托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统

随着物流产业的迅猛发展，托盘四向穿梭式立体库因其在流通仓储体系中所具有的密集存储功能优势、运作成本优势与系统化智能化管理优势，已发展为仓储物流的主流形式之一。

    下面主要介绍托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的基本概述、系统规划、硬件配置、主要特点、作业框架 及案例应用。

1、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的软硬件配置系统；

客观地分析客户的需求，合理配置托盘四向穿梭式立体库物流管控系统，托盘四向穿梭式立体库物流管控系统一般由多层托盘四向穿梭式货架、存储单元、物流搬运设备（含托盘四向穿梭车、托盘提升机等）、出入库输送系统、通讯系统、WCS控制系统、计算机监控系统、WMS计算机管理信息系统以及其他辅助设备组成；WCS通过网络通讯、PLC来操控和管理托盘四向穿梭车、其它物流搬运设备、托盘提升机和输送链；托盘四向穿梭车采用光电开关加编码器的双重认址方式，通过计算目标的相对位置方式来实现方向控制和位置控制，实现所有的托盘四向穿梭车、存储物品沿托盘四向穿梭式立体库内钢货架结构中配置的运行轨道在各个层面合理移动与调度，大大提高了货物周转的速度；出入库输送系统包括单元化输送系统、纸箱(物流箱)拣选输送系统、连续提升机、分配车、AGV等，出入库输送系统的规划设计以及输送设备的配置，需要根据仓库的整体布局、仓库的功能以及存储单元或货物的类型等情况决定，出入库系统的输送速度以及分岔、合流点的数量等，都要以满足仓库的出入库效率为原则来确定，并处理好电气控制技术问题。

（图一）托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的拓扑图

整个计算机系统由中控室计算机系统和仓库计算机系统所组成，仓库计算机系统均通过网络连接到中控室计算机系统，并通过应用服务器访问数据库和各个设备系统。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的功能架构分为：信息管理层、调度监控层和设备执行层三个层次；信息管理层实现物流系统的管理功能，同时还是衔接自动化物流系统与企业信息管理系统的接口层，这一层由物流计算机系统实现，软件的可用性、技术的性与接口的开放性尤为关键，该层对围绕生产组织的物流活动提供大化的信息管理，并具备与相关的信息管理系统接口的能力，以确保信息的自动化和实现资料共享；调度监控层是连接信息管理层和设备控制层的纽带；设备执行层是集成了各种执行设备的工业控制网或控制系统；在托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中包括：输送控制系统、托盘四向穿梭车、托盘货物提升机、地面搬运AGV、拣选设备控制系统等。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的仓库管理系统功能架构图如下：

(图二）WMS与WCS功能图

电气控制技术主要指对相关机械机构运动的控制，包括对机械部分的定位、轨迹、速度、压力、角度等进行控制；另一个是逻辑控制：

（a）运动控制：运动控制就是以电机与传动机构为控制对象，通过控制器和驱动装置，对机电系统的速度、加速度(转矩)、位置等运动量进行控制，以满足托盘四向穿梭车的功能和性能的要求。

（b）逻辑控制：逻辑控制是以逻辑代数为理论基础的一种控制思想，它遵循一定的规律，托盘四向穿梭车根据客户的工艺路线设置合理的行程顺序逻辑控制；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中常用的电气控制技术主要有常用传感器、低压控制电器、电动机驱动、可编程控制器、嵌入式系统和机电系统接口技术，

（1）传感器：主要被用于检测托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中的自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统的动作。传感器的精度、灵敏度和可靠性很大程度上决定了系统性能的好坏；

（2）直流伺服电动机：就是微型的他励直流电动机，其结构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极是磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组；

（3）嵌入式系统：嵌入式系统是计算机软件与计算机硬件集成在一起，嵌入到应用对象内部的计算机系统。这种系统往往与应用对象技术，如通信技术、传感技术、信号处理技术、控制技术等结合在一起，成为嵌入式系统应用对象的控制。嵌入式系统具有芯片集成度高、硬件软件小化、高度自动化、响应速度快以及性能可靠等基本特点，特别适合于要求实时和多任务的场合。从应用角度考察，目前相当一部分嵌入式产品都具有3c融合特征，即计算机（computcr）、通信(Communication)和消费电子(Consume Electronic)一体化；

（4）机电一体化接口技术：托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的性能在很大程度上取决于接口性能。各子系统之间的接口性能成为判断系统整体性能好坏的决定性因素。接口技术的研究对象正是机电自动化系统中的各种接口。机电接口包括硬件接口和软件接口两大类。硬件接口主要在于系统之间或人与系统之间建立物理连接，为信息和能量的输入／输出、传递和转换提供物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电组成技术，使各子系统集成并融合为一个整体，实现新的功能。机电系统的接口根据输入／输出的关系，可以分为人机接口、机电接口、机械接口、电气接口和软件接口(信息接口)；

（a）人机接口是主要解决人与机电系统之间的接口。通过人机接口，可以向系统输入操作指令，计算机的处理信息、报警信号、系统的运行状态等都需要通过显示器的输出传递给操作者，便于操作者监视系统的运行状态，控制其运行过程。人机接口是双向互动的。接口硬件包括输入／输出设备，人机输入接口主要有；键盘鼠标、扫描仪、照相机、拨码盘、触摸屏、开关和旋钮、虹膜识别、手写输入、指纹识别、面部识别和声音识别等；人机输出接口主要有；触模屏、LED、LCD显示屏、打印机、数码管、指示灯和音响等；

（b）机电接口主要解决动力源与驱动装置之间的能量转换接口。机电系统中的驱动装置有各种交、直流电动机，液压执行装置，气动执行装置（机械手）和其他新型执行装置。驱动这些装置需要用到机电接口。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中存在一定的输送线、提升机、叠码盘机、机械手等多种物流配置设备，内部的运动机构及其系统的工作方式和原理也是多种多样，要实现各类设备的合理配置与兼容，机电接口的设计也称为了项目案例成功与否的关键要素；

（c）电气接口主要解决控制系统与驱动系统、驱动系统与传感器、传感器与控制系统之间的接口，或解决外部装置与计算机之间的硬件接口。也就是说，电气接口将传感器输出的信号进行转换，输入到控制系统中，将控制系统输出的数字量信号转换为驱动系统所需要的信号；这些信号的转换都是通过软件进行的；这个也是托盘四向穿梭车电气模块化设计的关键之一。电气接口划分为输入接口和输出接口两种类型。输入接口包括开关量、数字量和模拟量这三种输入接口。输入接口的功能就是将传感器输出的信号经过信号放大、调制与解调、滤波、限幅和A／D转换等一系列操作，将输入信号转换成数字信号输入到计算机中，在这个转换过程中，要解决电平和量程匹配；输出接口输出数字量，经过电气隔离、D／A转换和功率放大，送到执行机构；

（d）软件接口主要解决不同总线、不同程序之间的信息格式转换。例如，ISA总线与USB总线的转换、windows下的设备驱动程序、不同语言之间的混合编程等；

（e）机械接口技术是主要解决执行机构和驱动系统之间的接口。机械接口有零接口和被动接口两种。零接口直接将执行机构和驱动系统连接，不进行能量和运动的变换，本系统中存在输送线与提升机、输送线与地面AGV、提升机内置运行轨道与货架结构轨道的对接等零接口。被动接口要进行能量的转换和运动的

2、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的特点；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统可认为是在穿梭车货架系统基础上提出的一种新仓储概念。其中托盘四向穿梭车具有显著的特点：

1）托盘四向穿梭车具有结构紧凑：高度尺寸小，节省更多存储空间；不仅能够在配套的货架轨道上四向行驶，还能利用垂直提升机实现换层作业，进一步增加了仓库货架布局和四向穿梭车库内作业的灵活性、可扩展性。

2）四向行驶：可在立体货架交叉轨道上沿纵向或横向轨道任意行驶，实现一站式点到点输送，可到达仓库平面层的任何一个货位；

3）智能换层：配合本公司的提升机，穿梭车可实现自动换层的工作方式作业；实现空间三维运动，控制钢货架区域内的每一个货位的出入库；

4）智能控制：具有全自动和半自动两种工作模式。提高了货物存取效率及仓库的空间利用率。运用WMS、WCS系统软件与企业ERP/SAP/MES等管理系统软件的对接，还可以保持货物的先出法存储，清除了人为因素作业的混乱无序或低效率；

5）存储空间利用率高：传统库房储放的密度低，导致库房总面积利用率低、库房容积利用率低；托盘四向穿梭车在货架内的主轨道上四向运行，无需叉车和其他设备协调即可自主完成作业，由于货架主轨道的体积小于叉车作业通道的体积，托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统相较于普通穿梭车货架系统，可进一步提高存储空间利用率，通常可提高20％～30％，是普通平库的2～5倍；

6）货位动态性管理：传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其的功能，是一种“静态储存”，托盘四向穿梭车为的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要全信息化自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接。便于形成的物流系统，提高企业管理水平；

7）无人自动化仓储模式：大大降低了库房工作人员工作任务负荷量，为库房实现无人化工作提供可能性，商品出立体仓库直接由托盘四向穿梭车、货物垂直提升机与自动输送机进行连接，库房工作人员只需时不时监控系统运作，实现了存取自动化，无需人员进入库房内进行作业，尤其适用于冷库、存储有毒货物等不适合人员长期驻留的仓库，是未来高密度密集存储和自动化仓储的发展方向。

3、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的作业框架；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统采用托盘集装，货架结构内储货位密集排列，货格存储深度大于1个托盘，具有较高的存储空间利用率和自动化作业能力，对库房的结构、高度等要求较低。仓储系统布设于库房内，与组盘／拆盘作业台、叉车（或地面AGV，后续包含在叉车作业中）等协同完成出入库上下架作业。在作业过程中，仓库管理员、理货组拆盘作业人员和叉车操作手在管理控制信息系统的调度下协同配合，完成货物出入库任务，作业过程涉及的设施设备包括叉车、托盘四向穿梭车、货架、服务器（部署管理控制信息系统）、托盘、射频标签、射频识读设备和手持终端等。

货物入库作业过程主要包含四个环节：理货组盘→叉车运输→输送线或其他周边设备→托盘四向穿梭车运输系统（含垂直提升机运输和→托盘四向穿梭车运输。

在货物入库过程中，管理控制信息系统根据入库单制订入库作业计划，理货组盘作业人员将到达的散件货物进行组盘作业，通过手持终端将组盘作业信息上传到管理控制信息系统；然后进行托盘货物上架作业，叉车将托盘运送至货架端口或输送线上料口，安装在端口处的射频识读设备读取托盘上的射频标签获取托盘货物信息，管理控制信息系统给该托盘货物分配存储货位；后，托盘四向穿梭车将托盘货物从端口运送至货位，货物出库作业流程与之相反，也包含四个环节：四向穿梭车运输（含垂直提升机运输和四向穿梭车运输）→输送线或其他周边设备→叉车运输出库发运（含拆盘回库），作业过程与入库相反。出入库作业操作依据客户的作业流程设置合理的控制节点，确保出入库作业的效率和作业质量。

托盘四向穿梭车运输环节，即托盘货物在货架内存取的相关问题。以系统作业流程和货物存取需求为基础，分析货架货位布局对托盘货物存取效率的影响，根据托盘四向穿梭车在轨道交通网内的运行特点研究轨道交通网的活性，给出货架轨道设计原则和定向方法。在此基础上，根据作业进程优化货物存取任务分配，对托盘四向穿梭车进行路径规划，给出优的托盘四向穿梭车路径规划和交通控制方案，提高货物存取效率。

【案例】某医药存储仓库

仓库概述：仓库共有三层货架，三台智能穿梭车，每层货架一台车执行任务（每层车仅执行当前层任务，不换层）；仓库共有2台提升机，2个入库口；因输送线为双向输送线，2个入库口同时包含出库功能。

基本平面布局与钢货架结构简图如下；

案例实拍图如下：

仓库运作流程：

1）入库：入库托盘通过叉车直接放到入库口，按下入库按钮后，输送线入库方向移动。经过外形检测检验货物摆放是否合格，如合格，则进行入库，进入条码扫描；如不合格，则退回入库口，人工进行重新摆放货物。扫码器对托盘码进行扫描，当扫码成功后，WCS把条码值反馈给WMS，WMS根据条码值，分配货物的货位并下发给WCS（包含货位的层数、行、列、深位等信息）；WCS根据接收到的货位信息，下发给PLC；PLC通过所得到的入库目的地址，控制输送线运转；同时控制提升机，运送货物至目的层。如扫码器扫码失败，WCS向WMS反馈扫码失败结果，输送线停止运行，等待人工处理；如扫码值经WMS判定为无效码，则输送线停止运行，等待人工处理；操作人员可利用手持终端再次扫码或更换条码信息等方式，处理扫码异常情况。如需货物退回处理，则在入库口按“返回按钮”，货物返回入库口，等待处理。

2）货物运行至提升机口处输送线，停止等待；PLC根据入库的目的地址，确认货物所需到达的货架层数，调用提升机。当提升机到达1层时，输送线运送货物至提升机内，货物通过提升机，到达目的层；提升机到达目的层后，货物随提升机输送线出提升机，至穿梭车取货口等待穿梭车取货。

3）WMS定时发送入库任务，WCS接收到入库任务后，下发给货物目的层穿梭车；穿梭车接收入库指令，行驶至目的层取货口取货，把货物运送至目的货位。WMS每次下发一个任务，WCS根据WMS下发的任务先后顺序，执行出入库任务。WMS下发入库任务前，需判断出库任务是否已经完成；在出库任务执行结束后，再下发入库任务，防止因输送线资源占用导致的死锁现象。

4）出库：WMS下发出库任务（包含起始地址及目的地址）给WCS，WCS接收到出库任务后，由货物当前层穿梭车运送出库货物至提升机口输送线；货物在提升机口输送线停止等待，同时PLC控制提升机至货物当前层；提升机到货物当前层后，输送线运送货物至提升机内，提升机载货至1层，货物出提升机，输送线运送货物至出库口。人工取下托盘，完成出库。

5）入库，出库，移库（移出，移入）货位由WMS系统分配，仓库控制系统不支持分配货位；智能穿梭车在行驶路径中，如果有托盘阻挡，WMS需先下发移库任务，将阻挡托盘移出，才能下发后续任务。

6）自动控制系统（WCS）按照任务接收到的时间先后顺序执行，先接收到的任务执行。

7）WMS定时下发任务，WMS内部排列好级后，每次下发WCS单个任务。

8）自动化设备的执行效率与货品入库摆放顺序（例如：同批号同巷道摆放，同批号不同层摆放等），以及出库方式（例如：先出，后进先出等），巷道深度，密切相关，这些方式决定了终的自动化设备的实际低，自动化设备效率以上述情景为运行基础的前提下得到的效率为准。

9）如某一层穿梭车故障，在人工确认故障信息后，把故障车辆移至不影响出入库路径的位置的情况下，其他层空闲车辆可通过提升机换层到故障车辆层执行任务。