第13-14次課-Chap6--自動化立體倉庫第一頁，共77頁。1.1基本概念倉庫(warehouse)是保管、儲存物品的建筑物和場所的總稱。自動化倉庫（automaticwarehouse）是由電子計算機進行管理和控制的，不需要人工搬運而實現收發作業的倉庫。立體倉庫（stereoscopicwarehouse）是指采用高層貨架配以貨箱或托盤儲存貨物，用巷道堆垛起重機及其它機械進行作業的倉庫。自動化立體倉庫是自動化倉庫與立體倉庫的有機結合，實現倉儲過程自動化的自動倉儲系統。1自動化立體倉庫概述第二頁，共77頁。1.1基本概念自動化立體倉庫：又稱自動存儲取貨系統automatedstorage&retrievalsystem(AS/RS)借助機械設施與計算機管理控制系統實現存入和取出物料的系統。（—2007國家標準）高層貨架，巷道堆垛機、自動分揀系統、出入庫自動輸送系統、周邊設施設備等控制系統+上位管理系統第三頁，共77頁。1.2自動化立體倉庫的發展狀況1.2.1國外發展情況美國于1959年開發了世界上第一座自動化立體倉庫，并在1963年率先使用計算機進行自動化立體倉庫的控制管理。70后代以來，發達國家大力推廣商品物流自動化、高速化、信息化，在各大城市紛紛建立了大型自動化立體倉庫。進入80年代，自動化立體倉庫在世界各國發展迅速，使用范圍幾乎涉及所有行業。先進的技術手段在自動化倉庫中得以應用：實現了信息自動采集、物品自動分揀、自動輸送、自動存取，庫存控制實現了智能化，自動導引車得到廣泛應用，大大提高了倉儲作業效率。一座大型自動化立體倉庫每小時可完成500-800次出入庫作業。第四頁，共77頁。1.2.2我國自動化立體倉庫的發展概況相對國外發達國家而言，我國的自動化倉庫的發展起步較晚，自1974年在鄭州紡織機械廠建成我國第一座自動化立體倉庫以來，我國自動化倉庫領域的發展速度比較緩慢。到目前為止，我國已經建成自動化倉庫有600座以上。我國的自動化倉庫大部分是簡易的中低層小型分離式倉庫。貨架只有單元貨架和重力貨架兩種。作業方式幾乎都是巷道堆垛機配以小車、叉車或輸送機等周邊設備。這些倉庫主要分布在機械制造業，乳制品業、煙草業、電器業、醫藥業。第五頁，共77頁。1.2.3自動倉庫的發展過程按自動化的程度分為五個階段:人工倉儲階段、機械化倉儲階段、自動化倉儲階段、集成自動化倉儲階段和智能自動化倉儲階段。1)

人工倉儲階段在這一階段，倉儲過程各環節的作業（包括物品的輸送、存儲、管理和控制等）主要靠人工來完成。這一階段的優點是可以面對面地接觸倉儲全過程，初期的設施設備投資少。第六頁，共77頁。2)機械化倉儲階段這一階段的作業特點是作業人員通過操縱機械設備來實現物品的裝卸搬運和儲存等作業活動。如通過傳送帶、工業搬運車輛、堆垛機等來移動和搬運物料，采用各種貨架、托盤等來存儲物料。機械化程度的提高大大提高了勞動生產率，提高了裝卸搬運的工作質量，改善了作業人員的勞動條件，且由于采用了貨架來儲存貨物，避免了貨品之間的相互擠壓，改善了貨品的儲存保管條件，另外，使儲存空間向立體方向發展，大大提高了存儲空間的利用率。這一階段倉儲機械設備需要投入大量的資金，且必須投入一定的費用來科學地管理和維護這些機械設備，以保證設備的合理使用。第七頁，共77頁。3)自動化倉儲階段50年代末和60年代，相繼研制和采用了自動導引小車（AGV）、自動貨架、自動存取機器人、自動識別和自動分揀等系統。70年代和80年代，旋轉體式貨架、移動式貨架、巷道式堆垛機和其它搬運設備都加入了自動控制的行列。但這時只是各個設備的局部自動化，各自獨立應用，被稱為“自動化孤島”。第八頁，共77頁。3)自動化倉儲階段隨著計算機技術的發展，工作重點轉向物資的控制和管理，要求計算機之間、數據采集點之間、機械設備的控制器之間以及它們與主計算機之間的通信，及時地匯總、共享信息，實現實時、協調和一體化：倉庫計算機及時地記錄訂貨和到貨時間，顯示庫存量；計劃人員可以方便地作出供貨決策，他們知道正在生產什么、訂什么貨、什么時間發什么貨；管理人員隨時掌握貨源及需求。信息技術的集成與綜合應用已成為倉儲技術的重要支柱。第九頁，共77頁。4)集成自動化倉儲階段將倉儲過程各環節的作業系統集成為一個有機結合的綜合系統，稱為倉儲管理系統（WMS），在倉儲管理系統的統一控制指揮下，各子系統密切配合，有機協作，使整個倉儲系統的總體效益大大超過了各子系統獨立工作的效益總和。在這一階段，貨品的倉儲過程幾乎可以不需要人的參與，完全實現倉儲的自動化。第十頁，共77頁。5)智能自動化倉儲階段人工智能技術的發展推動了自動化倉儲技術向智能化方向發展。在這一階段，系統可以完全自動的運行，并根據實際運行情況，自動地向人們提供許多有價值的參考信息：如對市場前景作出科學的預測；根據貨品的需求情況對倉儲資源的有效利用提出合理化的建議；對系統運行的效果提供科學的評價；根據多個客戶的地理位置，提供最優化的運輸路線等?？傊?，目前智能化倉儲技術階段還處于初級發展階段，在這一技術領域還有大量的工作需要人們去做，具有廣闊的發展空間。知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人RFID、物聯網技術第十一頁，共77頁。1.3自動化立體倉庫的特點1.3.1優點1)大大提高了倉庫的單位面積利用率；2)提高了勞動生產率，降低了勞動強度;3)減少了貨物處理和信息處理過程的差錯;4)合理有效地進行庫存控制;5)能較好地滿足特殊倉儲環境的需要;6)提高了作業質量，保證貨品在整個倉儲過程的安全運行;7)便于實現系統的整體優化.第十二頁，共77頁。1.3.2實施難點1)結構復雜，配套設備多，需要的基建和設備投資很大；2)貨架安裝精度要求高，施工比較困難，而且施工周期長；3)由于不同類型的貨架僅適合于不同的儲存物品，儲存貨品的品種受到一定的限制，因此，自動化倉庫一旦建成，系統的更新改造比較困難。第十三頁，共77頁。1.4自動化倉庫的適用條件1)貨品的出入庫頻率較大，且貨物流動比較穩定2)需要有較大的資金投入3)需要配備一支高素質的專業技術隊伍4)對貨品包裝要求嚴格5)倉庫的建筑地面應有足夠的承載能力第十四頁，共77頁。1.5自動化倉庫一般功能1)收貨載貨車輛站臺、站臺收發設施（升降橋）、稱重計量設備等2)存貨

輸送設施、移載小車、載貨平臺、堆垛機、高層貨架（由管理控制系統協調系統）3)取貨堆垛機、輸送設施、載貨平臺、移載小車、分揀設施4)發貨包裝設施、叉車、站臺收發設施（升降橋）、稱重計量設備等5)信息查詢庫存信息、貨位信息、作業信息等第十五頁，共77頁。第十六頁，共77頁。第十七頁，共77頁。1.6自動化立體倉庫的類型1.6.1按照高層貨架與建筑物之間的關系1）整體式

貨架除了儲存貨物以外，還作為庫房建筑物的支撐結構，是庫房建筑的一個組成部分，即貨架與建筑物形成一個整體。這種形式的倉庫建筑費用低，抗震等級高，尤其適用于15米以上的大型自動倉庫。2）分離式貨架與建筑物相互獨立。適用于車間倉庫、舊庫技術改造和中小型自動倉庫。第十八頁，共77頁。第十九頁，共77頁。1)單元貨格式自動化倉庫這種類型在立體倉庫中應用最為廣泛，其結構特點是貨架沿倉庫寬度分為若干排，每兩排貨架為一組，各組貨架之間留有堆垛機進行存取作業需要的巷道；沿倉庫長度方向分為許多列；沿高度方向分為若干層，因而整個貨架形成了儲存貨物的大量貨格，貨格的開口面向巷道。

1.6.2按貨架的結構形式第二十頁，共77頁。立體貨架斷面示意圖第二十一頁，共77頁。1.6.2按貨架的結構形式1)單元貨格式自動化倉庫單元貨格式自動化倉庫結構示意圖第二十二頁，共77頁。貫通式貨架是在單元格式貨架的基礎上發展起來的，它是為了提高倉庫的面積利用率，將貨架合并在一起，使同一層、同一列的貨物相互貫通，形成能依次存放多個貨物單元的通道。根據貨物單元在通道內移動方式的不同，貫通式貨架又可進一步分為重力式貨架和梭式小車式貨架兩種類型。2)貫通式自動化立體倉庫(重力式/梭式小車式)第二十三頁，共77頁。重力貨架式自動倉庫，存貨通道具有一定的坡度。裝入通道的貨物單元能夠在自重作用下，自動地從入庫端向出庫端移動，當貨物到達通道的出庫端或者碰上已有的貨物單元時停住。當位于通道出庫端的第一個貨物單元被取走之后，位于它后面的各個貨物單元便在重力的作用下依次向出庫端移動。由于在重力式貨架中，每個單位存貨通道只能存放同一種貨物，所以這種類型的倉庫適用于品種較少而數量較多的貨物存儲。2)貫通式自動化立體倉庫(重力式/梭式小車式)第二十四頁，共77頁。梭式小車式貨架，它是在重力貨架的基礎上發展起來的另一種結構形式。它由梭式小車在存貨通道內往返穿梭，進行貨物的搬運。需要入庫的貨物送到存貨通道的入庫端，然后，由位于這個通道內的梭式小車將貨物運送到出庫端或者依次排在已有貨物單元的后面。出庫時，由出庫起重機從存貨通道的出庫端叉取貨物。梭式小車則不停地按順序將貨物一一搬運到出庫端，梭式小車也可以從一通道移動另一通道進行工作。2)貫通式自動化立體倉庫(重力式/梭式小車式)第二十五頁，共77頁。2)貫通式自動化立體倉庫(重力式/梭式小車式)重力貨架式自動倉庫結構組成示意圖第二十六頁，共77頁。梭式小車式貨架結構示意圖第二十七頁，共77頁。3)移動貨架式自動化倉庫第二十八頁，共77頁。4)旋轉式自動化立體倉庫水平旋轉式貨架倉庫結構示意圖貨架可以在水平面內沿環線來回運行第二十九頁，共77頁。2自動化立體倉庫的總體構成土建工程及輔助設施自動輸送系統自動存取系統自動分揀系統自動監控系統倉儲管理信息系統自動化立體倉庫自動化立體倉庫主要由土建工程輔助設施系統、機械系統和控制管理系統三部分組成，其中機械部分包括貨物儲存系統、貨物存取和傳送系統第三十頁，共77頁。1）貨物傳送和存取系統。貨物傳送和存取系統由有軌或無軌堆垛機、出入庫輸送機、裝卸機械組成。2）貨物儲存系統。貨物儲存系統由立體貨架的貨格（托盤或貨箱）組成。貨架的結構形式可分為分離式、整體式和柜式三種，按其高度分為高層貨架（12m以上）、中層貨架（5~12m）、低層貨架（5m以下），貨架按排、列、層組合成立體倉庫儲存系統。3）控制和管理系統?？刂婆c管理系統是自動化立體倉庫充分發揮其優越性的關鍵。2自動化立體倉庫的總體構成第三十一頁，共77頁。2.1自動輸送系統垂直升降機被輸送的貨品自動輸送線垂直升降輸送機第三十二頁，共77頁。螺旋滑槽式垂直輸送機第三十三頁，共77頁。自動導引車系統自動導引車（簡稱AGV：ＡutomaticＧuidedＶehicle）是指能夠自動行駛到指定地點的無軌搬運車輛。多個AGV在控制系統的統一指揮下，分別按照系統規劃的路徑行駛，從而完成貨物的自動輸送任務，這樣就構成了一個自動導引車系統(簡稱AGVS:AutomaticGuidedVehicleSystem)。第三十四頁，共77頁。2.2貨架自動存取系統單元貨格式自動化倉庫結構示意圖貨架與輸送系統的連接第三十五頁，共77頁。2.3自動分揀系統主輸送線分流輸送線氣缸側推式分類機構第三十六頁，共77頁。主輸送線分流輸送線旋轉擋臂式分類機構第三十七頁，共77頁。輪子浮動式分類機構第三十八頁，共77頁。自動分揀系統的組成1)控制裝置作用：識別、接收和處理分揀信號2)分類執行裝置作用：執行控制系統發來的分揀指令，使貨品進入相應的分揀通道。3)輸送裝置作用：將已分揀好的商品輸送到相應的分揀道口，以便進行后續作業。4)分揀道口將商品脫離輸送裝置并進入相應集貨區域的通道。第三十九頁，共77頁。2.4自動控制系統自動控制系統是自動化立體倉庫能否正常運行的核心系統。為了實現整個系統的高效運轉，自動化倉庫內所用的各種存取設備和輸送設備等都需要配備相應的控制裝置，用于接受各種控制指令，實現各自的控制功能。控制系統的兩種類型：2.4.1集中控制系統在自動化立體倉庫內使用一臺控制器對所有的自動化機械和設備實行統一控制的系統。I/O接口豐富的單片機第四十頁，共77頁。集中控制系統結構示意圖第四十一頁，共77頁。2.4.2分層分布式控制系統三級控制系統是由管理級計算機系統、中央控制級計算機系統和直接控制器組成的一個整體聯網系統,進行聯網控制。1)管理級計算機系統管理級計算機可對整個倉庫的所有作業和設備進行在線及離線管理，它是整個自動化立體倉庫的管理核心，其主要功能是儲位管理和庫存動態管理，并具有實時輸入、打印和顯示功能以及各種查詢功能。管理級中央控制級直接控制級第四十二頁，共77頁。2)中央控制級計算機系統是整個自動化立體倉庫實現自動控制的中心，控制和監視整個自動化立體倉庫的作業設施。①接收并執行上位管理系統的指令；②監視現場設備及各項業務的運行情況；③完成與管理級計算機系統、各種自動化設備（如堆垛機、輸送機、分揀機等）之間的通訊；④對設備進行故障檢測及處理。第四十三頁，共77頁。3)直接控制器直接控制器由ＰＬＣ(可編程序控制器)對各設備進行單機自動控制,直接控制堆垛機或輸送機等設備的狀態，完成單機的自動控制以及與中控級的通訊聯系功能。第四十四頁，共77頁。分布式控制系統組成結構示意圖管理級中央控制級PLC第四十五頁，共77頁。自動化倉庫入庫作業示意圖第四十六頁，共77頁。自動化倉庫出庫作業示意圖第四十七頁，共77頁。1．需求分析。在這一階段里要提出問題，確定設計目標，并確定設計標準。2．確定貨物單元形式及規格。根據調查和統計結果列出所有可能的貨物單元形式和規格，并進行合理的選擇。3．作業方式及機械設備選擇。一般多采用單元貨格式倉庫。也可以采用重力式貨架倉庫或者其它形式的貫通式倉庫。決定是否需要揀選作業起重設備、輸送設備3AS/RS的設計規程3.1

工況分析和方案選擇第四十八頁，共77頁。3.2

模型建立及總體布置選擇1．確定貨位尺寸貨位尺寸直接關系到倉庫面積和空間利用率，也關系到倉庫能否順利地存取貨物。貨位尺寸取決于在貨物單元四周需留出的凈空尺寸和貨架構件的有關尺寸。2．確定倉庫的整體布置要從技術上比較容易實現和經濟上比較合理的角度確定貨架高度。一般情況下，每二排貨架為一個巷道，根據場地條件可以確定巷道數。第四十九頁，共77頁。如果庫存量為N個貨物單元，巷道數為A，貨架高度方向可設S層，若每排設有同樣的列數，則每排貨架在水平方向應具有的列數C為：C=N/(2AS)。根據每排貨架的列數C及貨格橫向尺寸可確定貨架總長度L根據作業頻率的要求，確定堆垛機的數量和工作形式，多數情況下每巷道配備一臺堆垛機。確定高層貨架區和作業區的銜接方式，可以選擇采用叉車、運輸小車或者輸送機等運輸設備。按照倉庫作業的特點選擇出入口的位置。第五十頁，共77頁。第五十一頁，共77頁。一般情況下，AS/RS的總體布置形式如下表所示。

1—貨架2—堆垛起重機3—進出庫站4—轉車臺5—輸送機第五十二頁，共77頁。高架倉庫中貨物存取周期，即堆垛機完成一項作業后，再回到原地所需要的時間。貨物的存取作業是倉儲工作中很重要的一環，此時間的長短決定了倉庫的出入庫頻率，是評價倉儲作業效率和倉儲系統的一項很重要的參數。存取作業周期的長短，不僅與堆垛機的行走、起升和貨叉伸縮的時間有關，還與貨種、貨架的長度和高度、控制信號的獲取與轉換時間等有關。33

出、入庫流量驗算與堆垛機的存取作業周期第五十三頁，共77頁。1.高架倉庫的作業方式兩種基本的存取作業方式：單一作業方式、復合作業方式。

單一作業方式：堆垛機從巷道口出入庫臺出發，取一個單元貨物送到選定的貨位，然后返回巷道口的出入庫臺(單入庫)；或者從巷道口出發，到某一給定貨位取出一個單元貨物送到出入庫臺(單出庫)。33

出、入庫流量驗算與堆垛機的存取作業周期

復合作業方式：堆垛機從出入庫臺取一件單元貨物送到選定的貨位，然后直接轉移到另一個給定貨位，取出其中的貨物單元，再回到出入庫臺出庫。為了提高作業效率，應盡量采用復合作業方式。第五十四頁，共77頁。2.堆垛機作業周期計算參數

設貨架的高為H，巷道長為L，堆垛機水平速度為vx，升降速度為vz。當堆垛機的走行機構和升降機構同時以速度vx和vz運行，經過一段時間，載貨臺運行到貨架上的某一貨位(x,z)第五十五頁，共77頁。因兩機構的運行時間相等，則存在下列關系：定義貨架參數wW為貨架高長比除以堆垛機升降水平速度比根據堆垛機的速度，調整貨架的長度與高度，可使得w=1，第五十六頁，共77頁。下圖表示了堆垛機行走機構和升降機構聯合動作，完成單作業和復合作業的情況。圖(a)中，堆垛機必須在第1點，停止x方向的運動的同時，繼續沿z方向運動才能到達指定的貨位；進貨完成返程時，在第3點，停止x方向的運動，由升降機構動作回到出發點O。由此，可算出堆垛機在z方向運行距離為lz時，所需時間tz

第五十七頁，共77頁。上圖(b)可算出堆垛機在x方向運行距離為lx時，所需的時間tx。下圖中，線段OB左上的各個貨位,只要在垂直方向行走的距離為lz，所需的時間均為tz，如圖中AB線段上的各個貨位（與x方向行走的距離無關）。線段OB右下的各個貨位,只要在水平方向行走的距離為lx，作業的時間均是tx對于BC線上各貨位即是如此。在交點B處，tz=tx，所以，我們把線A-B-C稱為等時線，即在這兩條線上的各貨位作業時間相同。lxO等時線第五十八頁，共77頁。堆垛機作業周期的計算除了要考慮堆垛機行走和載荷臺的升降時間外，還應考慮貨叉的升縮作業時間。貨叉伸縮的作業時間包括貨叉伸出時間和貨叉縮回時間，還要考慮貨叉與托盤對位所需要的微動時間。在單作業時，貨叉伸、縮各一次；雙作業時，貨叉要伸、縮各兩次。3.計算平均作業周期的方法(1)總體平均法1）假設80%的作業是復合作業方式，20%是單作業方式。2）摒棄運行距離特別近和特別遠的兩種極端情況，取貨架長度和高度的20%和80%之間的范圍作為經常運行的范圍。3)

取四個復合作業和一個單作業為一組進行驗算。它們的貨格位置和運行路線如下圖所示。第五十九頁，共77頁。第六十頁，共77頁。4)分別計算各次作業周期、、、、。

5)按下式計算一次入庫和出庫的平均作業周期：

由此，可計算每小時平均入庫或者出庫貨物單元數為：

式中：—以秒計的平均作業周期。第六十一頁，共77頁。(2)分解平均法計算平均單作業周期單作業周期單作業周期是指堆垛機完成一次單入庫或單出庫作業所需要的時間ts，參看后圖。

式中,t0——固定時間,如控制信號的獲取與轉換時間等(常數);ty——貨叉作業的伸、縮時間（常數）；MAX（tx,tz）——堆垛機行走時間tx和載貨臺升降時間tz中的最大值。

第六十二頁，共77頁。堆垛機單作業周期的時間組成圖(a)堆垛機行走時間；(b)載荷臺升降時間；(c)貨叉作業時間1－堆垛機開始處于準備狀態，運行速度為零；2－堆垛機加速啟動；3－堆垛機以額定速度運行；4－堆垛機減速；5－堆垛機慢行對位；6－堆垛機停止；

ty－貨叉取(存)貨所需時間；tEP－堆垛機帶貨運行到指定貨位所需時間；tPE－堆垛機空載運行回到出入庫臺所需時間第六十三頁，共77頁。平均單作業周期由于對不同貨位作業時，堆垛機行走時間tx和載貨臺升降時間tz均不一樣，是隨機數。而to和ty為常數，平均單作業周期取決于的數學期望：式中,pi——堆垛機到任何一個貨位揀取貨物的概率。由于堆垛機揀取貨位上的貨物是一個等概率事件，所以

其中，F=L?H(貨架面積)；ΔF=Δx?Δz(貨位面積)。

是比較堆垛機到第i個貨位取貨的時間tx和tz后，所取的較大值，是單作業中堆垛機取貨（或放貨）運動所需時間的一半。第六十四頁，共77頁。另外，由于行走機構和載貨臺啟動、制動和正常運行，三個階段的速度不同。v1、v2是時間t的函數，堆垛機走行、升降速度與時間的關系為考慮問題簡單，將啟動階段和制動階段的速度線性化，v1=a1?t，v2=a2?（t2–t），并將啟動加速度與制動時的加速度取為一樣，即令s上圖中：

第六十五頁，共77頁。則在時間階段，堆垛機所走路程為可得（當

時)

式中v=vmax=常數，a也為常數，則即為啟制動階段所需時間，是對作出的修正。當