法需要保證它們的作業互不干擾且步調協同一致，動作相對獨立且無縫銜接，注重作業發送的時機和順序，達到高效運轉的作業效果。

　　5能力核算

　　5.1 庫存量核算

　　穿梭式自動化立體倉庫的平面長159.8米，寬33.9米，每層平面貨位數為2150個（86列×25排），貨位寬1.2米。庫房內有四臺堆垛機，兩條巷道，每條寬1.6米，每臺堆垛機的造價是穿梭板的三倍以上。

　　在相同的庫房寬度時，若采用六臺單巷道堆垛機的模式，至多只能容納下20排貨物，因此，庫存量增加了25%以上。若采用六臺單巷道雙深位堆垛機（24排），庫房寬度則需要增至約38.4米，此寬度的穿梭式立庫，每列將能存30排貨物，此時，庫存量同樣增加了25%。通過兩種比較可知，穿梭式立體倉庫不僅節約了成本和建筑使用面積，而且增加了庫存量。

　　5.2 穿梭式立庫的出入庫能力核算

　　該項目的堆垛機和穿梭板的水平運行速度分別為120米/分鐘和60米/分鐘。入庫作業時間和出庫作業時間互為逆過程，每次作業堆垛機和穿梭板進行了提前調度，每條作業的時間也總是由作業時間長的一方所決定的。經實踐測算一個通道中23排貨物，前11排貨物的作業時間由堆垛機所決定，后12排的作業時間由穿梭板所決定，總作業時間約為1943秒，每盤作業時間約為85秒。因此，兩臺堆垛機同時出入庫的作業效率約為84.7盤/小時。

　　值得注意的是：該項目采用的是普通變頻調速的堆垛機和穿梭板，如果想要提高整體作業效率，提高整體的設計速度，則可以選用具有伺服控制系統的堆垛機和穿梭板。

圖 7 穿梭式自動化立體倉庫的使用情況

圖 8 穿梭式自動化立體倉庫中堆垛機巷道及兩側貨架

圖 9 穿梭式自動化立體倉庫中某一通道的使用情況